Page 36 - 理化检验-物理分册2022年第七期
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许天旱, 等: 试样厚度对结构钢冲击韧性的影响




            2.2  试样厚度对位移 - 载荷曲线的影响                            10665.6N , 如图2a ) 中 B 点所示。载荷突降意味着
                 试样厚度 t 对结构钢的冲击吸收能量具有显著                        冲击裂纹迅速扩展, 即裂纹前端的塑性变形不能舒
            影响, U165钢和 Q275 钢在不同厚度下的位移 - 载荷                    缓裂纹尖端的应力集中, 发生裂纹急剧增加; 由于裂
            曲线如图2所示。由图2a ) 可知: 对于 U165 钢来说,                    纹沿晶体平面扩展, 很少发生塑性变形, 从而宏观表

            当载荷达到最大值后, t=2.5mm 的试样载荷随着摆                        现 为 解 理 断 口, 耗 散 较 少 能 量。 由 图 2b ) 可 知:

            锤位移的增加下降均匀; 当t=5mm 时, 试样承受的                        Q275 钢试样 厚 度 与 U165 钢 具 有 相 似 的 趋 势, 即

            载荷发 生 突 降, 如 图 2a ) 中 的 A 点 所 示, 载 荷 从            t=2.5mm 的试样也未出现载荷突降现象, 当t=


            10849.7N 突降到 10157.4N ; 当t=7.5mm 时, 载             20mm 时, 载荷从 28755.6N 突降到 4610.9N , 突









            荷 下 降 得 更 快,载 荷 从 15 100.6 N 突 降 到                 降幅度达最高载荷的 80% 以上。







                                         图 2 U165 钢和 Q 275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≤10mm
            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                               图 3 3 种钢材在不同厚度下的冲击吸收能量及线性拟合
            强度钢 U165 试样厚度增加了 1 倍, 冲击吸收能量                           由于 U165 钢相比于 Q275 钢具有更好的冲击
            增加了近 3 倍, 这是因为 U165 钢厚度的增加使其                       韧性和更高的屈服强度, 所以具有更好的断裂韧性。
            不仅能承受更高的载荷, 且可以发生更充分的变形,                           U165 钢和 Q275 钢试样在不同厚度下的冲击断口
            使得预制的 V 型切口整体开裂, 对应的位移显著滞                          形貌如图4 , 5 所示。由图4 , 5可知: 相比断裂韧性好
            后( 相对同一材料更薄的试样), 从而在更高载荷下,                         的 U165钢, 断裂韧性较差的 Q275 钢试样在相同厚
            能消耗更多的能量; 同时也发现, 尽管 3 种钢材的力                        度( t=7.5mm ) 下更倾向于呈现为平面应力状态; 当


            学性能不同, 但 3 种钢材在相对较小厚度下的冲击                         t=2.5mm 时, U165钢和 Q275钢的宏观断口形貌只
            吸收能量没有明显的区别, 这是因为试样厚度决定                            有纤维区和剪切唇区, 微观断口形貌呈现为较均匀的

            了材料的应力状态, 当试样厚度较小时, 试样受力更                          韧窝; 当 t=5mm 时, U165 钢的断口为韧性断口, 宏
            倾向于平面应力状态, 试样两侧更容易自由收缩, 因                          观形貌只有纤维区和剪切唇区, 微观形貌呈现为韧
            此更易发生塑性变形, 相比厚度更大的试样, 薄试样                          窝, 但大小不一, 分布不均匀, 而 Q275 钢的断口出现
            塑性变形能量所起的作用更大, 导致不同材料冲击                            放射区, 微观形貌呈现为解理断口, 部分解理面超过
            吸收能量区别不大。当试样厚度相对较大时, 由于                           60 μ m , 与图 1c ) 中 Q275 钢的晶粒尺寸具有对应关

            不同材料的断裂韧性不同, 厚度对应力状态的影响                            系; 当 t=7.5mm 时, U165 钢仅有少部分解理断口,

            会越来越显著       [ 12 ] 。                              而 Q275钢几乎完全为解理断口, 且 U165 钢的解理
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