不同碳含量对HSLA钢的缺口敏感性的影响

张冰洋，刘智良

（中煤张家口煤矿机械责任有限公司，河北 张家口 076025）

1 试样制备与试验方法

试验材料由ARL-4460直读光谱仪测得的化学成分如表1，试样全部取自两块20 mm厚的钢板，按照GB 712—2011于横向1/4位置取样。平板拉伸试样采用150 mm×35 mm×4 mm，缺口拉伸试样采用450的“V”形缺口，缺口深度2 mm的双边缺口试样。金相试样观察与拉伸试样平行的面。拉伸试样取样位置及具体尺寸如图1。

表1 试验钢种主要化学成分 %

热处理试验在KSYD-6.3-16型箱式电阻炉型电阻炉中进行，淬火温度工艺参数参考热处理手册[13]相同钢号，淬火工艺：1号钢880℃×10 min；2号钢9000℃×10 min，水冷且淬火后水温无明显变化。回火工艺：500℃×90 min，出炉空冷，热处理工艺曲线如图2。

根据GB/T 228.1—2010在WDW-200型万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min。蔡司光学显微镜和JCM-6000扫描电镜进行组织和断口综合分析。

2 试验结果及讨论

2.1 拉伸试验结果及分析

拉伸的力学性能如表2，拉伸曲线如图3。试验钢的缺口敏感性用RNS（notch sensitivity ratio）表示。

表2 拉伸试验的试验结果

式中：Rmn为缺口试样的抗拉强度；Rm为光滑试样的抗拉强度。

脆性材料在缺口处尚未发生塑性变形就已发生脆性断裂,则RNS小于1；塑性材料于缺口处可能发生塑性变形，RNS小于1。RNS比值在1附近时，材料对缺口不敏感。RNS比值越大，缺口敏感性越小。计算结果为：1号钢的RNS≈1.33大于2号钢的RNS≈1.24。则低碳微合金钢随着含碳量的增加及抗拉强度升高，缺口敏感性增加。钱友荣等的研究指出应力集中系数Kt=2.203～3.655范围，RNS=1.056～1.139范围。则本实验含碳量变化为引起的RNS值变化大于钱友荣等研究的应力集中系数变化引起的RNS值变化。含碳变化对RNS变化影响明显。

由图3可知带缺口试样的塑性变形很少，应力在在试样截面分布改变，在缺口处产生应力集中，应力增大，抗拉强度增大。由缺口尺寸确定应力集中系[16]数：

图3 应变分布曲线

式中：a为缺口深度，b为缺口底角圆弧半径。

由式（2）得：Kt≈2.27。

由应力集中系数Kt表示的应力集中程度得：

式中：Rmax为缺口顶端的最大应力；R为平均应力。

由拉伸时的最大力计算平均应力：

结合式（3）和式（4）得1（缺口）和2（缺口）钢在缺口处的最大应力Rmax分别为2083.38 MPa和1885.3 MPa。塑性材料在缺口处的应力根据屈雷斯加判据SⅡ=Ry-Rx=Rp,Rx=0。缺口根部屈服时Ry达到Rp；在缺口内侧，Rx≠0，要满足SⅡ判据，必须增加拉伸方向应力Ry。在距缺口一定距离x处，X（宽度方向）、Y（拉伸方向）、Z（厚度方向），应力Rx、Rz、Ry达到最大，即在x处真应力最大。同时在距缺口一定距离x处，形成了三向应力，产生了“缺口强化”现象。

2.2 微观组织分析

图4中4-1、4-3为1号钢，4-2、4-4为2号钢。1与2号钢的组织均主要为回火托氏体，少量回火索氏体。大部分a相仍保持针状及条片状形态（BF）；

图4-1、4-2中的区域1与2，A相条片状消失，形成铁素体晶粒多边形化，碳化物由细条状或短棒状变为颗粒状。由图4-1、4-2可知，1号与2号钢的M/A岛呈细条状或点状弥散分布，二者M/A岛的形状及大小无明显区别。由图4-3、4-4观察，图4-3的M/A岛的数量比图4-2的体积分数多，在M/A岛的形状及大小无明显变化的情况下，低碳微合金钢的抗拉强度随M/A岛数量的增加而提高。所以1号钢的抗拉强度高于2号钢。

