CN109142097A - 一种表征材料冲击韧性的方法 - Google Patents

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丁一明
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Abstract

一种表征材料冲击韧性的方法，包括以下步骤：1）通过预先热处理或冲击试验时施加不同的温度赋予材料不同的冲击性能；2）对以上试样进行冲击性能测试，从而获得冲击能值；3）测量非剪切区径缩；4）计算非剪切区径缩比；5）绘制非剪切区径缩比和冲击能值之间的关系图，发现材料冲击能值均和非剪切区径缩比具有显著的相关性，利用最小二乘法建立关系式；根据公式即可根据非剪切区径缩比估算材料的冲击能值；具有不增加成本，方法简单，适用范围广的特点。

Description

一种表征材料冲击韧性的方法
技术领域
本发明属于材料断裂性能表征技术领域，具体涉及一种表征材料冲击韧性的方法。
背景技术
在研究套管钻井钢及钻杆钢冲击性能断口分析中发现，大部分的钢冲击断口没有区别，都为100%的纤维断口，而他们的冲击能值却相差较远，如G105，S135，N150，H165 等钻杆钢，尽管在材料冲击能值的检测和试验过程中，可依赖冲击能值，但在冲击失效分析和断口分析方面，却明显受到限制。尽管也有一些特征参量可以表征材料的韧性如剪切断面率，甚至剪切断面率都写进了国家标准中，但众所周至，同样完全纤维断口，冲击能值也可能相差数十焦耳或数倍，同样测膨胀值也可用来表征冲击性能，但也存在明显问题，只有冲击韧性相差显著较多，测膨胀值才会有明显区别。
发明内容
为克服上述现有技术发不足，本发明的目的是提供一种表征材料冲击韧性的方法，克服材料现有冲击韧性表征方法的局限性，能够很方便的进行材料的冲击韧性失效分析；具有不增加成本，方法简单，适用范围广的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种表征材料冲击韧性的方法，包括如下步骤：
步骤1，对要表征的材料，通过预先热处理然后实施冲击试验或在不同温度下实施冲击试验；
步骤2，对步骤1获得的试样进行冲击性能测试，从而获得冲击能值；
步骤3，测量非剪切区径缩尺寸；
步骤4，通过下式计算非剪切区径缩比，
β=W min/W
式中：β为冲击试样断口的非剪切区径缩比；W为试样的原始宽度，mm； W min 为试样冲击试验后断口非剪切区径缩的最小宽度，mm；
步骤5，利用软件绘制非剪切区径缩比和冲击能值之间的关系图，根据材料冲击能值均和非剪切区径缩比具有显著的相关性，利用最小二乘法建立关系如下式所示：
CVN = f（β）
式中：CVN为材料的夏比冲击功，J；β为非剪切区径缩比，
根据公式CVN = f（β）即可根据非剪切区径缩比估算材料的冲击能值。
步骤3所述的测量非剪切区径缩尺寸不限于纤维区，包括解理区和除去剪切区以外的区域。
所述的预先热处理采用淬火方式或正火方式。
所述的不同的温度为韧脆转变温度±100℃范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明主要应用于表征材料的冲击韧性，根据冲击失效断口评估冲击性能，进行失效分析。能够解决目前方法不能解决的问题，能够根据冲击断口特征对材料的冲击韧性进行评估，填补了现场评估冲击失效的空白，为现场失效分析提供方法，节约时间，节约了成本。
本发明具有降低成本的特点，根据工况现场现有的冲击失效断口即可评估失效原因，不需要切割材料，专门做冲击韧性试验，或仅仅很少特殊情况下少量做冲击韧性试验。
本发明具有方法简单的特点，与现有技术比，不需要切割材料，专门做冲击韧性试验，或仅仅很少特殊情况下少量做冲击韧性试验，而是仅仅测量断口最小纤维区或最小解理区与断口宽度的比值即可估算材料的冲击韧性。
本发明增加了材料冲击性能及失效分析的方便性和多样性，在材料冲击韧性表征方面具有重要的意义。
本发明根据材料的冲击断口即可估算材料的冲击能值；只需确定一个特征参数“非剪切区径缩比”，根据该特征参数可确定材料冲击能值。
附图说明
图1为本发明测量非剪切区径缩尺寸Wmin的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
第一，材料成分如下表所示：
元素 C% Si% Mn% P% S% Fe%
质量分数 0.29 0.22 1.42 0.11 0.0041 >95
对该材料首先进行热处理，奥氏体化温度为910℃，保温时间为30min，然后进行水淬，最终通过不同的回火温度，包括：200℃，300℃，400℃，500℃，550℃，600℃，650℃；获得最终材料，回火保温时间均为2小时，从而赋予材料不同的冲击能值；受限于材料尺寸，所有试样均为3/4试样，即7.5 X 10X55。
第二，对以上试样进行冲击性能测试，从而获得冲击能值；
回火温度/℃ 200 300 400 500 550 600 650
冲击能值/J 11 5.5 29 70 98 120 137
第三，测量非剪切区径缩；
回火温度 200 300 400 500 550 600 650
