摘 要:為了解材料性能及顯微組織分布如何對沖擊吸收能量產(chǎn)生影響,對不同牌號的管線鋼 試樣進(jìn)行了擺錘沖擊試驗(yàn),通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡對沖擊斷口處夾雜物在沖擊過程中的擴(kuò)展情 況、組織形變及二次裂紋的擴(kuò)展情況等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:沖擊吸收能量與材料所能承受的最 大拉應(yīng)力和材料均勻塑性形變能力關(guān)系更為密切;球狀夾雜物在沖擊過程中形成裂紋并擴(kuò)展的能 力較弱;管線鋼中準(zhǔn)多邊形鐵素體對裂紋擴(kuò)張有較好的阻礙效果。

關(guān)鍵詞:管線鋼;非金屬夾雜物;球狀夾雜物;沖擊吸收能量;準(zhǔn)多邊形鐵素體

中圖分類號:TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)12-0044-05

斷裂韌性是衡量產(chǎn)品性能的一個重要指標(biāo),韌 性不好的材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性 變形,往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程。斷裂 韌性一直是管線鋼生產(chǎn)中考核的重要指標(biāo),測量鋼 材韌性的試驗(yàn)方法通常是采用夏比沖擊試驗(yàn),通過 擺錘對 V形缺口的試樣進(jìn)行沖擊,然后以擺錘在沖 擊試樣后的能量損失來衡量鋼材韌性的好壞。有研 究認(rèn)為,由于夏比沖擊試樣尺寸小,會造成尺寸效 應(yīng),特別在低溫沖擊試驗(yàn)時,不足以保障裂紋的穩(wěn)態(tài) 擴(kuò)展,同時試樣沖擊吸收能量主要作用在裂紋的形 成階段,而造成測的是低溫啟裂韌性[1]。因此,采用 較大尺寸的落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)能更為客觀地 反映金屬材料的止裂韌性,但是當(dāng)前落錘撕裂試驗(yàn) 只從斷口形貌上對材料的韌性進(jìn)行判斷,而不能反 映具體的沖擊吸收能量。

為此,筆者對幾個不同牌號的管線鋼試樣進(jìn)行 了常溫擺錘沖擊試驗(yàn),通過對沖擊試驗(yàn)后材料內(nèi)部 結(jié)構(gòu)變化與沖擊吸收能量值的觀察和比較,來了解 材料自身性能及微觀組織形態(tài)如何對材料的韌性造 成影響。

1 試驗(yàn)方法

將X46、X56、X70、X80管線鋼制作成標(biāo)準(zhǔn)沖擊 試樣,試 樣 長 度 為 55 mm,橫 截 面 為 10 mm× 10mm,缺口為 V 型,在常溫20 ℃下進(jìn)行沖擊試 驗(yàn)。試驗(yàn)采用ZwickPSW750型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī), 沖擊能量為600J。

試樣沖擊完成后在斷裂試樣中心采用線切割將 試樣截取、制備成金相試樣,在顯微鏡下對基體和斷 口部位的非金屬夾雜物、顯微組織形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

各試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1,金相檢驗(yàn) 結(jié)果見表2。試樣中的非金屬夾雜物形貌大體一 致,略有差異,X46鋼中的夾雜物主要為帶狀氧化物 夾雜、少量的條狀硫化物和少量 D類球狀氧化物夾 雜,而其他3種鋼中夾雜主要為 D類球狀氧化物夾 雜,如圖1所示。

管線鋼采用控軋控冷工藝進(jìn)行生產(chǎn),為低碳微 合金化鋼。該鋼種的碳含量低,因冷卻速率快,組織 轉(zhuǎn)變在貝氏體形成溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,且在微合金作 用下,形成的顯微組織表現(xiàn)出一些特殊的組織形態(tài)特征。管線鋼顯微組織按形貌分為多邊形鐵素體、 準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體和針狀 鐵素體等[2-3]。不同管線鋼試樣的顯微組織形貌如 圖2所示。

