摘 要:仪器化冲击试验机的发展使冲击试验过程可视化、定量化、数字化。通过对数千次冲击试验的曲线及数据分析,体会到除总冲击功外,还有屈服力、最大力、稳定裂纹扩展的出现、不稳定裂纹扩展起始力及终止力、试样弯曲位移、冲击过程的时间等大量数据,可供人们更准确、定量地进行金属材料力学性能的比较分析与评价。对金属材料制造技术的研究开发和最佳轧制工艺的确定,具有重要价值。
冲击试验是在1905年左右发展起来的,至今有近百年历史。在冲击试验过程中,作用在试件上的冲击力,在10 ms左右的时间内由零骤增到上百千克力又重新下降为零。由于冲击速度 变化很大,打击时间短,精确测量这一过程是相当困难的。早期的冲击实验是根据能量守恒定律,计量冲断试样所消耗的势能差,这一原理至今还在应用。仪器化冲击试验机的出现,使冲击 试验在两个方面产生了重大变化。一是发展了传统试验机的功能并进一步使之仪器化:即数字化控制,数字显示,数据采集和数据处理,自动绘制力、功与时间或位移关系曲线,冲击试验结果用图形曲线显示使之直观可视化。二是“仪器化冲击试验方法的标准化”逐渐形成,逐渐完善,它使冲击试验发生了质变。这种变化表现在以下几个方面: (1)冲击功的定义是按功=力×位移来定义的。即采用冲击力-位移曲线下的面积来计量。(2)仪器化冲击试验机可以给出14个反映材料冲击性能的参数,而传统冲击实验方法,仅仅给出1个冲击功参数。(3)14个性能参数中有4个力参数、5个位移参数、5个能量参数,它们分别表示出试样受冲击时的弹性、塑性和断裂过程的性能指标。(4)使冲击试验形象化,在曲线上我们可以形象地看到材料冲击试样的变形和断裂过程[1]。
1 试验设备主要参数
以美国instron corporation引进的9250HV型仪器化落锤冲击试验机为例。该机可用于金属标准试样及实物冲击性能测试,符合GB标准和ASTME-23《简支梁和悬臂梁冲击试验》、ASTME-208《确定铁素体钢脆性-韧性转变温度的落锤试验方法》、ISO148《简支梁和悬臂梁冲击试验》等国际通行的试验标准。其基本参数和主要技术指标如下:能量范围: 25~1603J;最大冲击速度: 20 m/s;最大落体高度: 1. 25m;上升速度:(1600±1. 6)mm/min(稳定状态);位置可重复性:±0. 015mm; A/D转换分辨率: 12bits/chan-ne;l数据采集速率:最大为1. 17MHz in 7ms。
2 试验结果及分析
从冲击试验曲线中可以看出,在打击试样10 ms左右瞬间根据几个特殊点的参数对材料性能分析是非常重要的,如下所述。
2. 1 力特征值
屈服力Fgy:力-位移曲线从直线上升部分向曲线上升部分转变点时的力值。最大力Fm:力-位移曲线上的最大力值。不稳定裂纹扩展起始力Fiu:力-位移曲线急剧下降开始时的力值,用来表示不稳定裂纹扩展的开始。不稳定裂纹扩展终止力Fa:力-位移曲线急剧下降终止时的力值[1]。
2. 2 位移特征值
Sgy、Sm、Siu、及Sa是特征力值Fgy、Fm、Fiu、Fa对应横坐标而确定的。试验开始由0~Fgy段,是弹性变形阶段;Fgy~Fm段,塑性变形阶段,定量反映出冲击过程中材料形变强化能力;Fm~Fiu段,裂纹稳定扩展阶段,定量说明裂纹稳定扩展量的大小;Fiu~Fa段,裂纹不稳定迅速扩展阶段;Fa~终点,裂纹稳定扩展断裂阶段。这些特征值为我们定量说明冲击性能变化提供了依据[1]。
2. 3 曲线类型
按力和位移关系可将曲线分为7种类型,归纳起来可以分为3种情况: (1)A型和B型曲线;(2)C型、D型、E型、F型曲线; (3)G型曲线[3]。如图1所示,A型和B型曲线共同的特点是,在最大力出现前不产生屈服。A型曲线表明,试样缺口处产生裂纹后急速不稳定扩展至断裂,反映出典型脆性材料特性。B型曲线表明,试样断裂过程中具有裂纹不稳定扩展,并有裂纹不稳定扩展终止点,还有裂纹少量的稳定扩展,仍表现为脆性材料特性。C、D、E、F型曲线中均有明显的屈服力出现,在最大力前出现塑性变形,在此曲线中有不同程度的稳定和不稳定裂纹扩展,就裂纹稳定扩展的比例而言, F型曲线最大,E型曲线较大,D型曲线次之,C型曲线最少。G型曲线不出现裂纹不稳定扩展起始点和终止点,当力达到最大值后,下降较慢,说明裂纹具有稳定扩展的特性,表现出典型韧性材料的特点。
2. 4 冲击能量特征值
仪器化冲击试验的能量特征值:屈服时能量Wgy、最大力时能量Wm、不稳定裂纹扩展起始能量Wiu、不稳定裂纹扩展终止能量Wa和总冲击能量Wt分别为力-位移曲线下从S=0到S=Sgy、S=Sm、S=Siu、S=Sa、S=St的面积[2]。
