冷弯热轧钢在不同温度条件下的冲击试验研究

在金属结构中, 人们对获得韧性行为感兴趣, 这样就会出现即将失效的征兆或预警。例如, 在钢梁中, 这可能以过度变形的形式出现。这种性能通过材料韧性进行量化, 定义为应力-应变曲线下的区域, 这是与韧性或脆性行为最紧密相关的机械性能。韧性与强度和延性有关。韧性是材料在失效前塑性变形变形的能力, 延性是衡量材料在失败前塑性变形变形量的量度。一种强度高但延性低的材料不难, 就像低强度、高延性的材料不难。为了使材料坚硬, 必须能够吸收高应力和高应变 (延性和强度)。

同样的材料, 一个温和的钢, 例如, 可以表现为韧性或脆性的方式, 取决于 actualmaterial 化学, 加工和加载条件。在性能方面, 至少有 fivemain 驱动程序可以进行此更改:

1. 材料的分子和显微结构, 其晶粒尺寸越细, 就会增加强度并降低延性, 并且存在大量的合金, 如碳, 通常会导致大多数钢材的延性下降。

2. 材料的加工可以导致钢板在轧制方向上的不同韧性, 垂直于它, 并在板材的厚度。后者的方向特别敏感, 因为很难在厚板上形成一致的显微组织。

3. 加载条件 (在3维内加载), 通常会抑制剪切应力的发展。在1和2维载荷下, 通常会遇到产生大剪应力的加载情况, 从而导致大量的屈服和韧性行为。在极限, 对于一个3D 的静水压加载, 没有半径的摩尔的圆圈, 因此没有剪切。在这种情况下, 材料不会屈服, 而是突然失败。

4. 应变率的增加, 导致强度提高, 但变形能力降低。

5. 温度的下降, 可能导致显著的, 韧性下降。有些材料在室温下可能非常韧性, 如果温度明显降低, 可能会变得非常脆。

为了确定材料是否会以脆性或韧性的方式表现, 你通常会进行一次冲击 V 凹槽撞击试验。还有其他类似的测试, 例如 Izod 冲击试验, 这是欧洲最常用的韧性试验。这些测试打算测量小体积材料在受到突然冲击载荷时能吸收的能量。如前所述, 这种能量可以被认为与应力-应变曲线下的区域直接相关。

每一个比对撞击的 V 型切口试样都有标准化的尺寸, 设计、支持和加载, 这样当受到一个标准的一次打击时, 它就会失败。重要的是要记住, 摆锤测量是有关的体积和几何的标本, 因此, 结果是有用的比较材料的相对行为, 而不是他们的绝对值。

为了进行测试, 在一侧 (图 1) 上有一个凹槽的小梁状试样受到从固定高度落下的固定重量锤的冲击 (图 2)。重量通常介于150磅和300磅之间, 可以在不同的高度上下降, 以产生不同数量的能量。V 型凹槽的设计目的是诱导应力集中, 从而显著增加局部应力。当光束被简单地支撑在两边并向下触击中间时, 光束会在张力处弯曲。因此, 这将产生一个裂纹传播通过标本时击中。

图 1:摆锤标本.

图2:摆锤试验机.

从理论上讲, 在锤击前, 假设钟摆是无摩擦的, 那么在锤子的某一高度储存的势能将完全转化为动能。当锤子撞击试样和它的裂缝时, 会消耗一定量的动能。然后, 你可以测量摆在相反方向上的钟摆的摆动程度。从最初的高度和在罢工之后达到的高度的区别, 你可以计算出势能的差异。在这个过程中失去的所有能量都可以被假定为在骨折中的试样吸收。这个值被认为是等于材料的韧性, 或应力-应变曲线下的面积。

许多金属, 特别是以身体为中心的立方 (BCC) 钢, 在温度约为40或 50°的气温下, 表现出了很大的能量吸收下降, 并达到了一个较低的高原约-100°f. 今天暴露的许多结构环境在这个温度范围之内, 因此了解金属失效的温度依赖性是重要的。例如, 在阿拉斯加北部建造一条管道, 温度可以达到非常低的值, 了解金属的温度依赖性失效是很重要的。然而, 大多数以面为中心的立方 (FCC) 钢材, 如不锈钢, 都不受这种温度效应的影响。

