斷裂韌性是衡量產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)，韌性不好的材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程。斷裂韌性一直是管線鋼生產(chǎn)中考核的重要指標(biāo)，測(cè)量鋼材韌性的試驗(yàn)方法通常是采用夏比沖擊試驗(yàn)，通過擺錘對(duì)V形缺口的試樣進(jìn)行沖擊，然后以擺錘在沖擊試樣后的能量損失來衡量鋼材韌性的好壞。有研究認(rèn)為，由于夏比沖擊試樣尺寸小，會(huì)造成尺寸效應(yīng)，特別在低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，不足以保障裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，同時(shí)試樣沖擊吸收能量主要作用在裂紋的形成階段，而造成測(cè)的是低溫啟裂韌性。因此，采用較大尺寸的落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)能更為客觀地反映金屬材料的止裂韌性，但是當(dāng)前落錘撕裂試驗(yàn)只從斷口形貌上對(duì)材料的韌性進(jìn)行判斷，而不能反映具體的沖擊吸收能量。

     為此，來自本溪鋼鐵(集團(tuán))技術(shù)研究院的郭曉靜、蘇崇濤兩位研究人員對(duì)幾個(gè)不同牌號(hào)的管線鋼試樣進(jìn)行了常溫?cái)[錘沖擊試驗(yàn)，通過對(duì)沖擊試驗(yàn)后材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與沖擊吸收能量值的觀察和比較，來了解材料自身性能及微觀組織形態(tài)如何對(duì)材料的韌性造成影響。

1 試驗(yàn)方法

      將X46、X56、X70、X80管線鋼制作成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，在常溫20℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊能量為600J。

      試樣沖擊完成后在斷裂試樣中心采用線切割將試樣截取、制備成金相試樣，在顯微鏡下對(duì)基體和斷口部位的非金屬夾雜物、顯微組織形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

      各試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1，金相檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 管線鋼試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 管線鋼試樣沖擊斷口的金相檢驗(yàn)結(jié)果

     試樣中的非金屬夾雜物形貌大體一致，略有差異，X46鋼中的夾雜物主要為帶狀氧化物夾雜、少量的條狀硫化物和少量D類球狀氧化物夾雜，而其他3種鋼中夾雜主要為D類球狀氧化物夾雜，如圖1所示。

圖1 管線鋼試樣中的非金屬夾雜物形貌

     管線鋼采用控軋控冷工藝進(jìn)行生產(chǎn)，為低碳微合金化鋼。該鋼種的碳含量低，因冷卻速率快，組織轉(zhuǎn)變?cè)谪愂象w形成溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，且在微合金作用下，形成的顯微組織表現(xiàn)出一些特殊的組織形態(tài)特征。管線鋼顯微組織按形貌分為多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、貝氏體鐵素體和針狀鐵素體等。不同管線鋼試樣的顯微組織形貌如圖2所示。

圖2 管線鋼試樣的顯微組織形貌

2.2 分析與討論

2.2.1 沖擊吸收能量的組成

     擺錘沖擊試驗(yàn)是用沖擊吸收能量反映材料沖擊韌性的好壞，在擺錘沖擊載荷下，受沖擊的試樣通過自身產(chǎn)生變形和斷裂來吸收擺錘沖擊勢(shì)能，吸收的勢(shì)能即為沖擊吸收能量，這也反映了材料自身沖擊韌性的好壞。儀器化沖擊是常規(guī)夏比沖擊定量化發(fā)展的質(zhì)的飛躍，如果將傳統(tǒng)試驗(yàn)得到的沖擊吸收能量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為力對(duì)位移的積分曲線，縱坐標(biāo)為刀刃打擊試樣過程中力的變化，橫坐標(biāo)則是刀刃與試樣打擊點(diǎn)行進(jìn)的位移，就得到了儀器化沖擊曲線，直觀地揭示了裂紋形成與擴(kuò)展在夏比沖擊吸收能量的占比，有助于分析材料的啟裂與止裂行為。

