低碳鋼抗裂測試及海水影響研究

陳婷1，王利民1，張東煥2，耿慧1

(1.青島理工大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266033；2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

摘要：研究了低碳鋼抗裂性能及海水浸澤的影響.對帶不同割口尺寸的碳鋼試件進行三點彎曲加載過程測試，并進行在位拉伸電鏡微細(xì)觀測，得到其宏觀力學(xué)性能和材料細(xì)微觀形貌的特征圖片.通過實驗數(shù)據(jù)計算其力學(xué)參量，如試件割口附近應(yīng)力強度因子及韌度、裂紋擴展長度等參量隨載荷的變化，進而借助細(xì)觀損傷理論對海水浸澤碳鋼試件斷裂的韌脆轉(zhuǎn)變進行了分析探討.

關(guān)鍵詞：低碳鋼；細(xì)觀測試；海水腐蝕；彈塑性；斷裂性能

中圖分類號：TU31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41201409)； 山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2014DL001，ZR2012DL06)； 山東理工大學(xué)博士科研基金資助項目(4041413053)

作者簡介：逯躍鋒，男，yflu@sdut.edu.cn； 通信作者： 常希芝，女，52473123qq.com

文章編號：1672-6197(2015)05-0012-04

Theresearchofanti-fracturetestoflowcarbonsteelanditsseawatereffect

CHENTing1,WANGLi-min1,ZHANGDong-huan2,GENGHui1

(1.SchoolofScience,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China;

2.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:To examine the fracture properties and effect of seawater immersion of low carbon steel, the experiments of three-point bending were carried out for different incision sizes of specimens. And the materials′ tensile specimens were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). So it was obtained that the macroscopic mechanical properties and material characteristic of the microstructure. According to the experimental data, some of mechanics parameters were given, such as Stress Intensity Factor near the incision and toughness, crack propagation length and other parameters changing with the loading. By virtue of mesoscopic damage theory, the transition of ductile to brittle of fracture were discussed and analyzed for carbon steel with seawater corrosion.

Keywords:lowcarbonsteel;mesoscopictesting;seawatercorrosion;elastic-plasticproperty;fractureperformance

常溫下的低碳鋼是典型的韌性材料，其抗斷裂損傷特性及力學(xué)性能一般是不同于脆性材料的；其材料失效也是彈塑性斷裂與細(xì)觀損傷的力能轉(zhuǎn)化過程.對于含缺陷結(jié)構(gòu)的材料強度，以幾何裂紋為特征的斷裂力學(xué)是有效量化分析工具,其中的應(yīng)力強度因子與能量釋放率或J積分是重要指標(biāo).關(guān)于該類材料裂紋的宏觀彈塑性斷裂，有基于材料應(yīng)力應(yīng)變冪硬化關(guān)系的HRR裂紋端部場，裂端塑性區(qū)的Dugdale-Muskhelishvili-Barenblatt模型，和描述裂紋張開位移及張開角度的COD及COA準(zhǔn)則等[1-2].對于韌性較好的材料如低碳鋼及合金等，在其細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面上看，材料的失效是其缺陷孔洞生成長大與串接聯(lián)結(jié)，金屬的局部晶格位錯與晶粒滑移及分裂是產(chǎn)生空穴與大變形的機理途徑.韌性材料細(xì)觀損傷有經(jīng)典的Gurson模型與Tvergaard等人的改進分析[3-6].事實上，材料的韌性與脆性是可以變化的，如氫的作用和溫度降低可以使材料變脆，而且裂紋端部的三向應(yīng)力也能夠轉(zhuǎn)換斷裂的韌脆特性[7-8].為了解低碳鋼斷裂過程和海水浸澤對力學(xué)性能的影響，對帶不同割口尺寸的碳鋼試件進行三點彎曲加載，且在掃描電鏡設(shè)備中進行原位拉伸微細(xì)觀測，實驗測試得到其宏觀力學(xué)性能和材料細(xì)微觀形貌特征；借助細(xì)觀損傷理論分析海水浸澤碳鋼試件斷裂的韌脆轉(zhuǎn)變與機理探討.

