[科普中國]-缺口韌性

材料抵抗沖擊破壞的能力稱為沖擊韌性，即缺口韌性，它是用沖斷試樣時單位面積上所消耗的功來表示。由于從標(biāo)準(zhǔn)夏氏V型缺口沖擊試驗測得的脆性轉(zhuǎn)變溫度（TC），與使用中許多發(fā)生脆性斷裂的溫度對應(yīng)的關(guān)系較好，所以此種試驗應(yīng)用最為廣泛。1

簡介缺口斷裂韌性簡稱為缺口韌性，最常見的有沖擊韌性。缺口韌性是材料具有缺口時，塑性變形和斷裂全過程吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。因此，在特定條件下，能量、強度和塑性都可用來表示韌性。斷口形貌反映斷裂結(jié)果，也可用來表示韌性。溫度和應(yīng)變速度都是影響韌性的重要因素，而溫度是易于控制的，因而也可用脆性轉(zhuǎn)變溫度來表示韌性?，F(xiàn)在分述如下：

1）能量——很明顯，能量是韌性的參量。不過，要注意是什么缺口韌性試驗的能量，是否考慮了韌帶面積。例如夏氏V型沖擊值是CV，而梅氏沖擊值卻用aK表示，前者未除以韌帶面積，而后者則已經(jīng)除以韌帶面積了。

2）強度——進(jìn)行缺口拉伸試驗時，一般用缺口強度σNF及缺口強度比NSR來表示缺口韌性。NSR明確地表明了缺口導(dǎo)致的強化及脆化作用，σNF則表明了多向應(yīng)力下斷裂的強度。

3）塑性——各類鋼材的單向拉伸的抗拉強度，從低強度的30公斤/毫米2到超高強度的210公斤/毫米2，相差約為7倍；而伸長率的變化范圍更廣，可從0.5%到50%，相差約為100倍。因此，可用多向應(yīng)力作用下的塑性來表示缺口韌性。因此，缺口試樣的伸長率同樣可用來反映缺口敏感性。

4）斷口形貌——脆性斷裂的斷口是結(jié)晶型，肉眼可以觀察到斷口上是發(fā)亮的顆粒晶面，很少塑性變形；韌性斷裂的斷口是纖維型，肉眼觀察到的是暗灰色絲狀斷口，有塑性變形。一般可用結(jié)晶面積的百分?jǐn)?shù)或纖維面積的百分?jǐn)?shù)（兩者之和為100%）來表示缺口韌性。通過斷口金相分析（光學(xué)的和電子的），既可將宏觀力學(xué)性能和微觀力學(xué)過程聯(lián)系起來，起到橋梁作用，也可提出新的微觀參量來表示韌性。

5）溫度——采用不同判據(jù)確定的脆性轉(zhuǎn)變溫度（θ0），是一個重要的韌性參量。

最常用的判據(jù)是能量和斷口形貌。2

斷裂韌性的試驗已有許多研究人員用各種不同的方法試驗了鋼材的缺口韌性。下表列出了用于評定缺口韌性的典型方法，大體可分成四類：

1．小試件的沖擊試驗；

2．小試件的靜載試驗，

3．焊件動載斷裂試驗；

4．寬板拉伸試驗。

有些研究所的試驗重點在研究解理裂紋的起裂，而另外一些則放在阻止解理裂紋的擴展。但幾乎所有的試驗都包含這樣的內(nèi)容，即試樣開有缺口并在試驗溫度降低時觀察其脆性行為。既然每一種試驗側(cè)重于脆性斷裂過程的不同特征，則用不同的方法去評定材料阻止解理斷裂的能力就不足為奇了。這些試驗幾乎總能確定一個轉(zhuǎn)變溫度，低于這個轉(zhuǎn)變溫度在試驗條件下就會發(fā)生解理斷裂。3

下面僅介紹一種試驗原理——小試樣的擺錘沖擊試驗

試驗的原理是將試樣置于擺錘沖擊刃所經(jīng)路徑的最低點處。開始時將擺錘提到某一高度然后釋放，擺錘就橫擊試樣并使之?dāng)嗔?。此時擺錘繼續(xù)前進(jìn)，并升至試樣另一邊的某一高度（小于初始的高度），兩個高度之差乘以擺錘的質(zhì)量就相當(dāng)于試樣斷裂時所吸收的能量。斷口表面的現(xiàn)象（晶狀斷面百分率）和試樣的變形情況對評價斷口的脆性提供了補充線索。

一般是在不同溫度下對一系列試樣進(jìn)行這類試驗，以考察溫度對其它變數(shù)的影響。

通常采用兩種試驗機進(jìn)行試驗。在艾索德（Izod）試驗機中，試樣夾在虎鉗內(nèi)，成為懸臂粱伸入擺錘所經(jīng)路徑中。因試樣及虎鉗須同時保持所要求的試驗溫度，故控制溫度比較困難。這種裝置不如卻貝（Charpy）試驗機好，目前很少使用。4

