四类高强钢的冲击韧性和平面应变断裂韧性研究
第37卷第4期 2018年4月
中国材料进展
M A T E R IA L S C H IN A
V ol.37 No. 4
Apr. 2018
四类高强钢的冲击韧性和平面应变断裂韧性研究
冯九胜
"中航工业陕西千山航空电子有限责任公司，陕西西安710065)
摘要！A100、G50、G53、T54是4种常用的具有高强度、高韧性、良好抗冲击性等优异力学性
能的高强钢，在工业制造领域得到了广泛的应用。对这4种高强钢分别进行了冲击韧性试验和平面
应变断裂韧性试验，对其冲击功、平面断裂韧度和断口形貌进行了研究分析和比较。研究结果发
现，4种高强钢承受冲击功和平面断裂韧度大小的顺序均为：A100>G50>G54>G53，表明A100
高强钢具有优异的抗冲击性能和平面断裂韧性，而T53和G54虽然具有较高的静力学强度，但其
冲击韧性和平面断裂韧性相对较低。研究结果为新型高强钢的设计、抗冲击结构的选材和优化设计
提供了数据参考。
关键词：高强钢；冲击韧性；平面断裂韧性；选材
中图分类号：TG142 文献标识码：A 文章编号：1674 -3962(2018)04 -0313 -04
Study on Impact Toughne" and Pl^ne Strain Fracture
Toughness of Four Kinds of High-Strength Steels
F E N
G J in s h e n g
(AVIC Shaanxi Qianshan Avionics C o. , Ltd. , X i’an 710065, China)
A b s tra c t: A100, G50, G53, G54 are four kinds of high-strength steel with high strength, high toughness, good impact
resistance and otlier e xcellent mechanical properties, which have been widely used in the field of industrial manufacturing.
In this paper, the impact toughness and plane strain fracture toughness of four kinds o f high-strength G53, G54) were tested, impact energy, fracture toughness and fracture image were also obtained and comp showed that the order of both impact energy and fracture toughness was A100 > G50 > G54 > G53 , which indicated that A100
high-strength steel has excellent impact resistance and plane fracture toughness, while G53 and G54 have relat pact toughness and plane fracture toughness despite their high static strength. The result could provide a reference for desig­
ning and optiming anti-impact structures.
K e y W〇rdS ：high-strengtli steel ；impact toughnes ；plane strain fracture toughnes ；materials selection
冯九胜
A-J—
!刖U
超高强度钢是一种具有高强度、高韧性、高比强度 的抗疲劳、能的合金钢，在航空、航天、汽车和船舶领域均有非常广泛的[1_6]。A100 (AerM et100)是由Carpenter公司在20世纪80年代根据美 国海军F/A18E/F战斗机起落架材料需求而研发的一类 新型超高强度钢，G50、G53、G54则是我国自行研发的
收稿日期：2016 -08 -19
基金项目：国家自然科学基金资助项目（11102017)；中航工业创 新基金（2011D32715)
作者简介：冯九胜，男，1969年生，主任设计师，Email: f3327 @126. com
DOI ：10. 7502/j. issn. 1674 - 3962. 2018. 04. 10超强合金钢，它们由于优异的力学性能而成为近期的研究[卜叫。
Singh[11]和Boyce[12]对高强钢在应变率为0. 0002〜200 s-1的范围内的学行为致的研究，发现高强钢的
应变硬化会随应变率的增加而增加，且材 料的断裂失式为裂。H u[13]由验结果建立了A100高强钢的应变率相关的Johnson-Cook和Cowper- Symonds本。Sato[14]的研究集中于提升高强钢的韧，秦玉荣[15]利用SHPB实验对3种高强钢的动态压缩 学性能研究。[16] G50钢的学性能研究则发现G50钢是应变率不敏感材料，其动态压缩时 会产生45°剪切破坏。
和平面断裂韧度分别是评估高强钢冲击韧性 和平面断裂韧性的两个重要指标，因此我们对A100
、
314
中国材料进展第37卷
图1冲击韧性实验的试件尺寸：（？）主视图；（b )厚试件剖面图；
(C)薄试件剖面图
Fig. 1 S iz e s  of specim ens for impact toughness test: (a) m ain
