试样厚度对结构钢冲击韧性的影响

许天旱, 周翻身, 罗皓荣

(西安石油大学 材料科学与工程学院, 西安 710065)

钢材的力学性能如强度、韧性等被视为衡量材料结构安全的重要指标。冲击韧性能够反映材料经受冲击载荷时抵抗断裂的能力，揭示了材料的变脆倾向，在工程实践中具有重要意义。

材料的冲击韧性与其微观组织及所在的服役环境密切相关，主要包括晶粒尺寸[1]、第二相颗粒含量和分布[2]、工件尺寸[3-4]、材料加工的热处理方式[5-6]以及温度[7-8]等，其中工件尺寸对钢材脆性和韧性测量结果有显著的影响[9-10]。研究结果表明：当试样具有相对较大的横截面时，其往往呈现脆性断裂；当试样具有相对较小的横截面时，其倾向于呈现韧性断裂，这是因为不同尺寸的试样具有不同的应力状态,其中工件的长度和宽度对材料脆性和韧性的影响相对较小，所以尺寸通常指工件的厚度[9]。

在实际应用中，许多材料尺寸较小，不能满足GB/T 229-2020 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 19748-2005 《钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》、GB/T 2650-2008 《焊接接头冲击试验方法》对冲击试样尺寸的要求，如许多新型纳米结构金属、金属玻璃以及石油钻杆所使用的超高强度钢级V150及U165等，很难达到冲击试样的标准尺寸[10-11]。研究不同厚度的试样与标准试样冲击吸收能量之间的相关性，对工程材料的选材、设计以及确保材料安全服役都具有重要意义。

1 试验材料及方法

试验材料为超高强度钻杆钢U165和普通正火钢Q275，同时引用了文献[3]中20钢的数据，与U165钢和Q275钢的试验结果进行对比分析，3种钢的力学性能如表1所示，夏比V型缺口试样和平行试样均为3个。根据GB/T 229-2020，U165钢级钻杆因管材壁厚限制，不能获得厚度为10 mm的标准试样，冲击试样采用厚度分别为2.5，5，7.5 mm的小尺寸试样，其他维度尺寸保持不变，长度为55 mm，宽度为10 mm；Q275钢原材料为板材，冲击试样除了厚度为2.5，5，7.5 mm的小尺寸试样和厚度为10 mm的标准尺寸试样外，增加了厚度分别为15，20 mm的补充试样，其他维度尺寸保持不变。冲击试验采用NI 500C型数字显示冲击试验机进行冲击试验，断口利用JSM-6390型扫描电子显微镜(SEM)进行观察和分析。此外，GB/T 700-2006《碳素结构钢》对试样厚度为10，7.5，5 mm的Q275钢的冲击吸收能量值的要求分别是不低于27，20，13.5 J。U165钢属于超高强度钻杆钢级，相关标准目前尚在制订中。

表1 U165钢、Q275钢和20钢的力学性能

2 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

U165钢的显微组织晶粒尺寸很小，在光学显微镜下较难识别[见图1a)],用SEM将其显微组织放大至10 000倍，确定其显微组织为回火索氏体[见图1b)]，该组织通常具有良好的综合性能。图1c)为Q275钢的显微组织，其中深色为珠光体，浅色为铁素体，其中铁素体含量(体积分数)约为80%,用SEM将其显微组织放大至10 000倍，可以观察到珠光体、深色铁素体和浅色渗碳体呈片层状交替分布[见图1d)]。

图1 U165钢和Q275钢的显微组织形貌

2.2 试样厚度对位移-载荷曲线的影响

试样厚度t对结构钢的冲击吸收能量具有显著影响，U165钢和Q275钢在不同厚度下的位移-载荷曲线如图2所示。由图2a)可知：对于U165钢来说，当载荷达到最大值后，t=2.5 mm的试样载荷随着摆锤位移的增加下降均匀；当t=5 mm时，试样承受的载荷发生突降，如图2a)中的A点所示，载荷从10 849.7 N突降到10 157.4 N；当t=7.5 mm时，载荷下降得更快，载荷从15 100.6 N突降到10 665.6 N，如图2a)中B点所示。载荷突降意味着冲击裂纹迅速扩展，即裂纹前端的塑性变形不能舒缓裂纹尖端的应力集中，发生裂纹急剧增加；由于裂纹沿晶体平面扩展，很少发生塑性变形，从而宏观表现为解理断口，耗散较少能量。由图2b)可知：Q275钢试样厚度与U165钢具有相似的趋势，即t=2.5 mm的试样也未出现载荷突降现象，当t=20 mm时，载荷从28 755.6 N突降到4 610.9 N，突降幅度达最高载荷的80%以上。

