厚板取样部位对低温冲击试验结果的影响探究
2020-05-24宋鸿印贾海伟王勇项美辉马晓云李健
宋鸿印，贾海伟，王勇，项美辉，马晓云，李健
（新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部）
1 前言
金属材料在使用过程中要求有足够的强度、塑性和韧性。金属材料的韧性是材料在塑性变形、弹性变形和断裂的过程中吸收能量的能力。韧性好的材料在服役条件下不至于突然发生脆性断裂，从而保障在使用过程中的安全性。
夏比冲击试验方法是检测产品力学性能的重要手段之一，冲击试验在检验材料质量内部缺陷，脆性转变和热处理等方面比其它力学性能试验更加敏感，因而广泛用于评定金属材料在冲击载荷下的韧脆特性[1-3]。由于金属材料的冲击性能对材料的内部组织结构、宏观缺陷及试验条件都很敏感，所以影响夏比冲击试验结果因素很多，文章主要研究了在厚度方向不同取样部位对低温冲击试验的影响。
2 试验方法
2.1 冲击试验原理
冲击试验是利用能量守恒原理用摆锤冲击试样，而试样冲击吸收的能量就是摆锤试验前后的势能差[4]，如图1所示。试验时，将材料按要求加工成规定形状的试样置于A处，把摆锤置于H处，自由落下，用摆锤打击试样。
图1 冲击试验原理图
2.2 材料与试验
试验材料为H60mm 厚的Q355NE 和H50mm厚的Q345qE 钢板，按照GB/T2975-2018 中要求，钢板宽度1/4处截取中样坯，在中样坯上制取55mm×10mm×10mm 的V 型缺口试样，在平行于轧制方向（纵向）取样，取样位置分别在板厚1/2处、1/3处、1/4处、1/5处、1/6处和1/8处。每个取样位置处制备3个冲击样，试验结果取平均值，采用GB/T 229-2007 标准中的方法，在-40℃低温下用NI500F全自动冲击试验机进行冲击试验。
用DMI5000M 倒置式光学显微镜对取样钢板的金相组织和夹杂物含量进行观察和分析，利用光谱分析方法检测取样钢板的化学成分。
3 结果与分析
对选用的材料Q345qE 钢板、Q355NE 钢板的试样分别编号为1、2，试样1、试样2 分别有6 组试样，对试样的化学成分、力学性能、不同取样部位的冲击结果、金相组织及夹杂物进行试验分析。
3.1 化学成分分析
取样钢板（Q345qE、Q355NE）的化学成分见表1，符合GB/T714-2015、GB/T1591-2018 标准的相关要求。
表1 试验用钢的化学成分（质量分数） %
3.2 力学性能测试分析
取样钢板（Q345qE、Q355NE）力学性能（表2）符合GB/T714-2015、GB/T1591-2018 标准相关要求。
表2 试验材料力学性能
3.3 不同部位处冲击结果分析
不同取样部位处冲击试验所得试样的冲击结果见表3，以表3 中1/4处的Akv 均值为基准，计算出其余取样部位处Akv 均值与1/4处Akv 均值的增减百分比，见表4，由表3 中Akv 均值绘制出冲击结果随着厚度方向取样部位变化的曲线。
表3 不同取样部位处冲击值Akv
表4 样板1/4处Akv 均值的增减百分比 %
图2 冲击结果随着取样部位变化的曲线图
以1/4处的Akv 均值为基准，根据表3、表4 和图2 可知：试样1 在板厚1/8处、1/6处、1/5处、1/3处、1/2处出取样，其Akv 均值分别比1/4处高36J、高29J、高24J、低22J、低68J；试样2 在板厚1/8处、1/6处、1/5处、1/3处、1/2处出取样，其Akv 均值分别比1/4处高17J、高11J、高16J、低22J、低89J。以百分比表示，试样1 其他取样部位分别比1/4处高20%、高16%、高13%、低12%、低37%；试样2 其他取样部位分别比1/4处高17%、高11%、高16%、低22%、低90%。结合以上数据，随着取样位置从钢板表层到芯部的变化过程中，钢板的冲击值从高到低逐渐递减。
3.4 夹杂物及金相组织分析
试样1 和试样2 的夹杂物评级和金相组织见表5。图3、4、5 分别为试样1、2 的1/2、1/4、1/8处的金相组织。
表5 取样钢板的金相分析
图3 试样1 和试样2 的1/2处金相组织图
图4 试样1 和试样2 的1/4处金相组织图
图5 试样1 和试样2 的1/8处金相组织图
由于钢板在冷热变形加工的过程中，变形量处处不会均匀，金属材料内部金属组织和各种缺陷的分布也不均匀[5]。钢板在轧制的过程中，一般要经过控冷处理，在钢板上下表面同时用冷却水处理，表面降温速度大于中部，所以钢板表层组织要比芯部更细小，即钢板表层到芯部晶粒逐渐变细小[6]。在钢板轧制的过程中，其中心温度一直高于表层温度，在轧制与冷却的过程中由于表层温度的减小阻止了晶粒长大，而钢板中心温度大于表层，晶粒长大的速度要大于表层，所以钢板的中心晶粒大于表层晶粒[7]。钢板从表层到中心部位的晶粒度结果如表6所示。
表6 钢板表层到中心部位晶粒度的大小
通过金相分析发现，试验所得冲击的变化与晶粒度有一定相关性，随着钢板表层到芯部晶粒度逐渐减小，冲击值也随着降低，材料芯部韧性变差。
4 结论
（1）金属材料冲击试验结果的影响因素较多，以Q345qE 和Q355E 厚板材料为研究对象，研究在厚度方向不同取样部位对厚板低温冲击的影响趋势。其结果表明随着取样位置从钢板表层到芯部的变化过程中，冲击值从高逐渐降低，芯部冲击韧性最差。
（2）依据金相组织分析可知，钢板表层到芯部晶粒度逐渐减小，冲击值也随着降低，说明晶粒度的大小对材料的冲击结果有影响。