非剪切区径缩/mm 6.00 6.90 4.80 3.60 2.58 2.25 1.96
非剪切区径缩尺寸的确定参见图1：
图中虚线为纤维区和剪切区的分割线，双箭头线即为非剪切区径缩最小宽度；
第四，利用下式计算非剪切区径缩比
β=W min/W
式中：β为冲击试样断口的非剪切区径缩比；W为试样的原始宽度，mm；W min为试样冲击试验后断口非剪切区径缩的最小宽度，mm；
式中为
回火温度/℃ 200 300 400 500 550 600 650
非剪切区径缩Wmin/mm 6 6.9 4.8 3.6 2.58 2.25 1.96
非剪切区径缩比<i>β</i> 0.8 0.92 0.64 0.48 0.34 0.3 0.26
第四，利用origin软件绘制非剪切区径缩比和冲击能值之间的关系图，发现材料冲击能值均和非剪切区径缩比具有显著的相关性，利用最小二乘法建立关系如下式所示：
CVN = 273.5β 2 – 517.38β + 249.89
式中：CVN为材料的夏比冲击功，J；β为非剪切区径缩比；
相关系数R为0.997；
根据公式即可根据非剪切区径缩比估算该类材料的冲击能值。
实施例二，本实施例是在不同温度下进行冲击试验
第一，材料为石油钻杆用钢，主要成分如下表所示：
元素 C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% Ni% Fe%
质量分数 0.281 0.4 0.452 ＜0.005 0.0024 1.347 0.689 0.657 &gt;95
受限于材料尺寸，所有试样均为3/4试样，即7.5X10X55，试验在不同温度环境下进行，包括80℃，20℃，0℃，-20℃，-40℃，-60℃；
第二，对以上试样进行冲击性能测试，从而获得冲击能值；
温度/℃ 80 20 0 -20 -40 -60
冲击能值/J 110.1 96.75 68 56.6 44.2 37.7
第三，测量非剪切区径缩；
温度/℃ 80 20 0 -20 -40 -60
非剪切区径缩/mm 2.50 3.08 4.16 4.35 5.01 5.16
非剪切区径缩尺寸的确定参见图1：
图1中虚线为纤维区和剪切区的分割线，双箭头线即为非剪切区径缩最小宽度；
第四，计算非剪切区径缩比
β=W min/W
式中：β为冲击试样断口的非剪切区径缩比；W为试样的原始宽度，单位为mm；W min为试样冲击试验后断口非剪切区径缩的最小宽度，单位为mm；
式中为
温度/℃ 80 20 0 -20 -40 -60
非剪切区径缩Wmin/mm 2.5 3.08 4.16 4.35 5.01 5.16
非剪切区径缩比<i>β</i> 0.333 0.41 0.555 0.58 0.668 0.688
第五，利用origin软件绘制非剪切区径缩比和冲击能值之间的关系图，发现材料冲击能值均和非剪切区径缩比具有显著的相关性，利用最小二乘法建立关系如下式所示：
CVN =-9.9476β 2 – 194.44β + 176.75
式中：CVN为材料的夏比冲击功，J；β为非剪切区径缩比，
相关系数R为0.9967，
根据公式即可根据非剪切区径缩比估算该类材料的冲击能值。
实施例三
第一，材料为石油钻杆用钢，主要成分如下表所示：
元素 C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% Ni% Fe%
质量分数 0.281 0.4 0.452 ＜0.005 0.0024 1.347 0.689 0.657 &gt;95
对该材料首先进行热处理，奥氏体化温度分别为780，810℃，840，870℃， 900℃；保温时间为30min，然后采用空冷。从而赋予材料不同的冲击能值，受限于材料尺寸，所有试样均为3/4试样，即7.5X10X55；
第二，对以上试样进行冲击性能测试，从而获得冲击能值；
正火温度/℃ 780 810 840 870 900
冲击能值/J 60 98 78 117 90
第三，测量非剪切区径缩；
正火温度/℃ 780 810 840 870 900
非剪切区径缩/mm 5.82 3.6 4.5 2.76 3.72
非剪切区径缩尺寸的确定参见图1：
图中虚线为纤维区和剪切区的分割线，双箭头线即为非剪切区径缩最小宽度；
第四，利用下式计算非剪切区径缩比
β=W min/W
式中：β为冲击试样断口的非剪切区径缩比；W为试样的原始宽度，单位为mm；W min为试样冲击试验后断口非剪切区径缩的最小宽度，单位为mm；
式中为
温度/℃ 780 810 840 870 900
非剪切区径缩Wmin/mm 60 98 78 117 90
非剪切区径缩比<i>β</i> 0.776 0.48 0.6 0.368 0.496
第五，利用origin软件绘制非剪切区径缩比和冲击能值之间的关系图，发现材料冲击能值均和非剪切区径缩比具有显著的相关性，利用最小二乘法建立关系如下式所示：
CVN =175.86β 2 - 340.79β + 218.63
式中：CVN为材料的夏比冲击功，J；β为非剪切区径缩比，
相关系数R为0.996，
根据公式即可根据非剪切区径缩比估算该类材料的冲击能值。