2.2 分析與討論

2.2.1 沖擊吸收能量的組成

擺錘沖擊試驗(yàn)是用沖擊吸收能量反映材料沖擊 韌性的好壞,在擺錘沖擊載荷下,受沖擊的試樣通過 自身產(chǎn)生變形和斷裂來吸收擺錘沖擊勢能,吸收的 勢能即為沖擊吸收能量,這也反映了材料自身沖擊 韌性的好壞。儀器化沖擊是常規(guī)夏比沖擊定量化發(fā) 展的質(zhì)的飛躍,如果將傳統(tǒng)試驗(yàn)得到的沖擊吸收能 量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為力對位移的積分曲線,縱坐標(biāo)為刀刃 打擊試樣過程中力的變化,橫坐標(biāo)則是刀刃與試樣 打擊點(diǎn)行進(jìn)的位移,就得到了儀器化沖擊曲線,直觀 地揭示了裂紋形成與擴(kuò)展在夏比沖擊吸收能量的占 比,有助于分析材料的啟裂與止裂行為。

圖3為典型的位移與沖擊力分布的示意圖,試 樣從受力變形到斷裂可以分為以下幾個部分:We 為彈性變形階段所產(chǎn)生的功,產(chǎn)生于試樣彈性變形階段,為可回復(fù)的階段;Wd 是塑性變形功產(chǎn)生的階 段,此階段試樣產(chǎn)生的變形為不可回復(fù)的塑性變形; Wp1 為裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段,為裂紋萌生階段;Wp2 為 裂紋剩余擴(kuò)展階段;Wp3 為裂紋撕裂擴(kuò)展階段[4-5]。

以裂紋的產(chǎn)生點(diǎn)為分界,則可以將沖擊吸收能 量分為裂紋產(chǎn)生前變形所吸收的能量和裂紋吸收能 量進(jìn)而造成的裂紋擴(kuò)展兩部分。沖擊吸收能量與材 料所能承受的最大拉應(yīng)力和材料均勻塑性變形能力 關(guān)系更為密切,抗拉強(qiáng)度與均勻塑性變形能力越好 則沖擊韌性越好,在同等抗拉強(qiáng)度下,屈強(qiáng)比越低, 均勻延伸率高,韌性越好,反過來,則越差。在當(dāng)前 檢測的幾個鋼種中,由于當(dāng)前試驗(yàn)條件中,儀器化示 波試驗(yàn)條件缺乏,無法得到各區(qū)域的吸收能量,因此 只能從總的吸收能量上去作比較。X46、X56、X70 鋼試樣的沖擊吸收能量隨著抗拉強(qiáng)度的增大而增 大,但是X80鋼試樣屈強(qiáng)比略大、延伸率較低,雖然 強(qiáng)度較高,但是韌性卻較 X70鋼試樣要低。在裂紋 生成及擴(kuò)展階段所能吸收的沖擊能量上,除了自身的力學(xué)性能外,由于此時處于裂紋生成擴(kuò)展的非穩(wěn) 定狀態(tài),需要結(jié)合材料內(nèi)部質(zhì)量、裂紋生成的難易程 度及裂紋的擴(kuò)展情況來進(jìn)行分析。

2.2.2 鋼中非金屬夾雜物在沖擊過程中的表現(xiàn)

對于一個材料來說,如何避免在沖擊中出現(xiàn)裂 紋,使裂紋出現(xiàn)的幾率變小是提高沖擊韌性的關(guān)鍵, 也就要求材料內(nèi)部缺陷越少越好,但是材料內(nèi)部不 可避免地會出現(xiàn)各種缺陷,如夾雜、偏析、縮孔等,這 些缺陷部位與周圍基體的物理性能不一致,在受到 沖擊的作用下,很容易在缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,充 當(dāng)裂紋源,促進(jìn)開裂,夾雜物的數(shù)量及形態(tài)都會對沖 擊吸收能量造成影響。

圖4為試樣沖擊斷口處非金屬夾雜物的微觀形 貌?？梢娫跀嗫诟浇霈F(xiàn)了一些小裂紋和微孔狀缺 陷,這些裂紋里還殘留有部分的非金屬夾雜物,表明 了試樣中的夾雜物在沖擊應(yīng)力作用下,局部發(fā)生應(yīng) 力集中,產(chǎn)生了變形,進(jìn)而碎裂后形成孔洞,形成裂 紋并發(fā)生擴(kuò)展。

