四類高強鋼的沖擊韌性和平面應變斷裂韌性研究

馮九勝

(中航工業陜西千山航空電子有限責任公司，陜西 西安 710065)

1 前 言

超高強度鋼是一種具有高強度、高韌性、高比強度以及優異的抗疲勞、抗沖擊性能的合金鋼，在航空、航天、汽車和船舶領域均有非常廣泛的應用[1-6]。A100(AerMet100)是由Carpenter公司在20世紀80年代根據美國海軍F/A18E/F戰斗機起落架材料需求而研發的一類新型超高強度鋼，G50、G53、G54則是我國自行研發的超強合金鋼，它們由于優異的力學性能而成為近期的研究熱點[7-10]。

Singh[11]和Boyce[12]對高強鋼在應變率為0.0002～200 s-1的范圍內的動態拉伸力學行為進行了細致的研究，發現高強鋼的應變硬化會隨應變率的增加而增加，且材料的斷裂失效模式為韌性斷裂。Hu[13]則由實驗結果建立了A100高強鋼的應變率相關的Johnson-Cook和Cowper-Symonds本構模型。Sato[14]的研究集中于提升高強鋼的韌性，秦玉榮[15]利用SHPB實驗對3種高強鋼的動態壓縮力學性能進行了研究。田杰[16]對G50鋼的動態力學性能研究則發現G50鋼是應變率不敏感材料，其動態壓縮時會產生45°剪切破壞。

沖擊功和平面斷裂韌度分別是評估高強鋼沖擊韌性和平面斷裂韌性的兩個重要指標，因此我們對A100、G50、G53、G54這4種高強鋼進行了沖擊韌性試驗和平面斷裂韌性試驗，并對沖擊功和平面斷裂韌度進行了研究對比，為新材料的設計、結構的選材和優化設計提供了設計參考。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

4類高強鋼分別為A100、G50、G53和G54，其材料力學性能如表1所示。圖1給出了沖擊韌性實驗的試件尺寸，對4種高強鋼分別進行厚試件和薄試件的沖擊韌性實驗，其中厚試件和薄試件厚度分別為10 mm和5 mm，除厚度外試件尺寸均一致，試件長度為55 mm，寬度為10 mm，中間為深2 mm、寬2 mm的U型槽。

表1 4種高強鋼的力學性能

圖1 沖擊韌性實驗的試件尺寸：(a)主視圖；(b)厚試件剖面圖； (c)薄試件剖面圖Fig.1 Sizes of specimens for impact toughness test: (a) main view; (b) cutaway view of thick specimen; (c) cutaway view of thin specimen

圖2給出了平面斷裂韌性實驗的試件尺寸，4種材料的試件尺寸均一致。試件長度為140 mm，寬度為30 mm，厚度為15 mm，試件中間處預制10 mm長的裂縫，與試件表面垂直。

圖2 平面應變斷裂韌性實驗的試件尺寸：(a)主視圖； (b)側視圖Fig.2 Size of specimens for plane strain fracture toughness test: (a) main view and (b) side view

2.2 實驗方法

缺口是影響材料脆化的重要因素，可使材料由韌性斷裂狀態變為脆性斷裂狀態，沖擊彎曲實驗標準試樣分為U型缺口和V型缺口，本文選用U型缺口。

沖擊韌性實驗采用的金屬沖擊試驗機為美特斯工業系統(中國)有限公司設計生產，量程分為150 J和300 J兩檔，本試驗采用150 J檔，試驗機精度等級為1級，數據分辨率為0.01 J，如圖3所示。

圖3 金屬沖擊試驗機Fig.3 Metal impact testing machine

對于含有缺陷的構件，只要缺陷達到臨界尺寸，就可能在遠低于材料屈服強度的工況下斷裂。在疲勞載荷下，起初的缺陷尺寸將會增大，使裂紋發生亞臨界的穩定擴展，直至達到斷裂，此時應力強度因子達到臨界值KIC：

其中KIC為平面應變斷裂韌度，Y為裂紋形狀系數，a為裂紋尺寸。

本文的平面應變斷裂韌性實驗首先通過線切割制備出裂紋的主體部分，然后采用疲勞試驗機在裂紋基礎上制備出尖端很尖銳的疲勞裂紋，最后通過材料測試系統(MTS880)進行三點彎實驗，實驗得到的載荷-位移曲線和其他測量數據均由一臺計算機記錄下來。