以上这5个能量的关系如图2所示。在图上分别表示为弹性变形能We、塑性变形能Wd、裂纹稳定扩展能量Wp1、裂纹不稳定撕裂能量Wp2和裂纹失稳后稳定扩展能量Wp3。
2. 5 典型冲击曲线
从数千次冲击试验中抽取9根试样的试验冲击曲线如图3,横作标是位移或时间,左边纵坐标是力值,右边纵坐标是吸收功值。两根曲线分别为实测出的冲击力值和冲击吸收功值。表1是与冲击韧性有关的各种数据。结合图1对这些数据分析如下。
由图3中的(a)、(b)可以看出,两根试样的总冲击吸收能量值相同,均出现弹性变形段和塑性变形段。a试样断裂过程中,达到最大力时的能量较小,有裂纹稳定扩展和裂纹不稳定扩展,不稳定裂纹起始位移较大,不稳定裂纹终止位移也较大,表现出韧性材料特性。b试样断裂过程中,不稳定裂纹起始位移较小,达到最大力时的能量较大,没有裂纹稳定扩展,不稳定裂纹起始点位移较小,不稳定裂纹终止位移较小。两种材料韧-脆性有很大区别, a冲击试样力-位移特性曲线如图1的F型, b冲击试样力-位移特性曲线如图1的D型。
图3中的c试样,冲击开始至屈服力出现是消耗于弹性变形的弹性功,然后是消耗于塑性变形的塑性功,达到最大力时出现裂纹,此时裂纹稳定扩展,不稳定裂纹起始点至不稳定裂纹终止点,冲击力急剧下降,即产生撕裂,这段时间很短,此时消耗的功为裂纹不稳定撕裂功,然后又是稳定裂纹扩展直至断裂,表现出韧性材料特性。力-位移特性曲线如图1中的F型。d试样,冲击开始至屈服力出现是消耗于弹性变形的弹性功,然后是消耗于塑性变形的塑性功,达到最大力时出现裂纹,此时裂纹稳定扩展,不稳定裂纹启始位移与不稳定裂纹终止位移相差很小,而且力值变化很大,以后又有裂纹稳定扩展,其冲击试样力-位移特性曲线如图1中的E型。e试样,没有屈服力,且最大力、不稳定裂纹起始力同时出现在一点,这一过程中没有塑性变形,弹性变形至最大力时就开始出现不稳定裂纹扩展,产生最大力时的能量很小,不稳定裂纹扩展终止能量很小,不稳定裂纹终止力出现后又有稳定裂纹扩展,表现为明显的脆性材料特性。该试样如图1中的B型。f试样,有屈服力、最大力、不稳定裂纹起始力,然后力就急速降至零,试件断裂,有明显的塑性变形段和裂纹稳定扩展,其力-位移特性曲线如图1中的E型。
图3中的g试样,有屈服力、最大力、弹性变形功、塑性变形功和裂纹稳定扩展功,没有不稳定裂纹起始力和不稳定裂纹终止力,最大力时出现裂纹稳定扩展直至断裂,表现出典型韧性材料特性。如图1中的G型。h试样,没有屈服力,只有最大力,且最大力即是不稳定裂纹起始力,不稳定裂纹终止力为零,在冲击过程中,没有塑性变形功,只出现弹性变形吸收功和裂纹不稳定撕裂吸收功,如图1中的A型。j试样,有屈服力、最大力,并且最大力即是不稳定裂纹起始力,只有裂纹不稳定扩展,不稳定裂纹终止力为零,在冲击过程中,出现弹性变形吸收功和塑性变形吸收功及裂纹不稳定撕裂功,如图1中的C型。
由以上分析可以看出,冲击吸收功可以分解为消耗于弹性变形的弹性功,消耗于塑性变形的塑性功和消耗于裂纹萌生、扩展、断裂的裂纹扩展功3部分。这3部分功所占总吸收功的比例与材料特性密切相关。当弹性功占的比例大、塑性功和撕裂功占的比例小,表明材料断裂前塑性变形小,裂纹一旦出现,则立即快速扩展而产生脆性断裂。如果材料的塑性功和撕裂功占总吸收功的比例较大,则表现为断裂前塑性变形较大,裂纹出现后扩展速度很慢,只能形成韧性断裂。因此只有塑性功,尤其是撕裂功的大小才真正反映材料的韧性或脆性特性。所以,冲击试验中力-位移曲线与反映出的材料韧性或脆性特性参数,对金属材料制造技术的研究开发和最佳工艺后筛选具有重要的科学价值。
3 结论
通过对不同材料或不同工艺制造的板材,在仪器化9250HV落锤冲击试验机上进行数千次冲击试验,取得了数千张冲击曲线和图表,为材料力学性能进行深入分析垫定了基础,充分体现了冲击试验过程可视化、定量化、数字化的特点。提高了材料力学性能的分析精度,结合典型实例提出了对大量数据进行科学处理的方法,以便更好、更有效地使用新型的试验手段,进一步挖掘并拓宽它的应用范围。
参考文献:
[1] 唐振延.GB/T19748-2005钢材夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法[S].北京:中国标准出版社, 2006.
[2] 李久林.金属夏比缺口冲击试验方法国家标准实施指南[M].北京:中国标准出版社, 2006. 71~76.
[3] 钢铁研究总院.GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法[S].北京:中国标准出版社, 2002.
[4] 唐振延,陈一龙.冲击试验的现状与发展[J].汽车工艺与材料, 2004(10): 1~5.
