來源：材料人網

【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據，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果的有效性。因此，有必要消除試樣厚度對試驗結果的影響，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）。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）與常規沖擊韌性（αk）間的差異。研究結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，包括斷裂區和剪切唇區。

圖2 試驗合金典型工程應力-應變曲線

黑色曲線為HS（經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分別代表斷裂區和剪切唇區；

(h) HS、MS、LS三種鋼斷裂面上兩種區域面積；

(i) 10-mm厚LS、MS、HS試樣的Sc和Ss隨屈服強度變化；

(j)-(n) MS試樣側面塑性變形區（剪切唇），紅色虛線框標識塑性區

域寬度。

圖5 裂紋萌生區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掃描電鏡形貌；紅色虛線標識裂紋萌生區大致邊界并標注統計平均寬度；

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

圖6 不同輸入能量下落錘沖擊試驗試樣形貌

(a)-(b)試樣兩側體視顯微鏡圖像;

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

圖7 落錘沖擊試驗試樣斷面形貌以及沖擊開裂區面積與輸入能量關系曲線

(a)-(c) 落錘沖擊試樣經熱著色、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，數據點與坐標原點連線的斜率等于該點的常規沖擊韌性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。