1碳鋼的材料觀測實驗

1.1　帶割口的三點彎曲梁斷裂過程測試

將碳鋼Q235加工成不同尺寸的矩形截面梁放置在有電腦控制的實驗機上.實驗用儀器為WDW-200微控電子萬能試驗機，其最大負(fù)荷為200kN.圖1(a)為三點彎曲缺口梁加載示意圖，本實驗采用位移控制方式.圖中L為碳鋼試件的長度，h為試樣的高度，b為試件的厚度，s為兩支撐點間的距離，a為預(yù)制裂紋的長度.試件的編號分別為h40a4、sh40a4、h40a8、sh40a8、h40a12、sh40a12，其中以h開頭的是未浸泡海水的試件， 以s開頭的是室溫下

經(jīng)20個月海水浸泡的試件，所有試件的長度均為150mm，寬為30mm，高為40mm.試件的載荷峰值都列入表1中.從表1中可看出，預(yù)制切口越小，承載能力越強.

(c)不同切口尺寸的浸或未浸海水試件的載荷位移曲線 圖1　碳鋼三點彎曲加載抗裂實驗

表1　三點彎曲各試件尺寸與載荷峰值

1.2　帶缺口拉伸板的( SEM)電鏡觀測

實驗用設(shè)備為中國科學(xué)院力學(xué)研究所的掃描電鏡，可在固體樣品加載過程中實現(xiàn)樣品的變形、損傷、斷裂形態(tài)及力學(xué)量的實時在位觀察與測量.加載裝置的最大載荷為2000N.掃描電鏡加載、數(shù)據(jù)采集、曲線繪制全部實現(xiàn)電腦控制.應(yīng)用該實驗儀器對不同預(yù)制裂紋長度的試件進行加載實驗，通過電腦觀察試件在加載過程中的變形、損傷及裂紋生長過程.同時得到實驗過程中的載荷與應(yīng)變等曲線，為定量描述試件的材料力學(xué)行為包括材料變形、裂紋擴展過程等提供依據(jù).圖2所示為Sirion400NC掃描電鏡裝置試件幾何示意圖以及加載過程曲線.取碳鋼用線切割的方法加工成如圖2(a)所示的拉伸試樣.a0為切口深度，即預(yù)置切口的初始長度,b為試件有效部分的寬度，c為應(yīng)變片的位置.圖(b)為某一試件的拉伸載荷與加載點位移關(guān)系曲線.

(a)試件幾何示意圖

(b)載荷位移曲線 圖2　掃描電鏡觀測實驗

(a)1400N　　　　　　　　　(b)1490N

(c)1300N　　　　　　　　　(d)770N 圖3　掃描電鏡中在不同載荷狀態(tài)下原位拉伸碳鋼試件局部的變形及損傷形貌

如圖3所示為預(yù)制割口0.5mm碳鋼原位拉伸試件局部的變形及損傷形貌掃描電鏡圖像.顯然隨著載荷變化缺口處塑性滑移線明顯增多且損傷加劇，試件損傷加重后的載荷是呈下降態(tài)勢的.

2碳鋼細(xì)觀損傷及海水的影響

韌性斷裂是金屬材料破壞的主要形式之一.實驗觀察和研究表明，金屬材料的韌斷在細(xì)觀上多數(shù)情況下是材料內(nèi)部孔穴形核、擴張和聚合的結(jié)果.損傷斷裂過程中的塑性滑移與缺陷形核會導(dǎo)致產(chǎn)生孔洞,隨著變形的增加,孔洞也在長大,最終因內(nèi)縮頸及孔洞之間聯(lián)接而引起材料局部裂開最后試樣斷裂.為了進一步描述張開裂紋的形成和擴展過程中材料的損傷情況，可以用一個標(biāo)量即孔洞體積百分比f來表示損傷變量.孔洞的形成過程是伴隨著材料的變形而發(fā)生的, 在孔洞形成的初期, 孔洞的體積也受到很多因素的支配和影響.伴隨著母材的變形, 孔穴逐漸長大, 此外又有一部分新的孔洞生成, 都使得總體孔洞的體積不斷增大.孔洞體積百分比演化率可以用下面的式子表示[6,9]:

(1a)

(1b)

(1c)

(1d)

其中σe表示等效屈服應(yīng)力，∑m表示靜水應(yīng)力即宏觀平均應(yīng)力；該式第一項表示塑形應(yīng)變控制的形核機制，第二項表示應(yīng)力控制的形核機制.對于第一種形核機制，實驗表明[10]孔洞的形核率與等效應(yīng)變成線性關(guān)系.設(shè)想孔洞的形核過程服從正態(tài)分布，Needleman與Chu等給出系數(shù)

(2a)

式中εN為孔洞形核的平均應(yīng)變，s為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方差，fn為可以發(fā)生微孔洞形核的所有二相粒子的體積百分比.該式成立的條件是

(2b)

對于第二種形核機制，孔洞形核過程主要是由最大正應(yīng)力驅(qū)動的基體和二相粒子的脫粘過程.Needleman和Rice[11]指出，這種機制主要由應(yīng)力組合σe+σm來控制并取A=B.有

A=B=

(2c)

式中σn為孔洞形核的平均應(yīng)力.