Claims (4)

1.一种表征材料冲击韧性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对要表征的材料，通过预先热处理然后实施冲击试验或在不同温度下实施冲击试验；
步骤2，对步骤1获得的试样进行冲击性能测试，从而获得冲击功；
步骤3，测量非剪切区径缩尺寸；
步骤4，通过下式计算非剪切区径缩比，
β=W min/W
式中：β为冲击试样断口的非剪切区径缩比；W为试样的原始宽度，单位为mm； W min 为试样冲击试验后断口非剪切区径缩的最小宽度，单位为mm；
步骤5，利用origin或excel软件绘制非剪切区径缩比和冲击能值之间的关系图，根据材料冲击能值均和非剪切区径缩比具有显著的相关性，利用最小二乘法建立关系如下式所示：
CVN = f（β）
式中：CVN为材料的夏比冲击功，J；β为非剪切区径缩比；
根据公式CVN = f（β）即可根据非剪切区径缩比估算材料的冲击能值。
2.根据权利要求1所述的一种表征材料冲击韧性的方法，其特征在于，所述的预先热处理采用淬火方式或正火方式。
3.根据权利要求1所述的一种表征材料冲击韧性的方法，其特征在于，所述的不同的温度为韧脆转变温度±100℃范围内。
4.根据权利要求1所述的一种表征材料冲击韧性的方法，其特征在于，其步骤3所述的测量非剪切区径缩尺寸不限于纤维区，包括解理区，即除去剪切区以外的区域。
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