圖3 典型沖擊試樣力-位移示意圖

      圖3為典型的位移與沖擊力分布的示意圖，試樣從受力變形到斷裂可以分為以下幾個(gè)部分：We為彈性變形階段所產(chǎn)生的功，產(chǎn)生于試樣彈性變形階段，為可回復(fù)的階段；Wd是塑性變形功產(chǎn)生的階段，此階段試樣產(chǎn)生的變形為不可回復(fù)的塑性變形；Wp1為裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，為裂紋萌生階段；Wp2為裂紋剩余擴(kuò)展階段；Wp3為裂紋撕裂擴(kuò)展階段。

     以裂紋的產(chǎn)生點(diǎn)為分界，則可以將沖擊吸收能量分為裂紋產(chǎn)生前變形所吸收的能量和裂紋吸收能量進(jìn)而造成的裂紋擴(kuò)展兩部分。沖擊吸收能量與材料所能承受的最大拉應(yīng)力和材料均勻塑性變形能力關(guān)系更為密切，抗拉強(qiáng)度與均勻塑性變形能力越好則沖擊韌性越好，在同等抗拉強(qiáng)度下，屈強(qiáng)比越低，均勻延伸率高，韌性越好，反過來，則越差。在當(dāng)前檢測(cè)的幾個(gè)鋼種中，由于當(dāng)前試驗(yàn)條件中，儀器化示波試驗(yàn)條件缺乏，無法得到各區(qū)域的吸收能量，因此只能從總的吸收能量上去作比較。X46、X56、X70鋼試樣的沖擊吸收能量隨著抗拉強(qiáng)度的增大而增大，但是X80鋼試樣屈強(qiáng)比略大、延伸率較低，雖然強(qiáng)度較高，但是韌性卻較X70鋼試樣要低。在裂紋生成及擴(kuò)展階段所能吸收的沖擊能量上，除了自身的力學(xué)性能外，由于此時(shí)處于裂紋生成擴(kuò)展的非穩(wěn)定狀態(tài)，需要結(jié)合材料內(nèi)部質(zhì)量、裂紋生成的難易程度及裂紋的擴(kuò)展情況來進(jìn)行分析。

2.2.2 鋼中非金屬夾雜物在沖擊過程中的表現(xiàn)

     對(duì)于一個(gè)材料來說，如何避免在沖擊中出現(xiàn)裂紋，使裂紋出現(xiàn)的幾率變小是提高沖擊韌性的關(guān)鍵，也就要求材料內(nèi)部缺陷越少越好，但是材料內(nèi)部不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，如夾雜、偏析、縮孔等，這些缺陷部位與周圍基體的物理性能不一致，在受到?jīng)_擊的作用下，很容易在缺陷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，充當(dāng)裂紋源，促進(jìn)開裂，夾雜物的數(shù)量及形態(tài)都會(huì)對(duì)沖擊吸收能量造成影響。

圖4 管線鋼試樣沖擊斷口的微觀形貌

     圖4為試樣沖擊斷口處非金屬夾雜物的微觀形貌。可見在斷口附近出現(xiàn)了一些小裂紋和微孔狀缺陷，這些裂紋里還殘留有部分的非金屬夾雜物，表明了試樣中的夾雜物在沖擊應(yīng)力作用下，局部發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生了變形，進(jìn)而碎裂后形成孔洞，形成裂紋并發(fā)生擴(kuò)展。

     不同的夾雜物在斷口附近的表現(xiàn)是不同的，X46鋼中有少量的條狀硫化物、帶狀氧化物和球狀氧化物分布，其他試樣基體中大部分為球狀的氧化物夾雜。條狀?yuàn)A雜物部位形成多條條狀微裂紋，而在臨近斷口部位點(diǎn)狀氧化物夾雜處則形成孔洞狀或者棒狀的缺陷，缺陷末端較鈍，呈圓弧狀。從不同夾雜物產(chǎn)生裂紋的長(zhǎng)短程度來比較，條帶狀?yuàn)A雜部位產(chǎn)生的裂紋更長(zhǎng)、更明顯。條帶狀?yuàn)A雜邊角部位形態(tài)較為尖銳，在尖銳端很容易形成大的應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋擴(kuò)張。