view; ( b) cutaw ay view of thick specimen;( c) cutaw ay view of thin specim en
图2给出了平面断裂韧性实验的试件尺寸，4种材 料的 均一致。试件长度为140 mm ，宽度为30 mm ，厚度为15 mm ，试件中间处预制10 m m 长的裂
缝，与
表面垂直。
图3金属冲击试验机
Fig. 3 M etal impact testing m achine
对于含有缺陷的构件，只要缺陷达到临界尺寸，就可 能在远低于材料屈服强度的工 裂。在疲劳载
，
起初的缺陷
将会增大，使裂纹发生亚临界的稳定扩
展，直至达到断裂，此时应力强度因子达到临界值R .:
Klc = Y crJ
图2平面应变断裂韧性实验的试件尺寸：（a)主视图；
( b) 视图
Fig. 2 S ize  of specim ens for plane strain fracture toughnes
test ： ( a) m ain view and ( b) side view
2.2实验方法
缺口是 材料脆化的重要因素，可使材料由韧性
断裂
为
裂 ，冲击弯
验 样分
为U 型缺口和V 型缺口，本文选用U 型缺口。
验
的金
验机为美特斯工业
系统（中国）有限公司设计生产，量程分为150 J 和300 J 两档，本验采用150 J 档，试验机精度等级为1级，数 据分辨率为0. 01 J ，如图3所示。
G50、G53、T 54这4种高强钢
验和平
面断裂 验，并 和平面断裂韧度
研
究
，为新材料的设计、结构的选材和优化设计提供
计参考。
2实验材料和方法
2.1实验材料
4类高强钢分别为A100、G50、G 53和G54，其材料
力学性能如表1所示。图1
验的试件
，
4种高强钢分别
厚
和
的
•韧
验，其中厚
和 厚度分别为10 m m 和5 mm ，除厚度外
均一致，
长度为55 mm ，
宽度为10 mm ，中间为深2 mm 、宽2 m m 的U 型槽。
表1 4种高强钢的力学性能
Table 1 Mechanical properties of four kinds of high strength steels
Mechanical properties A100
G 50
G 53G 54Tensile strength，；m /MPa 1768. 011611.31770.01871.2Yield strength ，^p./M Pa 572.01296. 31373.01665.2Elastic modulus/GPa
170.2174.5173.0172.5P oisson ratio 0.320.290.300.30Elongation/%15. 112.712.99.5Shortening rate/%
63.6
51.9
53.0
61.5
55±0.6
R1±0.6
27.5 士 0.6
L  ^
<1^
⑷
10±0.6
5±0.6
90-H 00
□
-'
O -H m
90
-H 0
1
第$期冯九胜：四类高强钢的冲击韧性和平面应变断裂韧性研究315
其中R.为平面应变断裂韧度，Y为裂纹形状系数，"为 裂纹。
本文的平面应变断裂韧性实验首先通过线切割制备 出裂纹的部分，然疲劳试验机在裂纹基础上备出尖端很尖锐的疲劳裂纹，过材料
(MTS880) 弯验，实验得到的载荷-位移：和其他测量数据均由一台计算机记录下来。
3实验结果分析和比较
3.1 冲击韧性实验
4种高强钢的薄试件和厚试件分别进行了7组重 复性试验，以减小试验误差。以A100为例，图4分别 厚验断裂后的照片。从图
4a可以看出，厚度为5 m m的薄试件在受到摆锤冲击 后，分两半。典的断口形式是：其中一半，大概成槽型，中间接近是，从缺口中间开始，该部分占不到三分之一的厚度，裂纹往里扩展到大概中间，该部分宽度是略微收缩的，之宽度逐宽，扩到部$槽型的两个是大概45°的斜面；另一半与前面的一半是相吻合，是 一个，中间为平台，两大概45°的斜面。图4b中厚示了类似的为。缺处的
中间一般认为是的，是
，45°起作用，原能与塑有关，有间，有较大塑，中间空间大。
回
W
图4 A100试件冲击韧性实验后断口！（a)薄试件$(b)厚试件Fig. 4 Fracture surfaces of A100 specim ens after impact testing：
(a) thin specim en and ( b) thick specim en
表2给出了4种高强钢的冲击功，可以看出同一种 材料的受的均低于厚，承受•功大小的顺序为：A100 > T50 > T54 > T53。
表2 4种高强钢的冲击功
Table 2 Impact energy of four kinds of high-strength steels
Impact energy of
thin specimens/J
Impact energy of
thick specimens/J A10075. 8697.65
G5057. 8990.64
G5343.6749.50
G5455.5358.52
从试验后试件的外观看，在发生塑性变形的部位, A100的塑性变形大一些，T53和T54的要小一些。从4 种材料的冲击功比较来看，对于薄试件，A100材料的冲 著高于另外3种材料，T53的是最差的；对于厚试件，A100和T50冲击韧性相近，且显著 高于T53和T54。其中，T53薄试件和厚试件的冲击韧 都是的，而于T54，和厚的-韧别不是很，也表T54 而言于：一些（与其他材料而言）。
3.2平面应变断裂韧性实验
图 5 面裂验的裂缺口情况，4种高强钢分别3组弯实验，验。图5a 是A100 过弯
验后的缺口情况，图5b是T54试件经过弯试验后的缺口情况。可以看出，试件预置裂纹后，三点弯试验中，裂纹直，。
，内缩呈凹槽状，如图5b 示。
e
L S I■
回
s八
