不同碳含量對HSLA鋼的缺口敏感性的影響

張冰洋，劉智良

（中煤張家口煤礦機械責任有限公司，河北 張家口 076025）

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料由ARL-4460直讀光譜儀測得的化學成分如表1，試樣全部取自兩塊20 mm厚的鋼板，按照GB 712—2011于橫向1/4位置取樣。平板拉伸試樣采用150 mm×35 mm×4 mm，缺口拉伸試樣采用450的“V”形缺口，缺口深度2 mm的雙邊缺口試樣。金相試樣觀察與拉伸試樣平行的面。拉伸試樣取樣位置及具體尺寸如圖1。

表1 試驗鋼種主要化學成分 %

熱處理試驗在KSYD-6.3-16型箱式電阻爐型電阻爐中進行，淬火溫度工藝參數參考熱處理手冊[13]相同鋼號，淬火工藝：1號鋼880℃×10 min；2號鋼9000℃×10 min，水冷且淬火后水溫無明顯變化。回火工藝：500℃×90 min，出爐空冷，熱處理工藝曲線如圖2。

根據GB/T 228.1—2010在WDW-200型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min。蔡司光學顯微鏡和JCM-6000掃描電鏡進行組織和斷口綜合分析。

2 試驗結果及討論

2.1 拉伸試驗結果及分析

拉伸的力學性能如表2，拉伸曲線如圖3。試驗鋼的缺口敏感性用RNS（notch sensitivity ratio）表示。

表2 拉伸試驗的試驗結果

式中：Rmn為缺口試樣的抗拉強度；Rm為光滑試樣的抗拉強度。

脆性材料在缺口處尚未發生塑性變形就已發生脆性斷裂,則RNS小于1；塑性材料于缺口處可能發生塑性變形，RNS小于1。RNS比值在1附近時，材料對缺口不敏感。RNS比值越大，缺口敏感性越小。計算結果為：1號鋼的RNS≈1.33大于2號鋼的RNS≈1.24。則低碳微合金鋼隨著含碳量的增加及抗拉強度升高，缺口敏感性增加。錢友榮等的研究指出應力集中系數Kt=2.203～3.655范圍，RNS=1.056～1.139范圍。則本實驗含碳量變化為引起的RNS值變化大于錢友榮等研究的應力集中系數變化引起的RNS值變化。含碳變化對RNS變化影響明顯。

由圖3可知帶缺口試樣的塑性變形很少，應力在在試樣截面分布改變，在缺口處產生應力集中，應力增大，抗拉強度增大。由缺口尺寸確定應力集中系[16]數：

圖3 應變分布曲線

式中：a為缺口深度，b為缺口底角圓弧半徑。

由式（2）得：Kt≈2.27。

由應力集中系數Kt表示的應力集中程度得：

式中：Rmax為缺口頂端的最大應力；R為平均應力。

由拉伸時的最大力計算平均應力：

結合式（3）和式（4）得1（缺口）和2（缺口）鋼在缺口處的最大應力Rmax分別為2083.38 MPa和1885.3 MPa。塑性材料在缺口處的應力根據屈雷斯加判據SⅡ=Ry-Rx=Rp,Rx=0。缺口根部屈服時Ry達到Rp；在缺口內側，Rx≠0，要滿足SⅡ判據，必須增加拉伸方向應力Ry。在距缺口一定距離x處，X（寬度方向）、Y（拉伸方向）、Z（厚度方向），應力Rx、Rz、Ry達到最大，即在x處真應力最大。同時在距缺口一定距離x處，形成了三向應力，產生了“缺口強化”現象。

2.2 微觀組織分析

圖4中4-1、4-3為1號鋼，4-2、4-4為2號鋼。1與2號鋼的組織均主要為回火托氏體，少量回火索氏體。大部分a相仍保持針狀及條片狀形態（BF）；

圖4-1、4-2中的區域1與2，A相條片狀消失，形成鐵素體晶粒多邊形化，碳化物由細條狀或短棒狀變為顆粒狀。由圖4-1、4-2可知，1號與2號鋼的M/A島呈細條狀或點狀彌散分布，二者M/A島的形狀及大小無明顯區別。由圖4-3、4-4觀察，圖4-3的M/A島的數量比圖4-2的體積分數多，在M/A島的形狀及大小無明顯變化的情況下，低碳微合金鋼的抗拉強度隨M/A島數量的增加而提高。所以1號鋼的抗拉強度高于2號鋼。

