YT01低能量多碰塑性變形研究

荊瑞紅, 石世宏

(1.蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215021)

YT01低能量多碰塑性變形研究

荊瑞紅1, 石世宏2

(1.蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215021)

為研究碰撞能對(duì)金屬材料多碰塑性變形的影響，在實(shí)驗(yàn)室用自制的凸輪機(jī)械式多碰試驗(yàn)機(jī)對(duì)YT01試樣進(jìn)行了低能量多碰試驗(yàn)，采用坐標(biāo)網(wǎng)格法、SEM、金相顯微鏡等方法研究了不同碰撞能對(duì)試樣的塑性變形率、顯微組織結(jié)構(gòu)的影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：峰值沖擊應(yīng)力不變時(shí)，多沖碰撞能量越大，試樣累積塑性變形量也越大；隨著碰撞次數(shù)的增加，試樣塑性變形率減小并趨于平緩，塑性變形終止于距沖擊表面6～9 mm處；256 000次碰撞后，試樣顯微組織細(xì)化，晶粒界增多. 金屬材料多沖碰撞塑性變形不僅與峰值沖擊碰撞應(yīng)力有關(guān)，也與沖擊碰撞能有關(guān).

低能量多碰；塑性變形；趨表效應(yīng)；YT01；碰撞能

在生產(chǎn)實(shí)踐中，化工、核電、航空航天以及車輛、電器等行業(yè)的各種泵閥、發(fā)動(dòng)機(jī)、工模具、電磁接觸器等關(guān)鍵零部件經(jīng)常因多碰而失效. 使用這類零部件的大型企業(yè)，每年因多碰失效的直接損失不下數(shù)千萬，失效后因檢修、停產(chǎn)帶來的間接經(jīng)濟(jì)損失更加巨大. 這類零構(gòu)件均是在遠(yuǎn)低于材料屈服極限的低應(yīng)力多碰載荷作用下，發(fā)生永久性的宏觀塑形累積變形現(xiàn)象. 這種多碰工況碰撞速度一般在5～20 m/s，其應(yīng)變率介于棘輪[1-3]和強(qiáng)沖擊[4]之間. 因此，其碰撞機(jī)制不同于棘輪，也不同于強(qiáng)沖擊的研究. 多沖碰撞研究范圍涉到金屬材料和高分子材料,甚至到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5-8]. 本課題組利用自制的凸輪-彈簧式碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)低應(yīng)力多碰載荷下的應(yīng)變量及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究[9-10]，特別在超低應(yīng)力(約為屈服限的 1/6～1/10)多碰下材料的塑性性能方面進(jìn)行了較深入的研究，發(fā)現(xiàn)了試樣碰撞過程中的塑性變形量先變大后變小，總變形量隨碰撞次數(shù)的增加而累積. 碰撞次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，變形增量趨于零，累積應(yīng)變趨于某一安定值. 這一特性與材料典型的蠕變曲線中減速蠕變段十分近似，暫稱之為“類蠕變”. 它是材料的一種尚未受到足夠關(guān)注的新的動(dòng)態(tài)塑性力學(xué)現(xiàn)象.

從多碰“類蠕變”的特殊塑性變形行為可以推斷：其本構(gòu)關(guān)系遠(yuǎn)非一般的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系所能表達(dá)，很可能與碰撞功(能)、碰撞速度等突加性的外在條件相關(guān). 本文注重低能量對(duì)金屬材料多碰塑性行為的研究，為了避免過多干擾因素選取了YT01試樣進(jìn)行多碰試驗(yàn)，研究碰撞能對(duì)金屬材料多碰塑性變形規(guī)律的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)室自制凸輪機(jī)械式多沖碰撞試驗(yàn)機(jī)[11]上進(jìn)行多碰實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示. 低能量沖擊加載方式采用質(zhì)量塊形式加載，在凸輪帶動(dòng)下沖錘在沖擊前完全作自由落體運(yùn)動(dòng). 沖擊的作用力由沖擊行程和沖擊質(zhì)量引起，保證了穩(wěn)定的沖擊力. 而碰撞能量由重力勢(shì)能引起. 沖擊過程中的力與能量可以通過調(diào)整質(zhì)量塊和行程來實(shí)現(xiàn). 考慮到?jīng)_錘下落過程中能量的損失，采用壓力傳感器檢測(cè)沖擊力的大小.