     在顯微鏡下觀察，球狀氧化物邊界較平滑。沖擊試驗(yàn)后，靠近斷口部位有較多的孔洞，孔洞形成原因是球狀?yuàn)A雜物在沖擊作用下脫落而后形成孔洞，這些孔洞雖然數(shù)量多，但是擴(kuò)張得并不厲害，從應(yīng)力的角度來看，球狀?yuàn)A雜物的作用面積較大，沒有尖銳的地方，使得應(yīng)力沒法集中，所以不容易產(chǎn)生裂紋，且難以擴(kuò)張。

      從以上現(xiàn)象來看，材料內(nèi)部的非金屬夾雜物在沖擊過程中一定程度上充當(dāng)了裂紋源的作用，不同類型的夾雜物在外力作用下的擴(kuò)展是不一樣的，條狀?yuàn)A雜物更容易產(chǎn)生裂紋，而球狀?yuàn)A雜物形成的缺陷較難擴(kuò)展，對(duì)沖擊性能的危害較小。

2.2.3 沖擊過程中的組織變化及二次裂紋的擴(kuò)展

      沖擊試驗(yàn)中，微觀組織表現(xiàn)出阻止裂紋擴(kuò)展的能力。試樣在沖擊載荷作用下產(chǎn)生裂紋后，不同的組織形態(tài)對(duì)阻止裂紋擴(kuò)展的能力不一樣。將試樣在硝酸酒精溶液中浸蝕后，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣沖擊斷口處的組織形貌進(jìn)行觀察，如圖5所示。

圖5 管線鋼試樣沖擊斷口的顯微組織形貌

     X46鋼沖擊斷口處的顯微組織為規(guī)則的鐵素體+珠光體，珠光體分布得非常不均勻，局部呈聚集分布狀態(tài)或呈條帶狀，在斷口附近的基體上有多條微裂紋正好處于珠光體聚集區(qū)，斷口部位也可以看到局部有二次裂紋位于珠光體聚集分布的區(qū)域，裂紋較為平直，和基體中微裂紋形貌相似。部分微裂紋產(chǎn)生于珠光體區(qū)域內(nèi)，裂紋末端終止于旁邊的鐵素體。從上述分析來看，裂紋容易在珠光體區(qū)域產(chǎn)生，且在珠光體內(nèi)擴(kuò)展比較容易，如果珠光體分布均勻，周圍有鐵素體晶粒，則會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)張起到一定的限制作用，使裂紋難以擴(kuò)展。

     X56鋼沖擊斷口處的顯微組織為均勻的鐵素體+珠光體，晶粒度為10.8級(jí)，較X46鋼的晶粒要細(xì)小，珠光體的分布較為彌散，在沖擊力的作用下，局部有少量變形。斷口有部分夾雜物脫落后形成的孔洞狀缺陷，在斷口附近未見有二次裂紋產(chǎn)生，多邊形鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)密度較低，所以裂紋的擴(kuò)展較為容易。

     X70鋼沖擊斷口處的顯微組織為準(zhǔn)多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+馬氏體/奧氏體(M/A)組元，斷口部位顯微組織有非常明顯的變形，分布有夾雜物脫落后形成的孔洞。組織以準(zhǔn)多邊形鐵素體為主，和多邊形鐵素體相比，準(zhǔn)多邊形鐵素體具有較高的位錯(cuò)密度、亞結(jié)構(gòu)，有的鐵素體晶粒上還分布有M/A組元，這種組織強(qiáng)度比多邊形鐵素體高，同時(shí)具有優(yōu)異的塑性變形能力，內(nèi)部有較高的位錯(cuò)密度。其中零星分布少量的M/A 組元，使得該鋼具有低的屈強(qiáng)比和高的應(yīng)變硬化速率，從而使裂紋在微區(qū)范圍內(nèi)的擴(kuò)展由于形變位錯(cuò)密度增高而更為困難。