多孔韌性材料的最后破壞是由孔洞的匯合引起的.按照Gurson模型，只有當(dāng)孔洞膨脹到足夠大，屈服面縮為一點，即f=2/3時，材料才能完全喪失承載力.然而，這是不現(xiàn)實的；大量實驗表明[12]，微孔洞形核后會沿著拉伸方向長大，當(dāng)微孔洞的長度達(dá)到孔洞間距的數(shù)量級時，將發(fā)生相鄰微孔洞的匯合.這種局部的破壞是由于微孔洞間的滑移帶和變形局部化引起的.Brown和Embury估計發(fā)生微孔洞匯合時的臨界孔洞體積百分比fc為0.15，遠(yuǎn)低于2/3，材料斷裂時的臨界孔洞體積百分比fF為0.25.關(guān)于該類問題的屈服，Tvergaard考慮材料硬化給出塑性屈服條件

1-q3f2=0

(3)

其中∑eq是宏觀等效應(yīng)力，qi(i=1,2,3)為修正系數(shù).從圖3所表示韌性材料低碳鋼的損傷破壞可以大體看出上述理論所描述規(guī)律.然而對于經(jīng)過海水侵蝕過的金屬，其受力與電化學(xué)交互作用的應(yīng)力腐蝕開裂，是一個機理非常復(fù)雜的過程.通?？梢苑譃殛枠O溶解和氫致開裂(HIC)兩大類型，以及由此發(fā)展的表面膜破壞、活性通道、應(yīng)力吸附開裂、腐蝕物楔入和閉塞電池等機理解釋[13-14].褚武揚與高克瑋等學(xué)者認(rèn)為，任何金屬材料的斷裂都是以位錯發(fā)射與運動為先決條件的，腐蝕因素只是促進塑性局部化和微裂隙形核的應(yīng)力降低；腐蝕介質(zhì)或液體金屬的吸附阻礙微裂紋的鈍化，使得材料斷裂由韌轉(zhuǎn)脆.

(a)0N　　　　　　　　　　(b)1031N

(c)980N　　　　　　　　　　(d)931N 圖4　海水浸過的碳鋼在變化載荷下原位拉伸試件缺口近處損傷斷裂的電鏡掃描形貌

從圖3中的在位拉伸電鏡圖片可以看到裂紋發(fā)展孔洞的串接，且開裂面與橫截面大致成45度角.如圖4所示為經(jīng)過海水浸泡過低碳鋼試件損傷斷裂的抗裂過程形貌變化.從該圖對比圖3可以看出浸海水的材料變得更加容易形成集中裂縫，宏觀裂紋前方損傷帶變窄，材料的韌性變?nèi)?，斷裂過程有轉(zhuǎn)脆的趨勢.

3彎曲梁的加載抗裂過程分析

3.1　加載過程測試曲線

如圖1(b,c)所示，分別表示出了12個試件的載荷與加載點位移關(guān)系曲線.其中圖1(c)表示的是未浸海水和浸海水的不同預(yù)制裂縫長度a=4，8，12，16mm的8個試件的載荷位移曲線.理論上海水腐蝕能破壞構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，使材料的力學(xué)性能降低，由圖(c)中可看出8mm和12mm的經(jīng)海水浸泡的最大載荷有所降低.隨著預(yù)制裂紋尺寸的增大，試件的載荷峰值變小，彈性段的斜率及塑性段的斜率變化不是太顯著.在圖1(b)中表示試件sh40a8加載到試件局部有塑性變形階段后，慢慢卸載，又再加載到強化階段中某點后慢慢卸載，再重新加載得到曲線強化階段，重復(fù)卸載再加載兩次.可以觀察到，在卸載過程中，位移與載荷間關(guān)系仍遵循原來初始彈性階段的直線關(guān)系，兩條卸載曲線與彈性階段的曲線幾乎平行或略有剛性提高.卸載后繼續(xù)加載，位移與載荷間基本上遵循著相同的卸載規(guī)律.

