來源：材料人網(wǎng)

【引言】

作為表征抵抗裂紋擴展能力的性能指標，韌性是材料篩選的重要依據(jù)之一。材料韌性通常采用夏比沖擊試驗來測量，該試驗方法自1940s已被廣泛接受和應用。但試驗結(jié)果受到試樣厚度的嚴重影響，通過夏比沖擊試驗得到的沖擊韌性并非材料的固有特性。這就導致即使通過試驗獲得了沖擊試驗數(shù)據(jù)，仍無法預測服役裝置的機械性能。同時試樣尺寸的限制也影響到試驗的適用范圍和試驗結(jié)果的有效性。因此，有必要消除試樣厚度對試驗結(jié)果的影響，研究出能夠獲得材料固有沖擊韌性的方法。

【成果簡介】

近日，中國科學院金屬研究所張哲峰研究員與屈瑞濤副研究員（共同通訊作者）在Acta Mater.上發(fā)表了一篇題為“Intrinsic impact toughness of relatively high strength alloys”的文章。該研究團隊首先通過理論模型計算，推導出固有沖擊韌性（αc）和沖擊斷裂能（Ak）之間具有線性關系（Ak=αcSt+A0，St為斷面總面積，A0為常數(shù)）。試驗驗證階段選擇T250馬氏體時效鋼（三種熱處理工藝）、ph13-8Mo超高強度鋼、TC4-DT鈦合金和7A85鋁合金，進行標準拉伸試驗和系列試樣厚度的夏比沖擊試驗（除試樣厚度外，按照ASTM-E23標準進行）；為觀察裂紋形成和擴展過程，采用梯度能量進行沖擊試驗；通過體視顯微鏡和掃描電鏡觀察斷面并測量開裂區(qū)面積。通過試驗獲得沖擊斷裂能與斷裂面面積之間的線性關系，并分析了固有沖擊韌性（αc）與常規(guī)沖擊韌性（αk）間的差異。研究結(jié)果表明沖擊斷裂能與斷裂面面積之間線性相關，其斜率即為材料的固有沖擊韌性。

【圖文解讀】

圖1 沖擊斷裂試驗示意圖

(a) 斷裂過程，裂紋沿沖擊載荷方向擴展；

(b) 斷裂面，包括斷裂區(qū)和剪切唇區(qū)。

圖2 試驗合金典型工程應力-應變曲線

黑色曲線為HS（經(jīng)850℃、1h固溶處理+500℃、5h時效處理的T250馬氏體時效鋼）；深藍色曲線為CS（ph13-8Mo超高強度鋼）；淺藍色曲線為MS（經(jīng)850℃、1h固溶處理+600℃、3h時效處理的T250馬氏體時效鋼）；紅色曲線為LS（經(jīng)850℃、1h固溶處理+650℃、3h時效處理的T250馬氏體時效鋼）；綠色曲線為Ti-A（TC4-DT鈦合金）；紫色曲線為Al-A（7A85鋁合金）。

圖3 試驗所得沖擊韌性隨試樣厚度變化

深藍色三角為CS；紅色方塊為LS；淺藍色圓點為MS；綠色菱形為Ti-A；黑色三角為HS；紫色三角為Al-A。

圖4 沖擊斷裂面和側(cè)面的形貌和量化特征

(a)-(e) 不同厚度的MS試樣體視顯微鏡形貌；

(f)-(g) 分別為8-mm厚的HS和LS試樣體視顯微鏡形貌；圖上S和C分別代表斷裂區(qū)和剪切唇區(qū)；

(h) HS、MS、LS三種鋼斷裂面上兩種區(qū)域面積；

(i) 10-mm厚LS、MS、HS試樣的Sc和Ss隨屈服強度變化；

(j)-(n) MS試樣側(cè)面塑性變形區(qū)（剪切唇），紅色虛線框標識塑性區(qū)

域?qū)挾取?/p>

圖5 裂紋萌生區(qū)掃描電鏡形貌及其寬度

(a)-(f) 不同厚度的MS、LS和HS試樣切口根部前斷裂面裂紋萌生區(qū)掃描電鏡形貌；紅色虛線標識裂紋萌生區(qū)大致邊界并標注統(tǒng)計平均寬度；

(g) 厚度方向上距離中心區(qū)域不同距離位置裂紋萌生區(qū)與的測量寬度；為保證數(shù)據(jù)的準確性，僅選擇裂紋萌生區(qū)邊界明顯的位置。

圖6 不同輸入能量下落錘沖擊試驗試樣形貌

(a)-(b)試樣兩側(cè)體視顯微鏡圖像;

(c) 依據(jù)(b)繪制的塑性區(qū)示意圖；因(b)放大倍數(shù)低，存在低估了實際塑性區(qū)域真實尺寸的可能。

圖7 落錘沖擊試驗試樣斷面形貌以及沖擊開裂區(qū)面積與輸入能量關系曲線

(a)-(c) 落錘沖擊試樣經(jīng)熱著色、疲勞使其斷裂后的斷面掃描電鏡形貌；

(d) 沖擊開裂區(qū)面積與輸入能量關系曲線。

圖8 斷裂面面積與沖擊斷裂能線性關系

紅色方塊為LS；淺藍色圓點為MS；黑色三角為HS；深藍色三角為CS；紫色三角為Al-A；綠色菱形為Ti-A。

圖9 固有沖擊韌性（αc）與常規(guī)沖擊韌性（αk）關系

(a) Ak與St之間關系的兩種情況；實線斜率為固有沖擊韌性αc，數(shù)據(jù)點與坐標原點連線的斜率等于該點的常規(guī)沖擊韌性αk；

(b) αk的兩種情況。

圖10 沖擊韌性與拉伸強度關系

紅色實線為αs隨σUTS變化；黑色實線為αc隨σUTS變化；藍色虛線為αc隨σy變化；紫色虛線為αs隨σy變化。