亚温淬火45钢的断裂韧度试验
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验材料取自 ４５ 钢 热 轧 棒 材,其 化 学 成 分 (质
量分数/％)为:０．４５~０．５０C,０．１７~０．３７Si,０．５０~
０．８０Mn,≤０．２０Cr,≤０．３０Ni,≤０．２５Cu,≤０．０３５P,
≤０．０３５S.热处理前把试样加工成４组不同厚度的
标准紧凑拉 伸 (CT)试 样,具 体 尺 寸 见 图 １,裂 纹 面
沿锻造方向,试样名义宽 度
W 为 ５０ mm,名 义 厚 度
B 分别 为 ６,１０,１５,２５ mm.试 样 在 SX２ 型 箱 式 电
阻炉中进行加热,温度为７６０ °C,保温后迅速取出进
行室温水淬,此时得 到 的 显 微 组 织 为 针 状 马 氏 体 和
部分铁素体.然后采用 LEXT OLS４０００３D 激光共
聚焦显微镜观察试样表面形貌.
料加工的
φ１０ mm×１５０ mm 拉 伸 试 棒 与 CT 试 样
同炉亚温淬火处理,得到的力学性能见表１.
试验 操 作 规 范 依 据 ASTM E３９９－２０１２e１,在
MTSLandmark３７０．２５２５０kN 液 压 伺 服 疲 劳 试 验
机上进行,试样安装方式如图２所示,所用引伸计为
６３２．０２FＧ２０COD Gage型.为了模拟实际构件中的
尖锐裂纹,试样须用疲劳载荷预制裂纹,裂纹的总长
度控制在０．４５~０．５５
W ;然后对试样施加静载荷,使
裂纹尖端处于I型 裂 纹 受 载 状 态 引 起 裂 纹 扩 展,得
到载荷Ｇ位移(
PＧV)曲线,从而确定 临 界 载 荷
PQ ;用
读数显 微 镜 测 量 试 样 断 裂 面 的 裂 纹 长 度 计 算
KQ
值,随后进行有效性校核,判定是否需满足各个约束
条件、
KQ 是否等于
KIC
[１１].２ 试验结果与讨论
为了获得有效 的 平 面 应 变 断 裂 韧 度 指 标,严 格
意义上需要裂纹尖端附近的应力状态接近于平面应
变状态.只有当试样尺寸满足平面应变和小范围屈
服的 力 学 条 件 时,才 能 获 得 稳 定 的
KIC. 所 谓 的 小
范围屈服条件,指的是裂纹尖端塑性变形受到约束.
平面应 变 裂 纹 尖 端 附 近 的 塑 性 区 半 径
rp (临 界 状
态)计算公式如下:
rp ＝ １
６π(
KQ/
Rp０．２)２ (１)
式中:
KQ 为
KIC条件值;
Rp０．２为屈服强度.
根据线弹性断 裂 力 学 小 范 围 屈 服 修 正 理 论,为
了保证I型应 力 强 度 因 子 (
KI)在 屈 服 区 边 界 处 有
满意的精度,要 求
rp/
a≤２％,即 要 求 厚 度
B、裂 纹
长 度
a 和 韧 带 长 度 (
W －
a )大 于 或 等 于
２．５(
KQ/
Rp０．２)２.而且 从 载 荷 的 角 度 出 发,裂 纹 尖
端变形时载 荷 须 满 足
Pmax/
PQ ≤１．１０(
Pmax 为 最 大
载荷,
PQ 为条件载荷)[１２Ｇ１３]据文献[１１]报道,１８Ni(３００级)钢板的断裂韧度
随着厚度的增大而减小,这是由于１８Ni(３００级)钢板
是具有高强度和优良韧性的马氏体时效钢,断裂时通
常是混合断口.平面应力层的厚度对同一材料来说,
基本上是不变的.随着试样厚度的增加,平面应力层
所占比重减小,试样裂纹尖端由平面应力状态向平面
应变状态过渡,因此断裂韧度条件值
KQ 随厚度的增
加而减小,最后趋于一个稳定的
KIC 值.对于亚温淬
火４５钢,预制疲劳裂纹时所产生的裂纹疲劳扩展区
光亮且整齐,边界线为中间高两边低的弧形,裂纹疲
劳扩展区整体较为平坦,如图４(a)所 示.相 对 于 疲
劳扩展区,断裂区 变 形 比 较 大,撕 裂 棱 突 出,韧 窝 较
少,如图４(b)所示.在厚度方向上平面应力层所 占
比重很小,试样近 似 地 处 在 平 面 应 变 条 件. 因 此 即
使厚度增 加,
KIC 也 基 本 趋 于 稳 定. 若 厚 度 进 一 步
增加,预制厚度为 ２５ mm 试 样 的 裂 纹 时,当 应 力 强
度因子
K 逐渐上调至４３左右,试样突然断裂,预制
裂纹失败,无法得到有效的断裂韧度.
３ 结论
(１)针对传统的断裂韧度试验中试样厚度
B≥
２．５(
KQ/
Rp０．２)２ 的要求,分析表明:当直接根据这一
厚度判据,很难获取有效的
KIC 时,可以选择试样正
断百分比作为平面应变断裂韧度测试的指标.这是
KIC 充分反映了材料
的正断性能.
(２)对 于 脆 性 材 料,即 使 试 样 厚 度 远 小 于
２．５(
KQ/
Rp０．２)２,若破坏以 正 断 为 主,也 可 以 满 足 平
面应变条件的厚 度 要 求. 亚 温 淬 火 ４５ 钢 的 平 面 应
变断裂韧度
KIC为５８~６３ MPa??m１/２.