3.2　斷裂過程的韌帶測試與裂紋口變形

(a) 試件h40a8

(b) 試件h40a8

(c) 試件sh40a12

(d) 試件sh40a12 圖5　預(yù)制裂縫前端的張開位移在不同載荷時的位移分布

為了解裂縫端部的變形，在預(yù)制裂紋口尖端及前方的韌帶上，粘貼10mm×2mm規(guī)格的應(yīng)變片，并且在裂紋口尖端應(yīng)變片懸空粘貼以防止過早的被撕斷.對不同尺寸的試件進行應(yīng)變片電測跟蹤實驗，對于試件h40a8、sh40a8，在試件的兩側(cè)分別貼3個應(yīng)變片，并對兩側(cè)同一位置的應(yīng)變值取平均值作圖.標(biāo)號分別為1、2、3的對應(yīng)于h40a8的試件應(yīng)變片距預(yù)置切口根部的距離分別為0mm，10mm，20mm.試件sh40a12應(yīng)變片的粘貼與標(biāo)注方式與前一致，應(yīng)變片距預(yù)置切口根部的距離分別為0mm，12mm，24mm.當(dāng)把應(yīng)變片與儀器連線接好后，隨著實驗機不斷加載讀取并記錄載荷對應(yīng)的各應(yīng)變讀數(shù).如圖5所示為試件h40a8與sh40a12裂紋端部位移隨載荷變化，在不同載荷時的位移分布.從該圖看出距離預(yù)制裂紋尖端越近，其變形越大.從圖5中也可大致看出塑性區(qū)的擴展趨勢.若把初始直線視為彈性特征的話，圖5(a,b)表示未經(jīng)海水浸泡的試件先是應(yīng)變片1所在位置材料局部大概在50kN載荷時進入塑性狀態(tài)，而2,3應(yīng)變片大概分別在65和70kN進入塑性.又可從該圖看到，在靠近三點彎曲壓頭處的位移應(yīng)變始終是負(fù)值，表明在該彎曲梁中也存在類似于塑性鉸的壓縮變形.

從圖1(c)中的各條曲線中, 可以看到加載初期彈性段與塑性曲線之間有分界點存在，那么取該時的裂縫端部讀數(shù)便得到所謂彈性極限的裂紋口張開位移，并表示在圖 6(a) 中.從該圖看出，預(yù)制裂縫長度愈大彈性極限的裂紋口變形將愈大.加載實驗完畢后的塑性殘留裂紋口張開位移與斷裂韌度也表示在圖6(b,c)中，從該數(shù)據(jù)看海水對塑性變形影響不是太顯著.

(a)試件的切口根部彈性極限張開位移

(b)塑性張開位移

(c)斷裂韌度 圖6　海水對塑性變形的影響

4結(jié)論

通過對碳鋼宏細(xì)觀塑性抗裂變形觀察測試實驗，包括考察海水的影響，歸納得到以下初步結(jié)論.

(1)韌性斷裂并非完全條形帶，開裂面與橫截面呈大概45度角，韌性斷裂是多處有孔洞或裂隙.經(jīng)過海水浸泡過的試件上存在明顯多的微裂隙，材料變得更加容易形成集中裂縫，宏觀裂紋前方損傷帶變窄，材料的韌性變?nèi)?，斷裂過程有轉(zhuǎn)脆的趨勢.細(xì)觀孔洞的長大與串接，對應(yīng)不同情況的分析應(yīng)調(diào)整理論計算.

(2)通過應(yīng)變片記錄載荷應(yīng)變關(guān)系曲線，并得出在一定載荷下，相對位移與應(yīng)變片粘貼位置之間的關(guān)系曲線.離預(yù)制裂紋尖端越近，相對位移越大.

(3)通過三點彎曲實驗獲得不同切口尺寸的三點彎曲梁的載荷-位移曲線，預(yù)制切口越大，其最大承載力變小，且經(jīng)海水腐蝕的試件其承載能力有所減小.對材料的卸載觀測，可以得出在海水腐蝕前后均滿足卸載定律.

致謝：衷心感謝中國科學(xué)院力學(xué)研究所LNM實驗室的實驗支持與幫助.

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(編輯：姚佳良)