AH32船用钢板韧脆转变温度测试与分析

陈静华，赵 华，吴泽南，张春娥

（舟山市质量技术监督检测研究院，浙江 舟山 316021）

工艺与材料

AH32船用钢板韧脆转变温度测试与分析

陈静华，赵 华，吴泽南，张春娥

（舟山市质量技术监督检测研究院，浙江 舟山 316021）

研究AH32船用钢板在不同试样尺寸下的韧性冲击功和断面纤维率与温度之间的关系，并利用Boltzmann函数拟合法对不同厚度的AH32船用钢板的韧脆转变温度进行分析。结果表明：拟合得到的韧脆转变温度曲线各不相同，试样越厚，测得的韧脆转变温度越高。同时，通过扫描电镜对各尺寸试样的断面进行起裂处的断口分析，结果也表明，试样越厚，其出现脆性断面的温度越高。这说明船体实际呈现脆性趋势的温度要高于标准试验得到的温度，按标准试验的数据指导船体设计及实际应用是偏于危险的。

船用钢板；韧脆转变温度；Boltzmann函数；断口分析

0 引 言

当试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口由纤维状态变为结晶状态，这就是低温脆性，该温度称为韧脆转变温度[1]。若船舶在低温环境中航行，则当环境温度低至船用材料的韧脆转变温度点时，船舶就会有发生脆性断裂的危险，从而引发海难事故。因此，准确测量材料实际的韧脆转变温度十分重要。

影响材料的脆性和韧性的因素有很多，主要包括材料的微结构、晶粒大小、结构成分、应力状态、温度和样品的结构尺寸等[2]。材料实际的应用状态和实验室的测试状态主要改变应力状态、温度及样品的结构尺寸等3个参数。根据文献[3]中的结论，冲击试样的尺寸对冲击功有巨大影响，本文通过改变样品结构的尺寸来研究AH32船用钢板的韧脆转变温度。

1 材料和试验

试验材料为船用AH32中厚板，厚度为20mm，试样加工成的尺寸（长×宽×高）有：55mm×10.0mm×10mm，55mm×12.5mm× 10mm，55mm×15.0mm×10mm，55mm×17.5mm×10mm和55mm× 20.0mm×10mm。降低由于材质不均匀造成的试验结果偏差，采用退火工艺（见图1）对样品进行热处理。退火处理后在ZBC2302-3微机控制低温全自动冲击试验机上进行系列温度的冲击试验，试验温度分别为-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃，-80℃，-90℃，-100℃和-110℃。试验参考GB/T 229—2007中给出标准及文献[4]中给出的方法进行。

冲击试验完成之后，利用ZEISS公司生产的SUPRA55型扫描电子显微镜观察冲击后试样的断口，对不同温度下断口起裂处的微观形貌进行分析。

2 结果与讨论

对选用的材料进行化学成分分析、力学性能测试、韧脆转变温度测试和扫描电镜断口分析。

2.1 化学成分分析

取样船用钢板（AH32船用钢板）的化学成分见表1，符合GB 712—2011《船舶及海洋工程用结构钢》中对AH32的相关要求。

表1 AH32船用钢板化学成分 m%

2.2 力学性能测试

AH32船用钢板力学性能见表2，符合GB 712—2011相关要求。冲击试验进行分层取样，试验结果表明上下层测试数据一致，符合测试要求。

表2 AH32船用钢板力学性能

2.3 韧脆转变温度测试

从取样钢板上取55mm×10.0mm×10mm，55mm×12.5mm×10mm，55mm×15.0mm×10mm，55mm×17.5mm× 10mm和55mm×20.0mm×10mm等5种规格型号的试样各10组，分别在-20℃，-30℃，-40℃，-50℃，-60℃，-70℃，-80℃，-90℃，-100℃和-110℃温度下进行测试，测试数据见表3。利用Boltzmann函数对测试数据进行拟合，对冲击功-温度曲线进行拟合可取得良好的效果[5]。

Boltzmann函数模型为

式(1)中：w为冲击功，J；a1为下平台值，J；a2为上平台值，J；t为温度值，℃；t0为对应的韧脆转变温度，℃；Δt为与韧脆转变温度区宽度相关的参数。利用Origin软件中的非线性回归功能，通过Boltzmann函数模型对试验数据进行拟合。图2为各尺寸试样在各温度点下的冲击功-冲击温度拟合图（韧脆转变温度拟合图）。

表3 AH32船用钢板冲击试验数据

图2中各种尺寸试样的冲击功-冲击温度曲线均近似呈S型[6]，但同种材料不同厚度试样的韧脆转变温度是不同的。随着试样厚度的增大，韧脆转变温度逐渐向高温方向移动。此外，5种尺寸试样的脆性趋势也是不同的，厚度越大，其脆性趋势越强。

材料的失效形式主要有脆性断裂和屈服2种，都各自对应不同的强度理论。经典力学理论认为，当钢结构件中某点的最大主拉应力1σ达到钢材的断裂强度f0时，构件就会发生断裂破坏[7]。

图2 AH32船用钢板韧脆转变温度拟合图

在一定温度条件下，当构件中某点的应力尚未达到屈服状态，但该点的主拉应力σ1达到断裂强度f0，即满足式(2)或式(3)且同时满足式(4)时（设此点的三向主应力为σ1，σ2，σ3，σ1≥σ2≥σ3），构件就会发生脆性断裂破坏。

