SCM 435鋼的拉伸實驗研究

徐 東，朱苗勇，唐正友，王壯飛，張素萍，姜 濤

1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.邢臺鋼鐵有限責任公司，河北 邢臺 054027）

SCM 435鋼的拉伸實驗研究

徐 東1，朱苗勇1，唐正友1，王壯飛1，張素萍2，姜 濤1

1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.邢臺鋼鐵有限責任公司，河北 邢臺 054027）

用拉伸法研究了SCM435鋼的室溫變形，拉伸結果顯示SCM435鋼的塑性較好，斷口為典型的杯錐狀斷口.在拉伸法測得SCM435鋼的拉伸曲線的基礎上，根據數據分析，求解出SCM435鋼真實應力－應變曲線，分別回歸得到彈性階段及塑性階段的應力應變模型，得到SCM435鋼的彈塑性參數及最大均勻塑性變形點，得出形成頸縮的條件，求解出SCM435鋼的應變應力與斷面收縮率之間的關系.

拉伸實驗;SCM435鋼;應力－應變;彈塑性

SCM435鋼是一種典型的中碳合金結構鋼，由于碳和鉻的含量增高，它的淬透性較好，調質后具有較強的疲勞強度和抗沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，且無明顯的回火脆性.汽車用12.9級高強、超高強級別的螺栓基本上以SCM435冷鐓鋼鋼種系列為主，國內轎車發(fā)動機用鋼一直依賴日本進口，屬于有特殊要求的高級冷鐓鋼［1］.

以往的研究者多是利用已知文獻或熱模擬儀測出應力應變曲線，代入有限元中，以研究塑性變形過程［2］、本構模型的建立［3］、動靜態(tài)再結晶過程［4］等，而對于彈性和塑性的變形過程、真應力應變的取值范圍、最大均勻塑性變形點的求導，特別是頸縮對應力應變和橫截面收縮率的影響等，較少進行深入的討論和分析.對SCM435鋼而言，以往的研究者［5－7］進行了很多方面的研究，但是也很少涉及彈性和塑性變形過程的詳細求解.本文使用拉伸法研究SCM435鋼的室溫變形，得到了SCM435鋼的斷口形貌.并在拉伸法測得SCM435鋼的拉伸曲線的基礎上，根據數據分析求解出SCM435鋼真實應力－應變曲線，分別回歸了彈性階段及塑性階段的應力應變模型，求出了SCM435鋼的彈塑性參數，研究了頸縮對應力應變取值的限制，并求解出了SCM435鋼的最大均勻塑性變形點，并推導出不受頸縮影響的應變應力與斷面收縮率之間的關系.

1 實驗材料

試樣采用工業(yè)生產的SCM435熱軋線材，其化學成分如表1所示.

表1 SCM435鋼的化學成分（質量分數）Table1 Chem ica l com position（mass fraction）of SCM435 steel %

2 拉伸曲線的測試

拉伸試樣尺寸按標準樣加工，具體尺寸如圖1所示.試樣按GB/T228－2002標準，保持溫度、應力狀態(tài)和加載速度恒定.此外，試樣表面光滑以避免因缺口而造成的應力集中，同時在實驗過程中夾緊試樣時，應當保證試樣軸線方向與載荷方向一致，不能傾斜或產生偏心.實驗在大氣壓力及室溫下進行，夾頭移動速率為2 mm/min.

圖1 拉伸試樣尺寸（mm）Fig.1 Size of tensile samples

3 SCM435鋼的彈塑性計算

3.1 SCM435鋼的拉伸實驗結果

拉伸實驗共有3組試樣，拉伸結果相近，圖2為其中一組拉伸試樣的頸縮照片，表明試樣在拉伸的過程中存在明顯的頸縮現象，塑性變形較好.

圖2 拉伸試樣的頸縮Fig.2 The necking of tensile samp le

圖3（a）為拉伸試樣斷口掃描電鏡低倍形貌，可以看出，斷口為典型的杯錐狀斷口，中心區(qū)為杯部，中心所示區(qū)域具有纖維狀特征，為韌性斷口的宏觀形貌.由于材料韌性好，故斷口三要素中無放射區(qū)出現.

圖3（b）為斷口邊部的高倍形貌.從圖3（b）可以看出，該區(qū)為在剪切應力作用下發(fā)生的快速斷裂，微觀形貌為呈方向性的拉長韌窩.

圖3 試驗樣拉伸斷口的掃描照片Fig.3 Fracture scanning photos of the test sam ple

圖3（c）為斷口中心區(qū)的高倍形貌，可以看出，中心斷口形貌為等軸狀韌窩，纖維區(qū)是在正應力作用下塑性變形.以微孔聚集并長大的機理發(fā)生斷裂，未發(fā)現夾雜導致斷裂，斷口微觀上均為等軸韌窩.

在拉伸過程中，測得拉力－伸長量關系曲線，由于工程應力σ=F/A0，即載荷F除以原始截面積A0，工程應變ε=Δl/l0，即伸長量Δl除以原始標距l(xiāng)0，因此可以轉化為工程應力－應變曲線.圖4（a）為拉伸過程中的工程應力應變曲線，圖4（b）為拉伸過程中的真應力應變曲線.

圖4 拉伸過程中的應力應變曲線Fig.4 Curve of stress－strain in tensile process

在實際過程中的應力應變要進行修正，轉化為真應力－真應變.考慮塑性變形的不可壓縮性，且變形為均勻塑性變形時，根據體積不變，當前面積與原始面積的關系為l0A0=lA.真實應力為S=F/A，即載荷除以瞬時截面積A，將A的定義代入到真實應力的定義式中，得到真實應力與工程應力間的關系為

真實應變和工程應變間的關系推導如下:

3.2 彈性變形階段

理想的彈性變形是可逆變形，加載時變形，卸載時變形消失并恢復原狀，因此，只要在彈性變形的范圍內，其應力應變都保持單值線性函數關系，即服從胡克定律:

式中，S為正應力，E為彈性模量，e為真應變.