１．１ 试样制备
试验材料取自 ４５ 钢 热 轧 棒 材,其 化 学 成 分 (质
量分数/％)为:０．４５~０．５０C,０．１７~０．３７Si,０．５０~
０．８０Mn,≤０．２０Cr,≤０．３０Ni,≤０．２５Cu,≤０．０３５P,
≤０．０３５S.热处理前把试样加工成４组不同厚度的
标准紧凑拉 伸 (CT)试 样,具 体 尺 寸 见 图 １,裂 纹 面
沿锻造方向,试样名义宽 度
W 为 ５０ mm,名 义 厚 度
B 分别 为 ６,１０,１５,２５ mm.试 样 在 SX２ 型 箱 式 电
阻炉中进行加热,温度为７６０ °C,保温后迅速取出进
行室温水淬,此时得 到 的 显 微 组 织 为 针 状 马 氏 体 和
部分铁素体.然后采用 LEXT OLS４０００３D 激光共
聚焦显微镜观察试样表面形貌.
料加工的
φ１０ mm×１５０ mm 拉 伸 试 棒 与 CT 试 样
同炉亚温淬火处理,得到的力学性能见表１.
试验 操 作 规 范 依 据 ASTM E３９９－２０１２e１,在
MTSLandmark３７０．２５２５０kN 液 压 伺 服 疲 劳 试 验
机上进行,试样安装方式如图２所示,所用引伸计为
６３２．０２FＧ２０COD Gage型.为了模拟实际构件中的
尖锐裂纹,试样须用疲劳载荷预制裂纹,裂纹的总长
度控制在０．４５~０．５５
W ;然后对试样施加静载荷,使
裂纹尖端处于I型 裂 纹 受 载 状 态 引 起 裂 纹 扩 展,得
到载荷Ｇ位移(
PＧV)曲线,从而确定 临 界 载 荷
PQ ;用
读数显 微 镜 测 量 试 样 断 裂 面 的 裂 纹 长 度 计 算
KQ
值,随后进行有效性校核,判定是否需满足各个约束
条件、
KQ 是否等于
KIC
[１１].２ 试验结果与讨论
为了获得有效 的 平 面 应 变 断 裂 韧 度 指 标,严 格
意义上需要裂纹尖端附近的应力状态接近于平面应
变状态.只有当试样尺寸满足平面应变和小范围屈
服的 力 学 条 件 时,才 能 获 得 稳 定 的
KIC. 所 谓 的 小
范围屈服条件,指的是裂纹尖端塑性变形受到约束.
平面应 变 裂 纹 尖 端 附 近 的 塑 性 区 半 径
rp (临 界 状
态)计算公式如下:
rp ＝ １
６π(
KQ/
Rp０．２)２ (１)
式中:
KQ 为
KIC条件值;
Rp０．２为屈服强度.
根据线弹性断 裂 力 学 小 范 围 屈 服 修 正 理 论,为
了保证I型应 力 强 度 因 子 (
KI)在 屈 服 区 边 界 处 有
满意的精度,要 求
rp/
a≤２％,即 要 求 厚 度
B、裂 纹
长 度
a 和 韧 带 长 度 (
W －
a )大 于 或 等 于
２．５(
KQ/
Rp０．２)２.而且 从 载 荷 的 角 度 出 发,裂 纹 尖
端变形时载 荷 须 满 足
Pmax/
PQ ≤１．１０(
Pmax 为 最 大
载荷,
PQ 为条件载荷)[１２Ｇ１３]据文献[１１]报道,１８Ni(３００级)钢板的断裂韧度
随着厚度的增大而减小,这是由于１８Ni(３００级)钢板
是具有高强度和优良韧性的马氏体时效钢,断裂时通
常是混合断口.平面应力层的厚度对同一材料来说,
基本上是不变的.随着试样厚度的增加,平面应力层
所占比重减小,试样裂纹尖端由平面应力状态向平面
应变状态过渡,因此断裂韧度条件值
KQ 随厚度的增
加而减小,最后趋于一个稳定的
KIC 值.对于亚温淬
火４５钢,预制疲劳裂纹时所产生的裂纹疲劳扩展区
光亮且整齐,边界线为中间高两边低的弧形,裂纹疲
劳扩展区整体较为平坦,如图４(a)所 示.相 对 于 疲
劳扩展区,断裂区 变 形 比 较 大,撕 裂 棱 突 出,韧 窝 较
少,如图４(b)所示.在厚度方向上平面应力层所 占
比重很小,试样近 似 地 处 在 平 面 应 变 条 件. 因 此 即
使厚度增 加,
KIC 也 基 本 趋 于 稳 定. 若 厚 度 进 一 步
增加,预制厚度为 ２５ mm 试 样 的 裂 纹 时,当 应 力 强
度因子
K 逐渐上调至４３左右,试样突然断裂,预制
裂纹失败,无法得到有效的断裂韧度.
３ 结论
(１)针对传统的断裂韧度试验中试样厚度
B≥
２．５(
KQ/
Rp０．２)２ 的要求,分析表明:当直接根据这一
厚度判据,很难获取有效的
KIC 时,可以选择试样正
断百分比作为平面应变断裂韧度测试的指标.这是
KIC 充分反映了材料
的正断性能.
(２)对 于 脆 性 材 料,即 使 试 样 厚 度 远 小 于
２．５(
KQ/
Rp０．２)２,若破坏以 正 断 为 主,也 可 以 满 足 平
面应变条件的厚 度 要 求. 亚 温 淬 火 ４５ 钢 的 平 面 应
变断裂韧度
KIC为５８~６３ MPa??m１/２.
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