图4 1与2号钢的光学和扫描显微组织

2.3 断口分析

图5为光滑试样与带缺口试样沿厚度方向的断口宏观示意图。

图5 光滑试样与带缺口试样沿厚度方向的断口宏观示意图

光滑试样的断口为典型的韧性断口：纤维区、放射区、剪切区。缺口试样与拉伸方向呈45°夹角。

拉伸时，由缺口处向里应力集中逐渐增大，当临界正应力达到细观解理应力，由裂纹萌生时的带有韧窝的断口变为解理断口。

下页图6的6-1,6-2分别为1号钢的光滑试样和缺口试样的宏观放大断口，6-3,6-4分别为2号钢的光滑试样和缺口试样的宏观放大断口。

由图6观察可知，6-1,6-3光滑试样都发生了明显的缩颈现象，6-1,6-3光滑试样的宏观断口为典型的韧性断口，可以观察到明显放射线花样的放射区、光滑的剪切区。6-2,6-4带缺口试样宏观断口为光滑平坦解理断口,6-2具有“人字形”花样，且人字形尖端逆指向缺口处；6-4具有“放射状”花样，放射花样的收敛处指向缺口。在加载速度、试样形状等条件相当时，“人字纹”越明显，材料的脆性越大。则说明在1号钢含碳量高于2号钢的情况下，1号带缺口钢的脆性大于2号带缺口钢。王国珍等研究指出缺口试样的解理断裂主要由正应力大于屈服应力所控制，由缺口处的应力满足屈雷斯加判据SⅡ=Ry-Rx=Rp，知沿拉伸方向正应力Ry大于屈服应力Rp。虽然1与2号钢经调质处理，虽然具有较高的塑韧性，但在拉伸带有双边缺口试样的过程中，仍变为塑韧性较差的解理断口。

图6 1号与2号钢的宏观放大形貌

图7中7-1与7-3为1号与2号的光滑试样，微观为较大的等轴韧窝或拉长撕裂韧窝；在剪切区光滑平坦，仍具有拉长的韧窝。由于1号强度高于2号，所以在1号剪切区比2号光滑。7-2与7-4为1号与2号的缺口试样，宏观放射区微观为准解理断口与舌状花样；靠近缺口处为纤维状断口具有等轴韧窝。舌状花样为解理断口。准解理断口是韧窝断裂与解理断裂的一种过渡方式，具有少量塑变。在拉伸缺口试样过程中，沿45°方向剪切力最大，在缺口处形成三向应力，同时强度升高，塑性下降。在缺口处纤维裂纹尖端近似于尖锐缺口，应力集中达到解理临界事件，发生由韧性断裂向脆性解理的转变-准解理断口。随着裂纹扩展速率增大，塑性下降迅速，出现舌状花样。

图7 1号与2号钢的微观形貌

3 结论

1）低碳微合金钢随着含碳量的升高，缺口敏感性变化明显。由于缺口样在缺口处产生高度的三向应力集中，产生缺口“缺口强化”。导致缺口试样抗拉强度大于光滑试样，塑性降低。

2）经热处理工艺后，1与2号钢均为回火托氏体组织。含碳量高的1号钢的M/A岛数量多于1号钢，由M/A岛的数量决定1号钢的强度大于2号钢。

3）1号与2号钢的光滑试样为典型的韧性断口。微观为等轴韧窝及撕裂韧窝。缺口试样均变为解理断口，1（缺口）宏观为“人字形”花样，2（缺口）宏观为“放射状”花样；微观为准解理断口与舌状花样。