理论断裂强度, 又称理想断裂强度, 主要取决于自由表面能和原子距离。理想材料的强度大约是其弹性模量的1/8 到1/10。由于缺陷、空隙、金属夹杂物和/或杂质, 实际的实验断裂强度要低得多。例如, 在一个简单的钢筋负载紧张, 压力被认为是统一的, 除了接近的两端的负载被应用。然而, 随着一个简单的圆形孔的引入, 这些力必须绕着孔流动, 从而造成孔旁边的应力集中。

应力集中的大小与孔半径成正比 (r/w)。随着半径的减小, 应力集中因子急剧增加。然而, 在自然界和人造产品中没有完美的洞;一般情况下, 微观层面会出现锯齿状的边缘, 因此应力集中程度会更高。金属晶格中存在许多缺陷和不足。它靠近这些小的应力集中, 裂缝开始形成, 当加载非常迅速, 这些裂缝将传播, 合并, 最终导致材料失败。

该试验属于断裂力学领域, 涉及一种材料的抗裂纹形成和传播能力的表征。线性弹性断裂力学 (LEFM) 是一种热力学方法, 其中系统的总能量是相等的工作由于施加的负荷加上储存的应变能量加上创造新的裂缝表面所需的能量。在其线性的方式, 它是非常有用的表征脆性材料, 表现有限的可塑性。对 LEFM 的应用有若干限制, 例如在裂纹扩展前存在大量的塑性, 如假假设没有能量通过塑性而丧失。

在对试样和温度值进行重复实验后, 可以绘制吸收能量的温度依赖性, 并清楚地看到上层和下部搁板 (或平坦的水平部分) 的存在。这些货架表明, 有明确的极小值和极大值, 可以达到为给定的材料和加工。主要的兴趣是仔细量化的过渡温度, 以尽量减少风险, 这些都属于结构的运行温度的设计。类似的材料进行不同的热处理和机械处理将显示一些类似的上下货架, 但也在过渡温度的明显变化。将过渡区向左移动将会降低结构的断裂风险;然而, 这需要在处理方面增加大量的费用。

应注意的是, 摆锤试验是有用的表征脆性材料, 这将显示很少延性。在实践中, 对所有类型的材料, 包括非常韧性金属, 都采用了摆锤试验。这种使用是根本不正确的, 因为驱动脆性失效的变形过程与韧性失效的工艺不同。这是不可能得出一个简单的测试, 可用于生产设置, 如锤式一, 为半韧性或韧性材料。因此, 在不久的将来, 摆锤测试很可能会继续流行。

冲击试验, 以锤式和 Izod 试验的形式, 通常用于测量金属材料对脆性断裂的电阻。该试验采用了带有凹槽的小梁试样。横梁是由一个大锤子装载在一个无摩擦的钟摆。这种加载序列的应变速率与产生局部大应力集中的 V 形凹槽的存在相结合, 导致试样的快速裂纹扩展和分裂。

试验确定了材料在压裂过程中所吸收的能量, 比较了试验开始和结束时的势能, 从冲击锤的位置进行了测量。吸收能量的大小取决于小梁试样中材料的体积, 所以结果仅在比较的意义上有效。

断裂力学是所有材料中一个非常重要的研究领域, 因为它提醒我们所有的材料都含有缺陷的形状和尺寸是重要的, 需要在设计中解决应力集中问题。

一个证明温度依赖性的重要性是在第二次世界大战时, 一些自由船和 T-2 油轮字面上分裂一半, 而仍然在港口。对于自由船, 这种故障必须与焊接过程中引起的应力集中有关, 以及由于焊接操作而导致的钢船体脆化, 以及伴随着寒冷的海水温度。

这是许多 ASTM 标准的一部分, 因此, 我们每天都在使用许多产品。一个特别重要的应用是在桥梁设计中, 大多数钢材被指定为通过低温和高温冲击极限 (即, 20 英尺磅在-40°F 和40英尺磅在 80°F)。

断裂能是一种非常重要的物质性质。如果你测试一个无瑕疵的玻璃板与表面能γ_s= 17x10^-5在磅/在² 和 E=10x10⁶ psi, 理论断裂力量将是关于 465,000psi, 给定格里菲斯的等式 (σ_f = (2Eγ_s/πa)^0.5)。如果你引入了一个缺陷, 即使规模小到 0.01in, 到玻璃板, 断裂强度减少三级的数量, 只有 465psi, 这是更像我们看到在现实生活中。

其他温度依赖的应用, 其中一个比对 v 切口测试将是重要的包括测试设备的空间旅行, 其中的温度变化营业额大范围, 以及雪橇设备在南极洲和其他极地地区, 其中气温降到零度以下。