3 實驗結果分析和比較

3.1 沖擊韌性實驗

對4種高強鋼的薄試件和厚試件分別進行了7組重復性試驗，以減小試驗誤差。以A100為例，圖4分別給出了其薄厚試件沖擊韌性試驗斷裂后的照片。從圖4a可以看出，厚度為5 mm的薄試件在受到擺錘沖擊后，分成兩半。典型的斷口形式是：其中一半，斷口大概成槽型，中間接近是平臺，從試件缺口中間開始，該部分占不到三分之一的厚度，裂紋往里擴展到試件大概中間左右，該部分寬度是略微收縮的，之后平臺寬度逐漸加寬，斜向擴展到試件后部邊緣；槽型的兩個邊緣是呈大概45°的斜面；另一半與前面的一半是相吻合，是一個凸臺，中間為平臺，兩邊邊緣呈大概45°的斜面。圖4b中厚試件斷口顯示了類似的變形行為。缺口處的中間平臺一般認為是正應力拉斷的，邊緣是復雜應力狀態，45°切應力起主要作用，原因可能與塑性變形有關，邊緣沒有多少空間約束，允許有較大塑性變形，中間空間約束大。

圖4 A100試件沖擊韌性實驗后斷口：(a)薄試件；(b)厚試件Fig.4 Fracture surfaces of A100 specimens after impact testing: (a) thin specimen and (b) thick specimen

表2給出了4種高強鋼的沖擊功，可以看出同一種材料的薄試件所受的沖擊功均低于厚試件，承受沖擊功大小的順序為：A100>G50>G54>G53。

表2 4種高強鋼的沖擊功

從試驗后試件的外觀看，在發生塑性變形的部位，A100的塑性變形大一些，G53和G54的要小一些。從4種材料的沖擊功比較來看，對于薄試件，A100材料的沖擊韌性要顯著高于另外3種材料，G53的沖擊韌性是最差的；對于厚試件，A100和G50沖擊韌性相近，且顯著高于G53和G54。其中，G53薄試件和厚試件的沖擊韌性都是最差的，而對于G54，薄試件和厚試件的沖擊韌性差別不是很明顯，也表明了G54相對而言要偏于脆性一些(與其他材料相比而言)。

3.2 平面應變斷裂韌性實驗

圖5給出了平面應變斷裂韌性試驗后試件的斷裂缺口情況，對4種高強鋼分別進行了3組重復性三點彎實驗，以減小實驗誤差。圖5a是A100試件經過三點彎試驗后的缺口情況，圖5b是G54試件經過三點彎試驗后的缺口情況。可以看出，試件預置裂紋后，三點彎試驗中，試件沿裂紋方向呈直線斷開，斷口比較平滑。在斷口邊緣，試件向內收縮呈凹槽狀，如圖5b所示。

圖5 平面應變斷裂韌性試驗后的試件：(a)A100；(b)G54Fig.5 Specimens after plane strain toughness test: (a) A100 and (b) G54

試件斷裂缺口處較平，認為是正應力拉斷的，受到的空間約束更大，邊緣處比較平滑，表明切應力起到的作用較小，沒有產生大的塑性變形，試件斷裂形式為脆斷。

表3給出了4種高強鋼的平面斷裂韌度，可以看出，平面斷裂韌度大小的順序為：A100>G50>G54>G53。其中A100的KIC值最大，這表明使該材料斷裂所需要的能量要更大，A100抵抗斷裂的能力要高于其他3種材料。

表3 4種高強鋼的平面斷裂韌度

4 結 論

沖擊韌性實驗結果表明，4種高強鋼的薄試件斷裂時所受的沖擊功均低于厚試件，承受沖擊功大小的順序為：A100>G50>G54>G53；從試驗后試件的外觀看， A100的塑性變形較大，G53和G54變形較小。對4種材料的沖擊韌性比較來看，對于薄試件，A100材料的沖擊韌性要顯著高于另外3種材料，G53的沖擊韌性是最差的；對于厚試件，A100和G50沖擊韌性相近，且顯著高于G53和G54。

平面應變斷裂韌性實驗結果表明，4種高強鋼的平面應變斷裂韌度大小為：A100>G50>G54>G53，斷裂形式均為脆性斷裂。在預置裂紋的情況下，A100的KIC值最大，斷裂所需要的能量要更大，抵抗斷裂能力更強。

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