     采用掃描電鏡(SEM)對(duì)X70鋼沖擊斷口附近的顯微組織進(jìn)行觀察，局部可以看到有二次裂紋，如圖6所示。

圖6 裂紋在準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體中的擴(kuò)展形貌

     可以看到，裂紋在粒狀貝氏體分布區(qū)域中時(shí)，裂紋較平直，而在準(zhǔn)多邊形鐵素體區(qū)域時(shí)，裂紋為曲折分布狀態(tài)。裂紋在擴(kuò)展中，隨應(yīng)變?cè)黾樱粩嘤行碌牧鸭y形成，不同位向裂紋的互相連接或經(jīng)過晶界和板條束界面時(shí)都可能會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展方向轉(zhuǎn)向，從而使裂紋的擴(kuò)展不再平直，而構(gòu)成曲折的裂紋形貌。裂紋擴(kuò)展路徑的曲折，使裂紋的擴(kuò)展難度增加，對(duì)裂紋的擴(kuò)展造成阻礙。由此說明裂紋在擴(kuò)展過程中，在粒狀貝氏體區(qū)域受到的阻礙作用較弱；在準(zhǔn)多邊形鐵素體中擴(kuò)展時(shí)，擴(kuò)展難度較大，該組織具有較好的抵抗裂紋擴(kuò)展能力。

     X80鋼沖擊斷口處的顯微組織為粒狀貝氏體+準(zhǔn)多邊形鐵素體+M/A 組元，其沖擊韌性較X70鋼的沖擊韌性要低，在斷口部位組織形貌上，X70鋼的斷口部位附近組織有非常明顯的組織變形，X80鋼的韌性斷口部位略有變形，但比X70鋼的要弱。在顯微組織上，X80鋼主要以粒狀貝氏體為主，粒狀貝氏體是中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,其雖然有細(xì)小的片層結(jié)構(gòu)，但是由于相鄰片層之間晶體分布取向之間的差異很小，一般是低于15°的小角度晶界，這種小角度的晶界對(duì)裂紋的擴(kuò)展起不到阻礙作用。也側(cè)面反映了粒狀貝氏體及M/A組元對(duì)阻止沖擊裂紋的擴(kuò)展不利，從而導(dǎo)致了X80鋼的沖擊吸收能量較低。

     通過以上幾種管線鋼中夾雜物與顯微組織對(duì)裂紋形成與擴(kuò)展影響情況的比較可知，組織中非金屬夾雜物在沖擊過程中往往容易成為裂紋源或有助于裂紋的擴(kuò)展，球狀?yuàn)A雜物較條狀?yuàn)A雜物在形成裂紋及裂紋擴(kuò)展上的促進(jìn)作用較小；不同組織在抵抗裂紋擴(kuò)張能力上，粒狀貝氏體、珠光體較弱，多邊形鐵素體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較弱，準(zhǔn)多邊形鐵素體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較強(qiáng)；從斷口附近的組織變形上看，部分試樣在斷口部位的組織有明顯的變形，從能量守恒的角度上，組織變形必然會(huì)吸收能量，變形也對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到緩沖作用，進(jìn)而對(duì)沖擊吸收能量有一定的影響。

3 結(jié)論

     (1) 沖擊吸收能量與材料所能承受的最大拉應(yīng)力和材料均勻塑性變形能力關(guān)系更為密切。

     (2) 材料中的非金屬夾雜物在沖擊過程中易成為裂紋源，條帶狀?yuàn)A雜物比球狀?yuàn)A雜物容易在沖擊過程中產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。

     (3) 沖擊過程中斷口部位組織會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，進(jìn)而影響材料的沖擊吸收能量。

     (4) 顯微組織形態(tài)會(huì)對(duì)材料在沖擊過程中的裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響，準(zhǔn)多邊形鐵素體對(duì)裂紋的擴(kuò)展有較好的阻礙作用。