不同的夾雜物在斷口附近的表現(xiàn)是不同的, X46鋼中有少量的條狀硫化物、帶狀氧化物和球狀 氧化物分布,其他試樣基體中大部分為球狀的氧化 物夾雜。條狀夾雜物部位形成多條條狀微裂紋,而 在臨近斷口部位點(diǎn)狀氧化物夾雜處則形成孔洞狀或 者棒狀的缺陷,缺陷末端較鈍,呈圓弧狀。從不同夾 雜物產(chǎn)生裂紋的長短程度來比較,條帶狀夾雜部位 產(chǎn)生的裂紋更長、更明顯。條帶狀夾雜邊角部位形 態(tài)較為尖銳,在尖銳端很容易形成大的應(yīng)力集中,促 進(jìn)裂紋擴(kuò)張。

在顯微鏡下觀察,球狀氧化物邊界較平滑。沖 擊試驗(yàn)后,靠近斷口部位有較多的孔洞,孔洞形成原 因是球狀夾雜物在沖擊作用下脫落而后形成孔洞, 這些孔洞雖然數(shù)量多,但是擴(kuò)張得并不厲害,從應(yīng)力 的角度來看,球狀夾雜物的作用面積較大,沒有尖銳 的地方,使得應(yīng)力沒法集中,所以不容易產(chǎn)生裂紋, 且難以擴(kuò)張[6]。

從以上現(xiàn)象來看,材料內(nèi)部的非金屬夾雜物在 沖擊過程中一定程度上充當(dāng)了裂紋源的作用,不同 類型的夾雜物在外力作用下的擴(kuò)展是不一樣的,條狀夾雜物更容易產(chǎn)生裂紋,而球狀夾雜物形成的缺 陷較難擴(kuò)展,對沖擊性能的危害較小。

2.2.3 沖擊過程中的組織變化及二次裂紋的擴(kuò)展

沖擊試驗(yàn)中,微觀組織表現(xiàn)出阻止裂紋擴(kuò)展的能 力。試樣在沖擊載荷作用下產(chǎn)生裂紋后,不同的組織 形態(tài)對阻止裂紋擴(kuò)展的能力不一樣。將試樣在4%(體 積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液中浸蝕后,采用光學(xué)顯微鏡對 試樣沖擊斷口處的組織形貌進(jìn)行觀察,如圖5所示。

X46鋼沖擊斷口處的顯微組織為規(guī)則的鐵素體 +珠光體,珠光體分布得非常不均勻,局部呈聚集分 布狀態(tài)或呈條帶狀,在斷口附近的基體上有多條微 裂紋正好處于珠光體聚集區(qū),斷口部位也可以看到 局部有二次裂紋位于珠光體聚集分布的區(qū)域,裂紋 較為平直,和基體中微裂紋形貌相似。部分微裂紋 產(chǎn)生于珠光體區(qū)域內(nèi),裂紋末端終止于旁邊的鐵素 體。從上述分析來看,裂紋容易在珠光體區(qū)域產(chǎn)生, 且在珠光體內(nèi)擴(kuò)展比較容易,如果珠光體分布均勻, 周圍有鐵素體晶粒,則會對裂紋擴(kuò)張起到一定的限 制作用,使裂紋難以擴(kuò)展。

X56鋼沖擊斷口處的顯微組織為均勻的鐵素 體+珠光體,晶粒度為10.8級,較 X46鋼的晶粒要 細(xì)小,珠光體的分布較為彌散,在沖擊力的作用下, 局部有少量變形。斷口有部分夾雜物脫落后形成的 孔洞狀缺陷,在斷口附近未見有二次裂紋產(chǎn)生,多邊 形鐵素體內(nèi)的位錯密度較低,所以裂紋的擴(kuò)展較為 容易。

X70鋼沖擊斷口處的顯微組織為準(zhǔn)多邊形鐵素 體+粒狀貝氏體+馬氏體/奧氏體(M/A)組元,斷 口部位顯微組織有非常明顯的變形,分布有夾雜物 脫落后形成的孔洞。組織以準(zhǔn)多邊形鐵素體為主, 和多邊形鐵素體相比,準(zhǔn)多邊形鐵素體具有較高的 位錯密度、亞結(jié)構(gòu),有的鐵素體晶粒上還分布有 M/ A組元,這種組織強(qiáng)度比多邊形鐵素體高,同時具有 優(yōu)異的塑性變形能力,內(nèi)部有較高的位錯密度。其 中零星分布少量的 M/A 組元,使得該鋼具有低的 屈強(qiáng)比和高的應(yīng)變硬化速率[7],從而使裂紋在微區(qū) 范圍內(nèi)的擴(kuò)展由于形變位錯密度增高而更為困難。