圖1 凸輪機(jī)械式多沖碰撞試驗(yàn)機(jī)

1.2 碰撞能量建模及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為簡(jiǎn)化模型，設(shè)定沖錘在凸輪的作用下做自由落體運(yùn)動(dòng)， 沖錘的勢(shì)能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能. 假設(shè)第一組沖擊參數(shù)為：沖擊力為F1,沖擊能量為W1，沖擊行程為h1，沖錘整體質(zhì)量為M1,沖擊速度為v1，沖擊后速度為0，沖擊時(shí)間為Δt. 第二組沖擊參數(shù)為：沖擊力為F2，沖擊能量為W2，沖錘整體質(zhì)量為M2，沖擊前速度為v2，沖擊后速度為0，沖擊時(shí)間為Δt.

設(shè)定兩組沖擊狀態(tài)沖擊力相同，沖擊能量相差K倍，可得

(1)

假定沖錘在凸輪的作用下勢(shì)能完全轉(zhuǎn)為為動(dòng)能，根據(jù)能量守恒定律，沖擊前沖錘的動(dòng)能為

(2)

對(duì)沖錘來講，受到樣品的反作用力F，由于沖力的瞬時(shí)值較難確定故簡(jiǎn)化為平均值，則

(3)

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室前期大量試驗(yàn)得知Δt1≈Δt2，合并式(1)～(3)計(jì)算可得

(4)

表1 多碰試驗(yàn)樣本參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3 試樣制備

為避免干擾因素，試樣選用工業(yè)純鐵YT01，切割尺寸為7 mm×9 mm×42 mm，其力學(xué)性能如表2所示，試樣網(wǎng)格形貌如圖2所示.

表2 YT01力學(xué)性能

圖2 試樣網(wǎng)格形貌

1.4 試驗(yàn)方法

采用坐標(biāo)網(wǎng)格法[10]計(jì)算沖擊碰撞后試樣的塑性變形量. 基于課題組前期研究，低應(yīng)力多碰載荷下，試樣的變形呈“趨表效應(yīng)”. 因此，在試樣7 mm×42 mm面距沖擊表面10 mm距離內(nèi)劃分0.5 mm×0.5 mm網(wǎng)格，每隔2 000, 4 000, 8 000，……利用用XTL-1體視顯微鏡拍攝網(wǎng)格圖片，并測(cè)量網(wǎng)格變形量，使用JX68302-00工具顯微鏡及冷場(chǎng)掃描電鏡(SEM-S-570)觀察多碰前后試樣的微觀組織結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試樣在不同沖擊碰撞能下，經(jīng)過碰撞次數(shù)為2 000、4 000、8 000、…、256 000次后，試樣多碰后累積變形量與沖擊次數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖3所示.