影響因素試驗條件的影響缺口形狀越是尖銳缺口韌性越低，但當(dāng)缺口半徑低于0.1mm左右即不太變化?？墒菍τ谄诹鸭y的缺口，韌性將有所降低。

在試樣形狀相似寸，尺寸越大也越容易發(fā)生脆性斷裂，這是因為由 可知，裂紋長度越大，則K值越大，在小應(yīng)力時就容易發(fā)生脆性斷裂。同時，板厚增大則臨界應(yīng)力強度因子Kσ降低，趨近于某一飽和值。低碳鋼板與HT80鋼板的Kσ值和帶缺口的大型試件的轉(zhuǎn)變溫度，在板厚不超過35mm左右時，隨著板厚增加而明顯惡化，可是超過這個厚板便大體上達(dá)到飽和了。并且，對于結(jié)構(gòu)鋼板厚小于12mm時，即對卻貝韌性沒有要求，這是由于板厚小可使轉(zhuǎn)變溫度降到足夠低，且Kσ值增大的緣故。

金屬學(xué)因素的影響1）化學(xué)成分：為了提高低碳鋼和HT50鋼（50kg級高強鋼，JIS SM50等）的缺口韌性、降低其轉(zhuǎn)變溫度，降低含碳量、提高含錳量是有效果的。就是說，隨著Mn/C比的增加，轉(zhuǎn)變溫度將降低。

2）脫氧方式：對于結(jié)構(gòu)鋼，脫氧越徹底缺口韌性越高。

3）細(xì)化晶粒：顯微組織越細(xì)，特別是鐵素體晶粒越細(xì)，鋼的缺口韌性越好?；蛘呓档蛙堉茰囟取⒒蛘哌M(jìn)行正火或淬火回火處理，或者加入少量的A1、Ti、Zr、V、La、Ce等，即使是軋制狀態(tài)，也能得到細(xì)晶粒鋼，因而提高韌性。這些元素因為能使碳和氮固定，減小鋼的時效傾向，所以由這一點看也是有利的。

4）熱軋：若軋制溫度特別是終軋溫度較高或者軋制后緩冷，則鐵素體粗大，缺口韌性下降。對于低碳鋼，軋制結(jié)束溫度大約在1000℃以上時，轉(zhuǎn)變溫度將顯著提高。

5）熱處理與淬火時效：

熱處理對鋼的缺口韌性有著顯著影響。

鋼過熱后其缺口韌性將下降。焊接熱影響區(qū)和氣切粗晶區(qū)就是如此。此外，使鋼從A1點以下，接近A1點的溫度急冷后放置，則發(fā)生急冷時效，因此缺口韌性也受到損害。

6）板材的異向性與偏析：軋制鋼材因為其中的夾雜物與偏析被軋成纖維狀，恰似木材一樣，所以很自然地鋼材具有異向性。在板的軋制方向（X）、橫向（Y）和垂直表面方向（Z）三個方向上，屈服應(yīng)力幾乎沒什么差別，而抗拉強度一般是Z向較弱。對于X方向過分軋制的熱軋鋼，ZZ向較弱。對于X方向過分軋制的熱軋鋼，Z向抗拉強度常常相當(dāng)?shù)拖拢由炻屎晚g性等常常顯著下降。對于鉚接板的Z向強度不會成為問題，但是對于建筑、海洋結(jié)構(gòu)、工程機械等的焊接，Z向強度往往是一個問題。

7）冷作加工與應(yīng)變時效：低碳鋼由于冷作加工和應(yīng)變時效將大大損害缺口韌性。冷作加工過的鋼材當(dāng)然會發(fā)生應(yīng)變時效，就是沒有冷作加工過的鋼材，伴隨著焊接或氣切中的熱膨脹與收縮，也容易導(dǎo)致冷作加工的結(jié)果。一般說來由應(yīng)變加工引起的脆化只進(jìn)行600~650℃加熱是不能恢復(fù)的。為了使其完全恢復(fù)需要更高的溫度，比較理想的是正火（約880℃加熱，空冷）。

腐蝕，石墨化、疲勞1）腐蝕：大多數(shù)在常溫附近使用的船舶，橋梁、高壓輸水管等結(jié)構(gòu)用鋼的脆性斷裂，因為一般與使用年限無關(guān)，所以可以不把通常的腐蝕考慮為斷裂的重要原因。