采用掃描電鏡(SEM)對 X70鋼沖擊斷口附近 的顯微組織進(jìn)行觀察,局部可以看到有二次裂紋,如 圖6所示?？梢钥吹?裂紋在粒狀貝氏體分布區(qū)域 中時,裂紋較平直,而在準(zhǔn)多邊形鐵素體區(qū)域時,裂 紋為曲折分布狀態(tài)。裂紋在擴(kuò)展中,隨應(yīng)變增加,不 斷有新的裂紋形成,不同位向裂紋的互相連接或經(jīng) 過晶界和板條束界面時都可能會導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展方向 轉(zhuǎn)向,從而使裂紋的擴(kuò)展不再平直,而構(gòu)成曲折的裂 紋形貌。裂紋擴(kuò)展路徑的曲折,使裂紋的擴(kuò)展難度增加,對裂紋的擴(kuò)展造成阻礙[8]。由此說明裂紋在 擴(kuò)展過程中,在粒狀貝氏體區(qū)域受到的阻礙作用較 弱;在準(zhǔn)多邊形鐵素體中擴(kuò)展時,擴(kuò)展難度較大,該 組織具有較好的抵抗裂紋擴(kuò)展能力。

X80鋼沖擊斷口處的顯微組織為粒狀貝氏體+ 準(zhǔn)多邊形鐵素體+M/A 組元,其沖擊韌性較 X70 鋼的沖擊韌性要低,在斷口部位組織形貌上,X70鋼 的斷口部位附近組織有非常明顯的組織變形,X80 鋼的韌性斷口部位略有變形,但比 X70鋼的要弱。 在顯微組織上,X80鋼主要以粒狀貝氏體為主,粒狀 貝氏體是中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,其雖然有細(xì)小的片層結(jié)構(gòu), 但是由于相鄰片層之間晶體分布取向之間的差異很 小,一般是低于15°的小角度晶界,這種小角度的晶 界對裂紋的擴(kuò)展起不到阻礙作用[9-11]。也側(cè)面反映 了粒狀貝氏體及 M/A組元對阻止沖擊裂紋的擴(kuò)展 不利,從而導(dǎo)致了X80鋼的沖擊吸收能量較低。

通過以上幾種管線鋼中夾雜物與顯微組織對裂 紋形成與擴(kuò)展影響情況的比較可知,組織中非金屬 夾雜物在沖擊過程中往往容易成為裂紋源或有助于 裂紋的擴(kuò)展,球狀夾雜物較條狀夾雜物在形成裂紋 及裂紋擴(kuò)展上的促進(jìn)作用較小;不同組織在抵抗裂 紋擴(kuò)張能力上,粒狀貝氏體、珠光體較弱,多邊形鐵 素體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較弱,準(zhǔn)多邊形鐵素體抵 抗裂紋擴(kuò)展的能力較強(qiáng);從斷口附近的組織變形上 看,部分試樣在斷口部位的組織有明顯的變形,從能 量守恒的角度上,組織變形必然會吸收能量,變形也 對裂紋的擴(kuò)展起到緩沖作用,進(jìn)而對沖擊吸收能量 有一定的影響。

3 結(jié)論

(1)沖擊吸收能量與材料所能承受的最大拉應(yīng) 力和材料均勻塑性變形能力關(guān)系更為密切。

(2)材料中的非金屬夾雜物在沖擊過程中易成 為裂紋源,條帶狀夾雜物比球狀夾雜物容易在沖擊過程中產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。

(3)沖擊過程中斷口部位組織會產(chǎn)生不同程度 的變形,進(jìn)而影響材料的沖擊吸收能量。

(4)顯微組織形態(tài)會對材料在沖擊過程中的裂 紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響,準(zhǔn)多邊形鐵素體對裂紋的擴(kuò)展有 較好的阻礙作用。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>57卷>12期(pp:44-48)>