图5平面应变断裂韧性试验后的试件：（a)A100$ (b)G54
Fig. 5S pecim ens after plane strain toughness test:(a) A100 and ( b)
T54
316中国材料进展第37卷
试件断裂缺口处较平，认为是正应力拉断的，受到 的空间约束更大，边缘处比较平滑，表明切应力起到的 作用较小，没有产生大的塑性变形，试件断裂形式为脆断。
表3给出了4种高强钢的平面断裂韧度，可以看出，平面断裂韧度大小的顺序为：A100 >G50 >G54 >G53。其中A100的R.值最大，这表明使该材料断裂所需要的 能量要更大，A100抵抗断裂的能力要高于其他3种 材料。
表34种高强钢的平面断裂韧度
Table 3Planestrain fracturetoughness !c of four kinds of high strength steels
Plane strain fracture toughness R.ZMPa •m1K A10016473
G5013676
G537975
G5411673
4结论
冲击韧性实验结果表明，4种高强钢的薄试件断裂 0寸所受的冲击功均低于厚试件，承受冲击功大小的顺序 为：A100>G50>G54>G53$从试验后试件的外观看，A100的塑性变形较大，G53和G54变形较小。对4种材 料的冲击韧性比较来看，对于薄试件，A100材料的冲击 韧性要显著高于另外3种材料，G53的冲击韧性是最差 的；对于厚试件，A100和G50冲击韧性相近，且显著高 于 G53 和G54。
平面应变断裂韧性实验结果表明，4种高强钢的平 面应变断裂韧度大小为：A100>G50>G54>G53，断裂 形式均为脆性断裂。在预置裂纹的情况下，A100的R.
大，裂需的能量大，裂能强。参考文献R eferences
P# •Journal of Ordnance Equipment Engir^ering "兵器装备工程学
报）[J]，2016 , 3: 129-131.
[2] T ang Di(唐荻），Mi Zhenli"米振莉），W u H uaj+ie(吴华杰#，,
al. Pa(中国材料进展）[J]，2011，30(12): 18 -22. [3] Qiujian(邱健），W ang Y a o g a n g (王耀刚）.Journal of O rd n a n ce
EqupmenEngPperPg(兵器装备工程学报）[J]，2016，3: 15-19.
[4] Zhu Hongchuan(祝洪川），S u n Yiqiang(孙宜强），W u Q ingsong(吴
韧性断裂青松）•Dr+PgFS)m?ng Gec/mfof (锻压技术）[J]，2015，12:
115-119.
[5] WangYu a n(王远），G uan Ben(管=).Advanced Materials In-
du)2(新材料产业）[J]，2015, 2: 31 -35.
[6] Luo Yongfeng(罗永峰），W ang Xiyu(王裏宇），Qing Xuhong(强旭
红），ei al. Joum a/ f Gan/P SnPe+Py(天津大学学报）[J]，2015，S1: 134-141.
[7] L Jiguang(李激光），ZhangJindong(张金栋），HuangHailiang(黄
海亮），e) al. Material ;,05(材料导报：纳米与新材料专辑）[J]，2012, S1: 397 -401.
[8] Jiao Z B，Luan J H，Mller M K，et el Acte Materialia[J]，2015，97
(4): 58 -67.
[9] F an C hanggang(范长刚），DongHan(董A)，YongQilong(雍岐
1)，et al Materials for MechanPal Engipering (机械工程材料）
[J]，2006 , 30(8): 1 -4.
[10] Li Jie(李杰），Li Zhi(李志），Yan Minggao(颜鸣皋）.Journa/
f Material EngPperPg(材料工程）[J]，2007，4: 61-65.
[11] S ingh N K，C adoni E，S ingha M K，et al Materials & Desig^n[ J ]，
2011，32(10): 5091 -5098.
[12] B o yce B L，D ilm ore M F. International Journal o Impact Engipering
[J]，2009 , 36(2): 263 -271.
[13] Hu D Y，M eng K P，Jiang H L，et al Materials & Desi^^n[J]，2015,
87 :759 -772.
[14] S a to K. Office 〇o Scentipp & Technial Information Technial Reports
[J]，2002.
[15] Q in Yurong(秦玉荣），S u Jie(苏杰），Y ang Zhuoyue(杨卓越），e
al Heat Treatmee to M etals (金属热处理）[J]，2014，39(12): 83
-86.
[16] Tian Jie (田杰），Hu S hisheng (胡时胜）.Engi^erig M e ch a n ics
(工程力学)[J]，2006 , 23(6): 107-109.
[1] Songjun(宋军），Z hang Wenping(张文平），Hua Xianfeng(华先
(编辑惠琼）

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