(a)峰值沖擊應(yīng)力30 MPa不同碰撞能變形量曲線

(b)峰值沖擊應(yīng)力39 MPa不同碰撞能變形量曲線

(c)峰值沖擊應(yīng)力47 MPa不同碰撞能變形量曲線

圖3 不同沖擊碰撞能,累積變形量與沖擊次數(shù)關(guān)系曲線

Fig.3 Cumulative deformation for different impact energy and impact numbers

圖3可以看出，試樣在相同的峰值沖擊應(yīng)力、不同的沖擊碰撞能下，多碰后試樣累積變形量不同. 沖擊碰撞能量越大，累積變形量越大. 多碰次數(shù)在16 000次以下，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣累積變形量不斷增加. 當(dāng)多碰次數(shù)超過16 000次后，試樣變形量增量趨于平緩，64 000次后，變形量趨于安定. 不同的峰值沖擊應(yīng)力，試樣的塑性變形量也不同. 峰值沖擊應(yīng)力為30 MPa，碰撞能1.67 J，多沖碰撞2 000次后，累積塑性變形量為0.079 mm；峰值沖擊應(yīng)力為39 MPa，碰撞能2.5 J，多沖碰撞次數(shù)為2 000次，塑性變形量為0.089 mm；沖擊應(yīng)力為47 MPa，碰撞能5.63 J，多沖碰撞次數(shù)為2 000次，試樣的塑性變形量為0.131 mm. 結(jié)果表明，相同的多沖碰撞次數(shù)，隨著峰值沖擊應(yīng)力的增大，試樣累積塑性變形量也變大.

不同沖擊能量下，變形率與沖擊接觸表面距離的關(guān)系和圖4所示. 從圖4可看出，在相同峰值沖擊應(yīng)力下，試樣的變形率與沖擊碰撞能量有關(guān). 沖擊碰撞能量越小，試樣變形率越小. 距沖擊表面距離越小，試樣的變形率越大，距沖擊表面距離越大，試樣變形率變化趨于平緩，當(dāng)達(dá)到一定距離后，變形率為0. 沖擊應(yīng)力為30 MPa，距表面6 mm時(shí)，變形率為0；沖擊應(yīng)力為39 MPa，距表面為7 mm時(shí)，變形率為0；沖擊應(yīng)力為47 MPa，距表面距離為8.5 mm時(shí)，變形率為0. 三組試驗(yàn)表明，多碰后塑性變形終止于距表面6～9 mm處. 在不同的峰值沖擊應(yīng)力作用下，表層的變形率變化也不相同. 沖擊應(yīng)力為30 MPa，表層的最大變形率為6.49%；沖擊應(yīng)力為39 MPa，表層的最大變形率為7.65%；沖擊應(yīng)力為47 MPa，表層的最大變形率為8.95%.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：峰值沖擊應(yīng)力一定時(shí)，多沖碰撞能越大，試樣變形率越大. 當(dāng)距沖擊表面一定距離后，試樣變形率趨近于0. 而峰值沖擊應(yīng)力影響試樣變形終止的位置，峰值沖擊應(yīng)力越小，試樣變形終止的位置距沖擊表層距離越小;峰值沖擊應(yīng)力越大，試樣變形終止位置距表層距離越大.

圖5為多沖碰撞后，在試樣側(cè)面距沖擊表層1 mm內(nèi)的微觀組織結(jié)構(gòu)圖. 拍攝前曾以4%的硝酸酒精腐蝕試樣. 圖5(a)為純鐵多沖碰撞前微觀組織結(jié)構(gòu)，主要為鐵素體與珠光體的混合組織，珠光體所占比例較小，鐵素體晶粒為沿加載方向呈長(zhǎng)條狀的非等軸晶. 由圖5(b)可以看出，多沖擊碰撞后純鐵試樣距沖擊表層2 mm處的顯微組織可觀察到明顯的穿晶裂紋及孔洞. 穿晶裂紋擴(kuò)展方向基本與加載方向平行，且大致在同一豎直方向上的相鄰裂紋與孔洞有相互擴(kuò)展連接形成更大裂紋的趨勢(shì)，說明在多沖碰撞工況下，金屬材料內(nèi)部局部區(qū)域內(nèi)存在強(qiáng)烈的剪切變形[12]. 圖5(c)、(d)分別為沖擊應(yīng)力39 MPa，沖擊能量為2.6、0.98 J多碰后的微觀組織結(jié)構(gòu)，可以看出，多次沖擊加載后部分鐵素體晶粒沿加載方向被壓縮，且有晶粒碎化形成亞晶粒的情況，多沖碰撞能越大，微觀組織越細(xì)化. 圖5(e)、(f)分別為沖擊應(yīng)力30 MPa,0.86 J，30 MPa,5.63 J多碰后的金相顯微組織結(jié)構(gòu)，其中沖擊能量為5.63 J的微觀組織結(jié)構(gòu)明顯細(xì)化. 通過對(duì)多碰前后微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試樣在經(jīng)過低應(yīng)力小能量多沖碰撞后，晶粒形狀發(fā)生了變化. 試樣多碰后，原始的非等軸晶粒逐漸伸長(zhǎng)，亞晶粒尺寸變小，晶粒界增加.

