中科院金属所Acta Mater. : 高强度合金的固有冲击韧性

编辑部实习生 7年前 (2017-10-16) 6349浏览

【引言】

作为表征抵抗裂纹扩展能力的性能指标，韧性是材料筛选的重要依据之一。材料韧性通常采用夏比冲击试验来测量，该试验方法自1940s已被广泛接受和应用。但试验结果受到试样厚度的严重影响，通过夏比冲击试验得到的冲击韧性并非材料的固有特性。这就导致即使通过试验获得了冲击试验数据，仍无法预测服役装置的机械性能。同时试样尺寸的限制也影响到试验的适用范围和试验结果的有效性。因此，有必要消除试样厚度对试验结果的影响，研究出能够获得材料固有冲击韧性的方法。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所张哲峰研究员与屈瑞涛副研究员（共同通讯作者）在Acta Mater.上发表了一篇题为“Intrinsic impact toughness of relatively high strength alloys”的文章。该研究团队首先通过理论模型计算，推导出固有冲击韧性（αc）和冲击断裂能（Ak）之间具有线性关系（Ak=αcSt+A0，St为断面总面积，A0为常数）。试验验证阶段选择T250马氏体时效钢（三种热处理工艺）、ph13-8Mo超高强度钢、TC4-DT钛合金和7A85铝合金，进行标准拉伸试验和系列试样厚度的夏比冲击试验（除试样厚度外，按照ASTM-E23标准进行）；为观察裂纹形成和扩展过程，采用梯度能量进行冲击试验；通过体视显微镜和扫描电镜观察断面并测量开裂区面积。通过试验获得冲击断裂能与断裂面面积之间的线性关系，并分析了固有冲击韧性（αc）与常规冲击韧性（αk）间的差异。研究结果表明冲击断裂能与断裂面面积之间线性相关，其斜率即为材料的固有冲击韧性。

【图文解读】

图1 冲击断裂试验示意图

(a) 断裂过程，裂纹沿冲击载荷方向扩展；

(b) 断裂面，包括断裂区和剪切唇区。

图2 试验合金典型工程应力-应变曲线

黑色曲线为HS（经850℃、1h固溶处理+500℃、5h时效处理的T250马氏体时效钢）；深蓝色曲线为CS（ph13-8Mo超高强度钢）；浅蓝色曲线为MS（经850℃、1h固溶处理+600℃、3h时效处理的T250马氏体时效钢）；红色曲线为LS（经850℃、1h固溶处理+650℃、3h时效处理的T250马氏体时效钢）；绿色曲线为Ti-A（TC4-DT钛合金）；紫色曲线为Al-A（7A85铝合金）。

图3 试验所得冲击韧性随试样厚度变化

深蓝色三角为CS；红色方块为LS；浅蓝色圆点为MS；绿色菱形为Ti-A；黑色三角为HS；紫色三角为Al-A。

图4 冲击断裂面和侧面的形貌和量化特征

(a)-(e) 不同厚度的MS试样体视显微镜形貌；

(f)-(g) 分别为8-mm厚的HS和LS试样体视显微镜形貌；图上S和C分别代表断裂区和剪切唇区；

(h) HS、MS、LS三种钢断裂面上两种区域面积；

(i) 10-mm厚LS、MS、HS试样的Sc和Ss随屈服强度变化；

(j)-(n) MS试样侧面塑性变形区（剪切唇），红色虚线框标识塑性区
域宽度。

图5 裂纹萌生区扫描电镜形貌及其宽度

(a)-(f) 不同厚度的MS、LS和HS试样切口根部前断裂面裂纹萌生区扫描电镜形貌；红色虚线标识裂纹萌生区大致边界并标注统计平均宽度；

(g) 厚度方向上距离中心区域不同距离位置裂纹萌生区与的测量宽度；为保证数据的准确性，仅选择裂纹萌生区边界明显的位置。

图6 不同输入能量下落锤冲击试验试样形貌

(a)-(b)试样两侧体视显微镜图像;

(c) 依据(b)绘制的塑性区示意图；因(b)放大倍数低，存在低估了实际塑性区域真实尺寸的可能。

图7 落锤冲击试验试样断面形貌以及冲击开裂区面积与输入能量关系曲线

(a)-(c) 落锤冲击试样经热着色、疲劳使其断裂后的断面扫描电镜形貌；

(d) 冲击开裂区面积与输入能量关系曲线。

图8 断裂面面积与冲击断裂能线性关系

红色方块为LS；浅蓝色圆点为MS；黑色三角为HS；深蓝色三角为CS；紫色三角为Al-A；绿色菱形为Ti-A。

图9 固有冲击韧性（αc）与常规冲击韧性（αk）关系

(a) Ak与St之间关系的两种情况；实线斜率为固有冲击韧性αc，数据点与坐标原点连线的斜率等于该点的常规冲击韧性αk；

(b) αk的两种情况。

图10 冲击韧性与拉伸强度关系

红色实线为αs随σUTS变化；黑色实线为αc随σUTS变化；蓝色虚线为αc随σy变化；紫色虚线为αs随σy变化。

【小结】

本文研究表明，冲击断裂能与断裂面面积之间存在线性关系，其斜率为材料的固有冲击韧性。固有冲击韧性为材料的固有性能，不受试样厚度因素影响。该研究为以韧性为优先考虑因素的使用环境提供了合适的材料选择依据，为小尺寸材料的韧性评估提供了有效解决途径；采用固有冲击韧性，可以得到不受试样厚度的影响的唯一的脆性转变温度；同时，研究过程中对传统韧性概念的重新思考，可能激发新兴高强度结构材料断裂的新思维。

文献链接：Intrinsic impact toughness of relatively high strength alloys(Acta Mater., 27 September, 2017, DOI: 10. 1016/j . actamat. 2017. 09. 064)

本文由材料人编辑部詹英杰编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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