至德钢业双相不锈钢的冲击实验分析报告

  由于双相不锈钢材料经常用于低温环境，容易发生脆性断裂，然而材料的脆性断裂是一种突然的快速断裂，会造成严重的事故，因此必须防止它的发生。冲击实验是综合应用较高地冲击速度和试样缺口的应力集中，来测定金属从变形到断裂所消耗的冲击能量的大小，即韧性的高低。为了测定低温工作条件下热轧双相钢的冲击韧性，浙江至德钢业有限公司对热轧双相不锈钢进行了低温环境下的冲击实验。

一、金属材料的冲击韧性

   韧性是指材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。工业上通常采用冲击韧性作为材料的韧性指标。冲击韧性虽然没有明确的物理意义，但是它在检验材料脆化趋势、检验工艺质量、材料的内部缺陷等方面具有重要的意义。

   金属材料的组织结构、内部缺陷、晶粒大小以及第二相的存在状况等等对冲击韧性的影响十分显著。材料内部存在偏析、气泡、白点、过烧、魏氏组织、第二相的不均匀分布以及带状组织者将使冲击韧性降低；并且细小而均匀的晶粒将提高冲击韧性，反之韧性就低；各种内应力的存在也将降低冲击韧性。冲击韧性基本上是关于强度与塑性的函数，若材料的强度和塑性都高，则该材料的冲击韧性也高，反之就低。

   1. 冲击载荷的力学特征和能量性质

   冲击载荷是指作用力在极短的时间内有着很大变化幅度的载荷。由于载荷变化率很大，构成了冲击载荷的力学特点，出现了应力波的传播。这是因为物体在急剧变化的载荷作用之下，它的应变不再是整体上的均匀应变。

   冲击载荷的另一个特征就是它可以表现为能量载荷的性质，它首先表现在冲击应力的大小与零件形状和尺寸有关。在冲击载荷作用下，冲击应力大小不仅与断面积大小有关，还与零件的形状、体积有关。如果零件在实验过程中无断面变化，则冲击功被零件均匀吸收，从而在整个零件的内部，应力和应变也是均匀分布的。这种情况下，零件体积越大，单位体积吸收的能量越小，零件内部应力和应变也就越小。但是如果零件断面尺寸变化，则冲击功在零件内部的分布是不均匀的，小断面处单位体积内吸收的冲击功较多，从而使得该处的应力和应变值增大。

   2. 缺口冲击韧性实验

   最初一次摆锤冲击韧性实验所采用的试样并不开缺口，结果使得一些韧度高的试样常常不冲断，为此在后来的一些试样上开一些缺口，这样冲击能量和塑性变形就会在缺口附近不大的体积内集中，增大材料脆化的趋势。由于在试样安置上进行弯曲实验比拉伸实验方便得多，使得目前生产上广泛地采用了一次摆锤冲击弯曲实验。

   冲击实验是将一定总量的摆锤举高至一定高度，使其获得一定的重力势能，然后将摆锤释放，在摆锤落至最低位置将试样冲断。在此过程中，摆锤在冲断试样时所做的功称为冲击功，以At表示。

  冲击实验有两种加载方式：横梁式和悬梁式。目前普遍采用横梁式，横梁式冲击试样以夏式Ｖ型缺口、锁孔型缺口和梅氏Ｕ型缺口三种应用最为广泛。

 3. 冲击韧性的意义

   由于试样断裂所消耗的能量并不是沿缺口最小界面均匀地消耗，而是被缺口截面附近体积所吸收，并且在此体积内，各个质点所吸收的能量也是不一样的，因此“冲击韧性”不能代表材料抵抗冲击载荷的能力，而是代表在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷速度共同作用下的脆化趋势及其程度，或者说对缺口的敏感度。实际上，材料的脆化趋势主要是由缺口引起的，冲击只是在由缺口的场合上，起了一些作用而己（这主要是由于冲击载荷下可使缺口周围区域产生塑性变形，从而使应力集中松弛的时间较短，因此产生脆性断裂的倾向增大）。因此，由缺口冲击弯曲实验所得的实验值应称为冲击值更为确切，它主要反映了材料的缺口敏感性。

   冲击值是由弹性功、塑性功和撕裂功三部分组成，对于不同的金属材料，其冲击值可能相同，但是它们的弹性功、塑性功和撕裂功却可能相差很大。若弹性功所占比例很大，塑性功小，撕裂功几乎为零，则表明材料断裂前塑性变形很小，裂纹一旦形成就立即扩展直至断裂，断口必然呈放射状甚至呈结晶状脆性断口。反之，如果塑性功所占比例大，裂纹扩展的撕裂功也大，则断口将呈纤维状为主的韧性断口。由此可见，冲击值的大小不能直接反映材料韧性或脆性的性质，实际上只有其中的塑性功，特别是撕裂功的大小才能真正地显示材料韧性的性质。综上所述，冲击功代表了指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同作用下的脆化趋势及其程度的度量。

二、冲击实验方案的确定

 为了确定不同工艺参数对热轧双相不锈钢冲击性能的影响，浙江至德钢业有限公司对各组不同工艺所对应的钢板进行了采样，按照国家标准加工成标准的冲击试样进行了冲击实验，具体实验方案如下：

 本实验采用夏比冲击试样进行实验，试样选自板材中心部位，分别取横向和纵向冲击试样，按API标准采用厚度试样，试样尺寸为5mm×10mm×55ｍｍ，加工试样时保留了原板的一面（仅为磨光），450Ｖ型缺口深2ｍｍ，实验温度为-20℃。