摘要：通过冲击试验和扫描电镜分析，研究了试样长度对U165和Q275结构钢夏比摆在一定温度下冲击能量吸收的影响。 结果表明，相对较薄的样品，冲击载荷没有出现突然下降，但样品长度为20 mm的Q275钢，冲击载荷突然下降高达80%以上； 当试样长度≤10mm时，冲击吸收功随试样长度的增加而增大。 长度总体减少量呈线性变化，但不同材料的冲击吸收能随长度变化的比例系数存在显着差异； 当样品长度>10mm时，冲击吸收能随着长度减小而偏离线性规律； 据报道，随着长度的减小，不同材料的冲击吸收功增量和断裂形貌明显不同，这是由于材料的冲击硬度和冲击断裂机理不同所致。 对于长度不满足标准试件要求的材料，可以通过测试不同长度的非标准试件，然后利用拟合公式来估算标准试件的冲击吸收功。
关键词：结构钢； 冲击吸收能量； 标本长度； 断口形貌
CLC 编号：TG113.25+4 文件代码：A 文章编号：1001-4012(2022)07-0018-05
钢材的硬度、韧性等热性能被视为判断材料结构安全性的重要指标。 冲击硬度可以反映材料在受到冲击载荷时抵抗破裂的能力，明确材料变脆的倾向，在工程实践中具有重要意义。
材料的冲击硬度与其显微组织和使用环境密切相关，主要包括晶界规格[1]、第二相颗粒浓度及分布[2]、工件规格[3-4]以及材料的热处理方法等。加工[5 -6]和温度[7-8]，其中型腔规格对钢的延展性和硬度测量结果有显着影响[9-10]。 研究结果表明，当试件具有较大截面时，常表现出韧性断裂； 当试样的横截面较小时，容易出现硬度断裂。 这是由于标本规格不同造成的。 不同的偏转状态，型腔的宽度和长度对材料的塑性和硬度影响相对较小，因此规格一般参考型腔的长度[9]。
在实际应用中，很多材料规格较小，无法满足GB/T229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》和GB/-2005《钢铁材料夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验》的要求《方法》和GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》对冲击试样规格有要求，如许多新型纳米结构金属、金属玻璃、石油钻井工具中使用的超高硬度钢种V150、U165。冲击试件很难达到标准规格[10-11]，研究不同长度试件冲击吸收能与标准试件的相关性对于工程材料的选择和设计、保证材料的安全使用具有重要意义。
1测试材料和技术
试验材料为超高硬度钻削工具钢U165和普通正火钢Q275。 还引用了文献[3]中20种钢的数据。 对U165钢和Q275钢的试验结果进行了对比分析。 三种钢的热性能如下表1所示，共有三个夏比V型缺口试样和平行试样。 根据GB/T229-2020，U165钢级钻具由于型材壁厚限制，无法获得长度为10mm的标准试件。 冲击试样采用厚度为2.5、5、7.5mm的小尺寸试样。 其他尺寸规格长度不变，长度为55mm，长度为10mm； Q275钢的原材料为板材，冲击试样不仅是长度为2.5、5、7.5mm的小尺寸试样和长度为10mm的标准尺寸试样，而且长度分别减小。 为15、20毫米的补充样品，其他尺寸不变。 采用数显冲击试验机进行冲击试验，采用JSM-6390型扫描电子显微镜（SEM）对断口表面进行观察分析。 据悉，GB/T700-2006《碳素结构钢》要求Q275钢试样厚度为10、7.5、5mm的冲击吸收功值分别不高于27、20、13.5J。 U165钢属于超高硬度钻削工具钢牌号，相关标准仍在起草中。
2 测试结果与分析
2.1 微观结构分析
U165钢显微组织的碳化物尺寸非常小，在光学显微镜下难以识别[见图1a)]。 通过SEM将显微组织放大至10000倍，确定为调质屈氏体[见图1b)]，这种组织通常具有良好的综合性能。 图1c)显示了Q275钢的显微组织。 深色的是碳化物，蓝色的是铁素体。 铁素体含量（体积分数）约为80%。 使用SEM将微观结构放大至10,000倍。 ，可以观察到碳化物、深色铁素体和黑色氮化物以层状交替分布[见图1d)]。
2.2 试样长度对位移-载荷曲线的影响
