接近实际服役条件的冲击试验探究

上述冲击试验所得试验结果只能表明材料脆性倾向大小，不能代表结构或机件实际韧脆状态和实际韧脆转变温度。在实验室条件下，能够获得比较真实的冷脆转变行为的方法是断裂力学和断裂韧度方法。为与断裂力学方法平行，还发展了一系列能够良好地表明实际结构冷脆转变行为的工程实用方法。其中，主要的有，从断裂形式转变温度出发的落锤试验（DWT）、从试样冲断吸收能量转变温度出发的动态撕裂试验（DT）和从断口形貌形式转变温度出发的落锤撕裂试验（DWTT）。这些试验中均用了较大尺寸的试样。这些试验主要用于舰船、管道、容器以及其他金属构造物的冷脆转变性质评定。

6.4.4.1 铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验（DWT）与断裂分析图

随着试验温度从低到高，铁素体、珠光体类型的钢板件断裂形式将从宏观上不显示塑性变形的低应力弹性断裂到逐渐显示塑性变形的断裂，以至完全韧性断裂，具体可分为如下四种类型：

（1）低温下完全弹性脆断。这时材料的屈服强度高，断裂时的应力尚不能使材料产生屈服，发生这种破裂的最高温度定义为“无塑性转变温度”EDT（Eil-Ductility Transition）。

（2）起裂部位先经过塑性变形，然后解理起裂，但是裂纹仍然可以延伸到未经过塑性变形的弹性区，即仍然可在应力低于屈服强度的弹性区中传播。这种破裂形式的最高温度叫“弹性断裂转变温度”FTE（Fracture Transition Elastic）。

（3）试验板中心先发生塑性变形，然后解理起裂，并且裂纹只在经过塑性变形的区域中传播，不再扩展到周围的弹性区中去，即不再发生低于屈服应力的脆性开裂。发生这种断裂形式的最高温度叫“塑性断裂转变温度”FTP（Fracture Transition Plastic）。

（4）在出现塑性开裂后，只出现纤维撕裂（剪切）的裂口，裂口上无解理开裂形貌。

EDT、FTE、FTP就成为几种断裂形式的温度界限。为了测定材料的EDT，发展了落锤试验。经验表明，对一般厚度在50mm以下的钢板，EDT与FTE、FTP有一简单关系，即

FTE=EDT+33℃（6-35）

FTP=EDT+67℃（6-36）因此，用落锤试验测定EDT后，即可推知FTE、FTP。

GB/T 6803—2008规定落锤试验是将一定厚度（标准规定厚度为16～25mm）板件加工成试样，在试样宽度中心沿长度方向堆焊一脆性焊道，在焊道中间开一缺口，使试样在承受落锤冲击时，缺口处形成裂纹源。试样形状如图6-71所示，其尺寸见表6-31。

图6-71 落锤试验用试样

表6-31 落锤试验试样尺寸 （单位：mm）

以酒精、氟利昂等作冷却介质，以干冰或液氮作冷源，将试样放在盛有低温介质的容器中降温，到温后，将试样取出放在落锤试验机的试样支座上，将试样冲断。试样支座如图6-72所示。依不同试样型号，试样支座有一定跨距。跨距中间有限制试样弯曲挠度的终止台。终止台的高度要使试样在受冲击挠曲到与终止台接触时，受拉一面的应力恰好达到屈服强度。因此，试样在试验时，如果断裂，则是未经屈服的无塑性断裂，这样得到的最高温度，即为无塑性转变温度EDT。若发生屈服，则试样不断。

测得了EDT后，依式（6-35）和式（6-36）推知材料的FTE和FTP，依EDT、FTE和FTP可建立工作应力、缺陷尺寸和温度三个因素综合作用断裂形式的断裂分析图，如图6-73所示。图6-73的横坐标是温度，纵坐标是外加应力与屈服应力的比，它明确地表示了钢板裂纹起裂、传播和止裂等破坏形式和与之相当的应力水平、缺陷尺寸和温度的条件。建立此图只需知道无塑性转变温度EDT、不同温度下的屈服强度R_eL和抗拉强度R_m，因而比较方便，它在防止不同程度脆性破坏的设计和评价材料方面有重要参考价值。

图6-72 落锤试验机的试样支座

对于厚板（如增大到75mm的板），其转变温度将扩大为

FTE=EDT+72℃ （6-37）

FTP=EDT+94℃ （6-38）(www.xing528.com)

6.4.4.2 动态撕裂试验

GB/T 5482—2007和美国ASTM E604—1983中规定的动态撕裂试验（DT）所用试样及支承情况如图6-74所示。

常用试样尺寸为t×40mm×180mm。试验时，试样承受三点弯曲冲击载荷，支承支座跨距为（165±0.8）mm。试样下表面受拉一方开有缺口，缺口深度使试样韧带尺寸保持（28.5±0.2）mm，缺口先用铣削或线切割方法加工，然后用硬度不低于60HRC的压刀压制缺口顶端。厚度大于16mm的样坯，可以加工成16mm厚的试样；取自板厚为5～16mm的试样，保留原轧制表面。厚度等于或大于25mm的DT试验试样及其制备在标准中专门有规定。

试样在落锤式或摆锤式冲击机上一次冲断，记录试验温度t与冲击能量ΔE，绘成ΔE-t曲线。图6-75所示为R_eL为980MPa的高强度的Ei-Cr-Mo-V钢焊缝金属的CVE和DT的温度曲线，可见其CVE数据分散带很宽，而DT数据集中，转化温度明确。图6-76所示为2.25Cr-1Mo钢经淬火回火处理的CVE和DT温度曲线，从曲线图上看出，CVE转化温区完全在DT转化温区以下，而CVE曲线上平台温度却相当于DT试验的EDT（-20℃）。

图6-73 断裂分析图

图6-74 DT试验的试样与支承

图6-75 一种Ni-Cr-Mo-V钢焊缝金属CVN和DT的温度曲线

6.4.4.3 落锤撕裂试验（DWTT）

落锤撕裂试验是将一定尺寸的板状试样，用工具钢刃形压头在试样一边压出尖锐缺口，以便在冲击时形成裂纹源，冷至不同温度，在摆锤式或落锤式试验机上将试样一次冲断，测量断口上剪切断口所占面积的百分比SA%。测量时，从缺口根部向里，将相当于试样厚度的一段距离的断口表面和缺口对面相当于试样厚度的一段距离的断口表面略去不计。GB/T8363—2007，ASTM E436—2003和APH RP 5L3规定试样及支承砧座和冲击刀刃的形状尺寸如图6-77所示，所得典型断口如图6-78所示。标准中给出了计算SA%的公式和图表。将SA%与试验温度的关系绘成曲线，得出DWTT转化曲线。图6-79所示为某种管道用钢的CVE和DWTT温度曲线的对比，DWTT曲线转化温区明确，曲线很陡，CVE转化曲线平缓，转化温度不明确，且偏低。试验表明50%（体积分数）DWTT剪切面积转化温度约相当于材料的FTE。因DWTT试样宽度很大，远比夏比试样为宽，并在计算剪切面积时，除去了缺口附近的裂纹萌生部分和摆锤接触的影响部分，所以DWTT试验还表明了结

图6-76 2.25Cr-1Mo钢经淬火回火处理的CVN、DT温度曲线

图6-77 落锤撕裂试验的试样、支座及冲击刀刃

图6-78 落锤冲击试验典型断口

图6-79 某种管道用钢的CVN与DWTT温度曲线

构裂纹长程扩展的韧脆转化行为，这是其他试验方法所不具备的。