2）石墨化：當(dāng)鋼在高溫下長時間受到加熱時，則有游離碳析出，常常引起所謂石墨化。對于在500℃下使用了5年半的高溫高壓用C-Mo鋼蒸氣管，在焊接熱影響區(qū)周邊產(chǎn)生石墨化的一個例子中，產(chǎn)生石墨化部分的寬度為0.025~0.25mm，這部分因為產(chǎn)生了數(shù)微米左右的連續(xù)的鏈狀石墨粒子，成為極危險的缺口，以此為界，管子發(fā)生了脆性斷裂。為防止石墨化，要使鋁的加入量限制到最少限量，并加入少量的大約0.5%的鉻。此外，實驗指出：焊后進(jìn)行620℃左右的消除應(yīng)力退火不能防止石墨化，而700℃左右的后熱才能防止。

3）疲勞

疲勞裂紋一般在受到交變載荷后即進(jìn)行擴展，最后發(fā)生疲勞斷裂，或者達(dá)到臨界長度；發(fā)生脆性斷裂。但對于實際結(jié)構(gòu)，因在斷裂前需要很長的時間，所以在這期間可以使用，且有采取措施的余地。

焊接的影響1）焊接區(qū)的缺口韌性分布：作為表面缺口區(qū)的縫邊區(qū)最重要。這個區(qū)域由于縫邊裂紋、咬邊或焊道的突然隆起，因為容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以縫邊區(qū)下面的熔合區(qū)的韌性必須十分良好。

2）殘余應(yīng)力與預(yù)加載荷的影響：預(yù)加載荷可以減小低溫脆性斷裂傾向。可認(rèn)為理由是：降低了殘余應(yīng)力；由于缺口底部加工硬化再受載時減少了新的屈服這兩方面的效果。

3）角變形與錯邊的影響：角變形和錯邊嚴(yán)重的對接接頭承受拉應(yīng)力后，凹面縫邊容易產(chǎn)生裂紋。與此相關(guān)連，在有角變形的對接寬板（400mm）接頭縫邊區(qū)，存在表面缺口，在低溫下拉伸，進(jìn)行脆性斷裂發(fā)生試驗的伊藤等、木原、大庭等的試驗結(jié)果指出，HT60，HT80鋼，都是缺口深度越深，角變形越大，錯邊越大，并且焊接線能量過大，熔合區(qū)的韌性下降越厲害，其臨界應(yīng)力-溫度曲線越向高溫方面移動，在常溫耐壓試驗條件范圍內(nèi)越容易發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。5

缺口韌性的應(yīng)用只有少數(shù)工作零件才承受缺口試棒沖擊試驗中所特有的那種強大的沖擊條件。另外，截面尺寸也影響缺口的韌性值。根據(jù)這些理由，缺口韌性試驗結(jié)果，不總是與工作條件有對應(yīng)關(guān)系，而且不能直接用于工程設(shè)計。只有在與特定的構(gòu)件，在特定的工作條件下有對應(yīng)關(guān)系時，缺口的韌性值才對設(shè)計有用。例如，許多機器的鋼零件，在極冷的條件下成功地轉(zhuǎn)動，并不需要對缺口的韌性值，或產(chǎn)生韌-脆轉(zhuǎn)變的溫度，作特殊的考慮。當(dāng)最大剪應(yīng)力接近于最大的主拉應(yīng)力時，如像在中等程度的應(yīng)變速度和溫度條件下做扭轉(zhuǎn)或簡單的拉伸試驗?zāi)菢?，可以使用轉(zhuǎn)變溫度較高的鋼種。應(yīng)力集中和應(yīng)變率高以及工作溫度又低的地方，必須選用轉(zhuǎn)變溫度低的鋼種。6

鋼材缺口韌性標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼的缺口韌性隨溫度降低而減小。對低溫的工程結(jié)構(gòu)而言，鋼材低的缺口韌性是造成脆性斷裂的重要原因之一。對材料缺口韌性的規(guī)定在結(jié)構(gòu)脆斷防止和材料選擇中將是十分重要的。隨著各種液化氣體貯存設(shè)備（如低溫液氮裝置、液化氣體貯罐）的使用，對低溫用鋼缺口韌性規(guī)定更顯得迫切。而且，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的使用要求，合理規(guī)定缺口韌性也是值得研究的課題。

對材料韌性規(guī)定是應(yīng)該保證在工作應(yīng)力下不會由結(jié)構(gòu)中最大缺陷處開始發(fā)生脆性斷裂。各國對材料缺口韌性標(biāo)準(zhǔn)擬訂的依據(jù)亦略有不同。英、美、西德等國家以防止脆性斷裂開始為基礎(chǔ)提出了韌性規(guī)定；而日本焊接協(xié)會對鋼板的低溫韌性規(guī)定提出兩種要求：①防止脆性開裂，這是一般結(jié)構(gòu)所常采用的；②防止裂紋擴展，這是特定條件下使用的。國外對鋼材缺口韌性規(guī)定，早期是按船舶、壓力容器等結(jié)構(gòu)相應(yīng)地制訂了標(biāo)準(zhǔn)，有的目前仍在使用。7

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)