SCM435鋼的回歸曲線如圖5所示.可以看出，SCM435鋼比例極限為341.77 MPa，對應的真應變?yōu)?.214%，從回歸方程的系數可以得到其彈性模量E為162.77 GPa.彈性模量與切變模量、體彈性模量之間的關系［8］為

式中，G為切變模量;K為體彈性模量;ν為泊松比，表示材料側向收縮的能力，大多數的鋼的泊松比 ν在0.26～0.33之間［8］.

根據 SCM435鋼的室溫泊松比［9］為0.286，可以算出切變模量G為113.98 GPa;體彈性模量K 為128.05 GPa.

圖5 彈性過程中的應力應變及回歸曲線Fig.5 Curve of stress-strain and regression curve in elastic process

3.3 塑性變形階段

隨著進一步的變形，金屬開始由彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃?，便產生了屈服，如圖4所示，SCM435鋼沒有出現明顯的屈服現象，根據國標［10］采用非比例延伸率Rp=0.2%時的應力為屈服應力，SCM435鋼的屈服應力Rp0.2=605 MPa，對于均勻塑性變形階段的真應力－應變曲線有很多公式可以擬合，其中 Hollomon公式［11］對金屬拉伸均勻塑性變形階段符合得較好，本文采用Hollomon公式對SCM435鋼進行擬合.

式中:S為真應力，MPa;e為真應變，%;K為硬化系數;n為應變硬化指數，反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力.金屬材料的n值的大小與層錯能的高低有關.層錯能低的n值就大，層錯能高的n值就小.

對式（5）兩邊取對數，其Hollomon公式擬合的結果如圖6所示，硬化系數K為705.5，應變硬化指數n為0.15907.從圖6可以看出，當應變值較小時，由于彈性變形階段的硬化系數為1，這時受彈性變形影響較大.該硬化系數和硬化指數與實測值有一定的偏差，達到拉力最大值時，即要發(fā)生頸縮時，開始了不均勻變形，擬合曲線開始再次偏離實測值.

拉伸樣的斷后標距為28.3 mm，斷后直徑為3.4 mm，可以得到斷后伸長率δ為13.2%，斷面收縮率ψ為53.8%.

圖6 塑性過程中的應力應變及回歸曲線Fig.6 Curve of stress-strain andregression curve in plastic process

3.4 最大均勻塑性變形點

在拉伸過程中，隨著伸長量的增加，將發(fā)生局部塑性變形，形成頸縮，出現不均勻塑性變形，也意味著失效.因此，確定和提高材料的最大塑性應變量具有重要的意義.利用真應力、真應變定義和Hollomon公式，可以計算材料的最大均勻塑性應變量.

在試樣變形的瞬間，由F=AS對伸長求導得

3.5 截面變化率的求解

在拉伸的過程中，隨著伸長率的不斷增加，其標距的橫截面不斷縮小［12］，在頸縮產生之前，

根據體積不變條件及式（3），可以得到應變與橫截面變化率之間的關系［9］，即

將式（10）代入式（3）及式（5）可得，在彈性變形區(qū)與塑性變形區(qū)，應力與橫截面變化率之間的關系式，根據式（10）可求出應力與橫截面變化率之間的關系，其曲線圖如圖7所示.

圖7 真應力－橫截面變化率曲線Fig.7 Curve of true stress-shrinkage ratio of cross-section

頸縮生產后，Hollomon公式已不再適用，但真應變與橫截面收縮率關系仍然滿足式（10），由于斷面直徑不容易隨時測量，導致無法知道從頸縮到斷裂這段的真實塑性變化，只能通過斷后測量直徑來求其真實極限塑性.因此對于真實極限塑性ef，仍然可以通過斷面收縮率Ψ求得.

4 結論

（1）SCM435鋼主要以塑性變形為主，斷口為典型的杯錐狀斷口，并形成頸縮，中心斷口形貌為等軸狀韌窩，為韌性斷口的宏觀形貌，邊部呈方向性的拉長韌窩;

（2）SCM435鋼彈塑性變形分別服從胡克定律及Hollomon公式，并分別求解回歸出了一系列彈塑性參數;

（3）推導出SCM435鋼的最大均勻變形點，最大均勻真塑性應變?yōu)?2.4%，從而明確了拉伸法得到真應力應變的取值范圍，并推導出SCM435鋼截面變化率與應力應變的關系.

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Tensile experiment research of SCM 435 steel

XU Dong1，ZHUMiao-yong1，TANG Zheng-you1，WANG Zhuang-fei1，ZHUANG Su-ping2，JIANG Tao1
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Xingtai Iron and Steel Company Limited，Xingtai054027，China）

The tensile test was applied to research room temperature deformation of SCM435 steel.Tensile results show that plastic of SCM435 steel is good，and the fracturemorphology is typical cup cone fracture.On the tensile test of the SCM435 steel，the real stress － strain curve was calculated through the data analysis.The stress-strain models for the elastic and plastic stages were established.The elastic-plastic parameters，the biggest even plastic deformation point and the conditions of necking forming were obtained.Relationship between stress-strain and cross-section shrinkage percentage was determined by the data analysis.

tensile test;SCM435 steel;stress-strain;elastoplasticity

TG 142

A

1671-6620（2012）03-0192-05

2012－06－14.

徐東 （1984—），男，東北大學博士研究生，E－mail:xudong_xyz@163.com;朱苗勇 （1965—），男，東北大學教授，博士生導師.