试样长度t对结构钢的冲击吸收能有显着影响。 U165钢和Q275钢在不同长度下的位移-载荷曲线如图2所示。从图2a)可以看出，对于U165钢，当载荷达到最大值时，t=2.5的试样的载荷mm随着摆锤位移的减小而均匀增大； 当t=5mm时，样品上突然出现载荷。 下降，如图2a)中A点所示，载荷突然从10849.7N下降到10157.4N； 当t=7.5mm时，载荷下降较快，载荷从15100.6N突然下降到10665.6N，如图2a）B点所示。载荷的突然下降意味着冲击裂纹迅速扩展，即裂纹后端的塑性变形不能缓解裂纹尖端的挠度集中钢材塑性变形，裂纹的发生大大减少； 由于裂纹沿晶面扩展，很少发生塑性变形，因此宏观表现为解理断裂。 消耗更少的能量。 从图2b)可以看出，Q275钢试样的厚度与U165钢的厚度变化趋势相似，即t=2.5mm的试样没有出现载荷突然下降的情况。 当t=20mm时，载荷突然从28755.6N下降到4610.9N。 ，突降率达到最大负载的80%以上。
2.3 试样长度对冲击吸收能的影响
冲击吸收能是评价材料硬度的重要指标，它表征材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形能和断裂能的能力。 图3为超高硬度钢U165、普通结构钢Q275和20钢的冲击吸收能随试件长度减小的变化。 从图3可以看出，当t≤10mm时，冲击吸收功一般随试样长度的减小呈线性增加趋势，但当t>10mm时，不再线性变化； 还可以看出，对于同一材料，样品长度减少的倍数与冲击吸收能减少的倍数并不相同。 例如，当超高硬度钢U165样品的长度减少1倍时，冲击吸收能量减少近3倍。 这是由于U165钢的长度减少所致。 除了能够承受更高的载荷和更充分的变形外，预制的V形缺口会整体脱落，相应的位移会明显滞后（相对于同材料的较薄试件）。 因此，在较高的负载下钢材塑性变形，可以消耗更多的能量； 同时还发现，虽然三种钢材的力学性能不同，但在相对较小长度下，三种钢材的冲击能量吸收没有显着差异。 这是因为样品的长度决定了材料的挠曲状态。 当试件长度较小时，试件上的应力更倾向于平面偏转状态，试件右侧更容易自由收缩，因此更容易发生塑性变形。 与长度较大的试件相比，薄试件的塑性变形能影响更大，导致不同材料吸收的冲击能差异不大。 当试件长度较大时，由于不同材料的断裂硬度不同，长度对挠度状态的影响会越来越明显[12]。
由于U165钢比Q275钢具有更好的冲击硬度和更高的屈服硬度，因此具有更好的断裂硬度。 U165钢和Q275钢试样不同长度的冲击断口形貌如图4和图5所示。从图4和图5可以看出，与断裂硬度较好的U165钢相比，断裂硬度较差的Q275钢试样相同厚度下（t=7.5mm）更容易呈现平面偏转状态； 当t=2.5mm时，U165钢和Q275钢的宏观断口形貌仅存在纤维区和剪切唇区，微观断口形貌呈现较为均匀的韧窝； 当t=5mm时，U165钢断口为硬度断口，宏观形貌仅在纤维区和剪切唇区，微观形貌为韧窝，但大小不一，分布不均匀，而Q275钢的断口呈放射状，微观形貌为解理断口，有的解理面超过60μm。 与图1c)中Q275钢的碳化物规格有对应关系； 当t=7.5mm时，U165钢只有一小部分解理断裂，而Q275钢几乎完全解理断裂，且U165钢的解理面比Q275钢更小，比Q275钢大1/5。 这是因为U165钢的显微组织为调质索氏体，不存在大片的铁素体和晶界碳化物，而是由均匀分布在铁素体碳化物上的极细小的氮化物颗粒组成[13]。
通过以上分析可以看出，标准样品与不同规格样品的冲击吸收功具有显着的规格相关性，但不能根据样品的长度来估算。 根据图3所示数据进行线性拟合，U165钢、20钢和Q275钢的冲击吸收能量计算公式分别如式（1）~（3）所示。
式中：CVN,t为试样长度为t（t≤10mm）时吸收的夏比冲击功。
由式（1）至（3）可知，每种材料的长度与冲击吸收功之间的相关系数是不同的，该系数由材料的显微组织、晶粒尺寸等内在特性决定。 定量分析比较困难，但可以通过测定不同规格、非标准长度的样品的冲击吸收能，也避免了传统按比例计算冲击吸收能误差较大的缺点。 例如，根据式（1），U165钢标准样品的冲击吸收能为138.5J。
3 推论
(1)随着试样长度的减小，冲击载荷的突变现象越来越明显。 对于比较薄的样品，几乎没有冲击载荷突然下降，但对于样品长度为20毫米的Q275钢，冲击载荷突然下降高达80％以上。
(2)当试样长度≤10mm时，冲击吸收功随试样长度的减小而线性变化，不同材料的冲击吸收功随长度变化的线性系数明显不同。 当试样长度>10mm时，随着长度减小，冲击吸收能偏离线性规律。
(3)随着长度减小，不同材料的冲击吸收能量增量和断裂形貌变化不同。 这一方面是由于不同材料的热性能不同，另一方面是由于样品的厚度不同。 受力状态的不同导致其破裂机制不同。
参考：
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