Page 62 - 理化检验-物理分册2021年第十二期

郭晓静, 等: 管线钢冲击断口的显微分析
图3 典型冲击试样力 - 位移示意图
Fi g 3 Force-dis p lacementdia g ramoft yp icalim p actsam p le
是塑性变形功产生的阶
阶段, 为可回复的阶段; W d
段, 此阶段试样产生的变形为不可回复的塑性变形;
W p 1 为裂纹稳态扩展阶段, 为裂纹萌生阶段; W p 2
为裂纹撕裂扩展阶段
裂纹剩余扩展阶段; W p 3
以裂纹的产生点为分界, 则可以将冲击吸收能
量分为裂纹产生前变形所吸收的能量和裂纹吸收能
量进而造成的裂纹扩展两部分。冲击吸收能量与材
料所能承受的最大拉应力和材料均匀塑性变形能力
关系更为密切, 抗拉强度与均匀塑性变形能力越好
则冲击韧性越好, 在同等抗拉强度下, 屈强比越低,
均匀延伸率高, 韧性越好, 反过来, 则越差。在当前
检测的几个钢种中, 由于当前试验条件中, 仪器化示
波试验条件缺乏, 无法得到各区域的吸收能量, 因此
只能从总的吸收能量上去作比较。 X46 、 X56 、 X70
钢试样的冲击吸收能量随着抗拉强度的增大而增
大, 但是 X80钢试样屈强比略大、 延伸率较低, 虽然
强度较高, 但是韧性却较 X70钢试样要低。在裂纹
生成及扩展阶段所能吸收的冲击能量上, 除了自身
图4 管线钢试样冲击断口的微观形貌
Fi g 4 Micromor p holo gy ofim p actfracturesurfacesofthe p i p elinesteelsam p les
a X46steel b X56steel c X7steel d X80steel
在显微镜下观察, 球状氧化物边界较平滑。冲
击试验后, 靠近断口部位有较多的孔洞, 孔洞形成原
因是球状夹杂物在冲击作用下脱落而后形成孔洞,
这些孔洞虽然数量多, 但是扩张得并不厉害, 从应力
的角度来看, 球状夹杂物的作用面积较大, 没有尖锐
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的力学性能外, 由于此时处于裂纹生成扩展的非稳
定状态, 需要结合材料内部质量、 裂纹生成的难易程
度及裂纹的扩展情况来进行分析。
2.2.2 钢中非金属夹杂物在冲击过程中的表现
对于一个材料来说, 如何避免在冲击中出现裂
纹, 使裂纹出现的几率变小是提高冲击韧性的关键,
也就要求材料内部缺陷越少越好, 但是材料内部不
可避免地会出现各种缺陷, 如夹杂、 偏析、 缩孔等, 这
些缺陷部位与周围基体的物理性能不一致, 在受到
冲击的作用下, 很容易在缺陷部位产生应力集中, 充
当裂纹源, 促进开裂, 夹杂物的数量及形态都会对冲
击吸收能量造成影响。
为
图4为试样冲击断口处非金属夹杂物的微观形
[ 4-5 ] 。
貌。可见在断口附近出现了一些小裂纹和微孔状缺
陷, 这些裂纹里还残留有部分的非金属夹杂物, 表明
了试样中的夹杂物在冲击应力作用下, 局部发生应
力集中, 产生了变形, 进而碎裂后形成孔洞, 形成裂
纹并发生扩展。
不同的夹杂物在断口附近的表现是不同的,
X46钢中有少量的条状硫化物、 带状氧化物和球状
氧化物分布, 其他试样基体中大部分为球状的氧化
物夹杂。条状夹杂物部位形成多条条状微裂纹, 而
在临近断口部位点状氧化物夹杂处则形成孔洞状或
者棒状的缺陷, 缺陷末端较钝, 呈圆弧状。从不同夹
杂物产生裂纹的长短程度来比较, 条带状夹杂部位
产生的裂纹更长、 更明显。条带状夹杂边角部位形
态较为尖锐, 在尖锐端很容易形成大的应力集中, 促
进裂纹扩张。
的地方, 使得应力没法集中, 所以不容易产生裂纹,
且难以扩张 [ 6 ] 。
从以上现象来看, 材料内部的非金属夹杂物在
冲击过程中一定程度上充当了裂纹源的作用, 不同
类型的夹杂物在外力作用下的扩展是不一样的, 条