应力状态对钢材及其构件的塑性和韧性有较大的影响，而构件尺寸是影响应力状态的因素之一。因为随着厚度的增大，应力集中区会由平面应力状态过渡为平面应变状态。该应力状态约束尖端的塑性流动，塑性变形大大降低，使得冲击试样达到某温度点后其冲击功因试样尺寸的增大而减小，导致冲击试样的韧脆转变温度因试样厚度增加而提高。

2.4 各尺寸冲击试样间的关联

在韧脆转变温度的上平台区，试样越厚，其消耗的冲击能量越多。随着温度的降低，尺寸越大的试样消耗的冲击能量越少，并在某个温度点时消耗的冲击能量小于尺寸较小的试样消耗的冲击能量。由于各冲击试样的尺寸不同，其在冲击过程中受到的应力状态不同，无法进行直接对比。由冲击功-冲击温度拟合曲线的斜率可知，不同尺寸冲击试样的韧脆转变温度的变化趋势是不同的，厚度越大，脆性趋势越强。

3 大厚度冲击试验的断口分析

通过扫描电镜对冲击试样断口起裂端进行扫描，得到的试样断口图见图3～图6，与上文的冲击试样一一对应。

图4 AH32 钢板-40℃温度下5种不同尺寸试样起裂处的断口

图5 AH32 钢板-50℃温度下5种不同尺寸试样起裂处的断口

1) 在-20℃温度下，5种不同尺寸试样的起裂处断口形貌基本一样，都具有大量的小韧窝，属于典型的韧性断裂。

2) 随着试样厚度的增大，其断口形貌开始出现差异，在大量小韧窝的基础上，出现很多脆性断裂形态，尤其是在55mm×20.0mm×10mm的试样断面上，脆性断裂形态布满整个断裂面。

图6 AH32 钢板-60℃温度下2种不同尺寸试样起裂处的断口

3) 在-50℃温度下，各尺寸试样的起裂处断口形貌又达到基本一致，韧窝消失并形成大量的沿晶断裂组织。

4) 在-60℃温度下，各尺寸试样的起裂处断口形貌出现由解离裂纹与机械孪晶共同作用形成的“舌状花样”及“鱼骨状花样”形貌，这些都是典型的完全脆性断面结构，说明在该温度下各尺寸试样的断口都呈现为完全脆性断裂状态。

通过对上述5种尺寸样品在不同温度下的冲击断裂起裂处断口进行分析可知：在相同温度条件下，大尺寸的试样比小尺寸的试样容易产生脆性断裂；在此次测试的范围内，随着试样厚度的增大，试样形成解理脆性断口的温度逐渐升高。该结论与根据韧脆转变温度的能量数据变化趋势和韧脆转变的温度范围得出的结论是一致的，即随着试样尺寸增大，其韧脆转变的温度逐渐升高。

4 结 语

通过对AH32船用钢板5种尺寸试样进行韧脆转变温度测试，并结合断口的形貌进行分析，发现使用不同尺寸试样得到的材料韧脆转变温度是不同的，试样厚度越大，测试得到的韧脆转变温度越高。通俗地讲，即在相同的温度条件下，厚度大的材料比厚度小的材料更早出现脆性断裂现象。因此，在实际应用中直接使用标准试样测得的数据来评定材料的韧脆转变温度是偏于危险的。后续可研究材料的厚度与韧脆转变温度的量化关系，使试验数据更安全地应用于工程中。

[1] 束德林. 金属力学性能[M]. 2版. 北京：机械工业出版社，1999.

[2] 范天佑. 断裂理论基础[M]. 北京：科学出版社，2002.

[3] 黎智辉. 夏比摆锤冲击试样尺寸对试验结果的影响[J]. 理化检验（物理分册），2013, 49 (10): 664-667.

[4] 邱晓刚，杨勇. 冲击试样尺寸与韧-脆转变过程的试验研究[J]. 理化检验（物理分册），2004, 40 (12): 599-562.

[5] 王烽，廉晓洁. 冲击韧脆转变曲线数学模型的选择[J]. 理化检验（物理分册），2009, 45 (10): 617-620.

[6] 赵建平，张秀敏，沈士明. 材料韧脆转变温度数据处理方法探讨[J]. 石油化工设备，2004, 33 (4): 29-32.

[7] 王元清，武延民，王晓哲，等. 含缺口受拉平板Z向应力的有限元分析[J]. 低温建筑技术，2004 (6): 28-31.

Test and Analysis of Ductile-Brittle Transition Temperature for AH32 Marine Steel Plate

CHEN Jing-hua，ZHAO Hua，WU Ze-nan，ZHANG Chun-e

(Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316021, China)

This paper studies the relationship between the temperature and impact energy and the section fiber ratio of AH32 marine steel plates in different sizes, and uses the Boltzmann function fitting method to analyze the ductile-brittle transition temperature of AH32 marine steel plate in different thicknesses. The result shows that the obtained fitting curves of ductile-brittle transition temperature are different from each other. Thicker sample plates have higher transition temperature. Meanwhile, the initiation fractures of different sample sizes are analyzed with the scanning electron microscope. It also shows that thicker samples have higher temperature to cause brittle fracture. This indicates that the actual ductile-brittle transition temperature of the hull is higher than that of the standard test, so it is not safe to apply the data from standard test to hull design and to practice.

marine steel plate; ductile-brittle transition temperature; Boltzmann function; fracture analysis

U663.2；U668.2

A

2095-4069 (2017) 05-0072-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.014

2016-10-10

陈静华，男，工程师，1984年生。2007年毕业于河北工程大学无机非金属材料工程专业，现从事船舶基础材料及舾装件的力学性能测试工作。