图2 U165钢和Q275钢在不同厚度下的位移-载荷曲线

2.3 试样厚度对冲击吸收能量的影响

冲击吸收能量是衡量材料韧性的一个重要指标，表征了材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形能量和断裂能量的能力。超高强度钢U165、普通结构钢Q275及20钢随试样厚度的增加，其冲击吸收能量的变化如图3所示。由图3可知：当t≤10 mm时，冲击吸收能量随试样厚度的增加总体呈线性增加趋势，然而当t>10 mm时，则不再呈线性变化；同时还可观察到，对于同一种材料，试样厚度增加的倍数与冲击吸收能量增加的倍数并非一致，如超高强度钢U165试样厚度增加了1倍，冲击吸收能量增加了近3倍，这是因为U165钢厚度的增加使其不仅能承受更高的载荷，且可以发生更充分的变形，使得预制的V型切口整体开裂,对应的位移显著滞后(相对同一材料更薄的试样)，从而在更高载荷下，能消耗更多的能量；同时也发现，尽管3种钢材的力学性能不同，但3种钢材在相对较小厚度下的冲击吸收能量没有明显的区别，这是因为试样厚度决定了材料的应力状态，当试样厚度较小时，试样受力更倾向于平面应力状态，试样两侧更容易自由收缩，因此更易发生塑性变形，相比厚度更大的试样，薄试样塑性变形能量所起的作用更大，导致不同材料冲击吸收能量区别不大。当试样厚度相对较大时，由于不同材料的断裂韧性不同，厚度对应力状态的影响会越来越显著[12]。

图3 3种钢材在不同厚度下的冲击吸收能量及线性拟合

由于U165钢相比于Q275钢具有更好的冲击韧性和更高的屈服强度，所以具有更好的断裂韧性。U165钢和Q275钢试样在不同厚度下的冲击断口形貌如图4，5所示。由图4，5可知：相比断裂韧性好的U165钢，断裂韧性较差的Q275钢试样在相同厚度(t=7.5 mm)下更倾向于呈现为平面应力状态;当t=2.5 mm时，U165钢和Q275钢的宏观断口形貌只有纤维区和剪切唇区，微观断口形貌呈现为较均匀的韧窝;当t=5 mm时，U165钢的断口为韧性断口，宏观形貌只有纤维区和剪切唇区，微观形貌呈现为韧窝，但大小不一，分布不均匀，而Q275钢的断口出现放射区，微观形貌呈现为解理断口，部分解理面超过60 μm，与图1c)中Q275钢的晶粒尺寸具有对应关系;当t=7.5 mm时，U165钢仅有少部分解理断口，而Q275钢几乎完全为解理断口，且U165钢的解理面相比Q275钢更小，小于Q275钢的1/5。这是因为U165钢的显微组织为回火索氏体，没有整块大的铁素体和珠光体晶粒，而是由极其细小的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上构成[13]。

图5 Q275钢试样在不同厚度下的冲击断口形貌

通过以上分析可知：标准试样及不同尺寸试样的冲击吸收能量具有明显的尺寸相关性，但不能根据试样厚度按比例计算，根据图3所示数据进行线性拟合，得到U165钢、20钢、Q275钢的冲击吸收能量估算公式分别如式(1)～(3)所示。

CVN,t=15.70t-18.48

(1)

CVN,t=12.36t-14.93

(2)

CVN,t=3.55t+18.78

(3)

式中：CVN,t是试样厚度为t(t≤10 mm)时的夏比冲击吸收能量。

由式(1)～(3)可知：每种材料的厚度-冲击吸收能量的相关系数不同，该系数由材料的显微组织、晶粒尺寸等本征属性决定，定量分析比较困难，但可以通过不同尺寸非标厚度试样的冲击吸收能量进行确定，也避免了传统按比例估算冲击吸收能量偏差较大的缺点。例如，根据式(1)可以估计U165钢标准试样的冲击吸收能量为138.5 J。

3 结论

(1) 随着试样厚度的增加，冲击载荷突降趋势越来越显著，相对较薄的试样几乎没有冲击载荷突降现象，但试样厚度为20 mm的Q275钢的冲击载荷突降高达80%以上。

(2) 当试样厚度≤10 mm时，冲击吸收能量随试样厚度的增加总体呈线性变化，且不同材料冲击吸收能量随厚度变化的线性系数显著不同。当试样厚度>10 mm时，冲击吸收能量随厚度的增大偏离线性规律。

(3) 随着厚度的增加，不同材料冲击吸收能量增量和断口形貌的变化不同，这一方面归因于不同材料具有不同的力学性能，另一方面归因于不同厚度试样的受力状态差异导致其断裂机制不同。