圖4 1與2號鋼的光學和掃描顯微組織

2.3 斷口分析

圖5為光滑試樣與帶缺口試樣沿厚度方向的斷口宏觀示意圖。

圖5 光滑試樣與帶缺口試樣沿厚度方向的斷口宏觀示意圖

光滑試樣的斷口為典型的韌性斷口：纖維區、放射區、剪切區。缺口試樣與拉伸方向呈45°夾角。

拉伸時，由缺口處向里應力集中逐漸增大，當臨界正應力達到細觀解理應力，由裂紋萌生時的帶有韌窩的斷口變為解理斷口。

下頁圖6的6-1,6-2分別為1號鋼的光滑試樣和缺口試樣的宏觀放大斷口，6-3,6-4分別為2號鋼的光滑試樣和缺口試樣的宏觀放大斷口。

由圖6觀察可知，6-1,6-3光滑試樣都發生了明顯的縮頸現象，6-1,6-3光滑試樣的宏觀斷口為典型的韌性斷口，可以觀察到明顯放射線花樣的放射區、光滑的剪切區。6-2,6-4帶缺口試樣宏觀斷口為光滑平坦解理斷口,6-2具有“人字形”花樣，且人字形尖端逆指向缺口處；6-4具有“放射狀”花樣，放射花樣的收斂處指向缺口。在加載速度、試樣形狀等條件相當時，“人字紋”越明顯，材料的脆性越大。則說明在1號鋼含碳量高于2號鋼的情況下，1號帶缺口鋼的脆性大于2號帶缺口鋼。王國珍等研究指出缺口試樣的解理斷裂主要由正應力大于屈服應力所控制，由缺口處的應力滿足屈雷斯加判據SⅡ=Ry-Rx=Rp，知沿拉伸方向正應力Ry大于屈服應力Rp。雖然1與2號鋼經調質處理，雖然具有較高的塑韌性，但在拉伸帶有雙邊缺口試樣的過程中，仍變為塑韌性較差的解理斷口。

圖6 1號與2號鋼的宏觀放大形貌

圖7中7-1與7-3為1號與2號的光滑試樣，微觀為較大的等軸韌窩或拉長撕裂韌窩；在剪切區光滑平坦，仍具有拉長的韌窩。由于1號強度高于2號，所以在1號剪切區比2號光滑。7-2與7-4為1號與2號的缺口試樣，宏觀放射區微觀為準解理斷口與舌狀花樣；靠近缺口處為纖維狀斷口具有等軸韌窩。舌狀花樣為解理斷口。準解理斷口是韌窩斷裂與解理斷裂的一種過渡方式，具有少量塑變。在拉伸缺口試樣過程中，沿45°方向剪切力最大，在缺口處形成三向應力，同時強度升高，塑性下降。在缺口處纖維裂紋尖端近似于尖銳缺口，應力集中達到解理臨界事件，發生由韌性斷裂向脆性解理的轉變-準解理斷口。隨著裂紋擴展速率增大，塑性下降迅速，出現舌狀花樣。

圖7 1號與2號鋼的微觀形貌

3 結論

1）低碳微合金鋼隨著含碳量的升高，缺口敏感性變化明顯。由于缺口樣在缺口處產生高度的三向應力集中，產生缺口“缺口強化”。導致缺口試樣抗拉強度大于光滑試樣，塑性降低。

2）經熱處理工藝后，1與2號鋼均為回火托氏體組織。含碳量高的1號鋼的M/A島數量多于1號鋼，由M/A島的數量決定1號鋼的強度大于2號鋼。

3）1號與2號鋼的光滑試樣為典型的韌性斷口。微觀為等軸韌窩及撕裂韌窩。缺口試樣均變為解理斷口，1（缺口）宏觀為“人字形”花樣，2（缺口）宏觀為“放射狀”花樣；微觀為準解理斷口與舌狀花樣。