(a)峰值沖擊應(yīng)力為30 MPa不同碰撞能變形率曲線

(b)峰值沖擊應(yīng)力為39 MPa不同碰撞能變形率曲線

(c)峰值沖擊應(yīng)力為47 MPa不同碰撞能變形率曲線

Fig.4 Deformation rate for different depth from contact area under different impact energy

(a) 多碰前SEM組織

(b) 沖擊應(yīng)力30 MPa，多碰后SEM組織

(c) 39 MPa 2.6 J SEM 組織

(d) 39 MPa 0.98 J SEM組織

(e) 沖擊應(yīng)力30 MPa，0.86 J金相組織(×500倍)

(f) 沖擊應(yīng)力為47 MPa,5.63 J金相組織(×500倍)

Fig.5 Surface microstructure from before repeated impact and after

為了進(jìn)一步研究YT01試樣微觀機(jī)理，對(duì)YT01樣本進(jìn)行了多碰前后X射線單晶衍射試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，YT01試樣在峰值沖擊應(yīng)力39 MPa，碰撞能量分別為2.6 J、1.95 J、0.98 J的試驗(yàn)條件下亞晶尺寸如表3所示.

表3 多碰前后YT01亞晶尺寸

Tab.3 Sub-grain size of YT01 before repeated impact and after

碰撞能/J亞晶尺寸/nm0J33.72.6J27.11.95J28.80.98J29.8

多沖碰撞前， YT01試樣的亞晶尺寸為33.7 nm，多沖碰撞后，亞晶尺寸變小. 多沖碰撞能為2.6 J時(shí)，亞晶尺寸為27.1 nm,多沖碰撞能為1.95 J時(shí)，亞晶尺寸為28.8 nm，多碰碰撞能為0.98 J時(shí)，亞晶尺寸為29.8 nm. 可以看出，隨著多沖碰撞能的增大，亞晶尺寸減小,微觀組織細(xì)化. 低應(yīng)力多碰動(dòng)態(tài)沖擊不同于準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí)金屬的塑性變形，沖擊波使金屬在總的宏觀應(yīng)變很小時(shí)就可誘發(fā)高密度的位錯(cuò)[13]. 而低應(yīng)力循環(huán)碰撞，可能導(dǎo)致試樣微觀組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位錯(cuò)與亞晶[14]，從而導(dǎo)致微觀組織細(xì)化.

2.2 結(jié)果分析

2)在同樣峰值沖擊應(yīng)力下，碰撞能量越大，塑性變形量越大. 根據(jù)能量吸收一般原理中不可逆能量轉(zhuǎn)換原則[16],結(jié)構(gòu)和材料能將大部分的輸入動(dòng)能通過塑性變形或其他耗散過程轉(zhuǎn)換為非彈性能，而不是以彈性能形式將之儲(chǔ)存. YT01是韌性材料，韌性材料吸收能量最有效的機(jī)制為塑性變形. 因此，試樣在相同沖擊應(yīng)力下，碰撞能量越大，材料的塑性變形量也越大.

3)由圖2和圖3交叉來看，即使碰撞能較大，若峰值沖擊應(yīng)力較小，材料變形量也較??；反之即使碰撞能較小，但峰值沖擊應(yīng)力較大，材料變形也會(huì)比較大. 在多碰沖擊過程中，峰值沖擊應(yīng)力對(duì)多碰后試樣變形的影響要比碰撞能明顯. 這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中，沖擊能量只有一部分被試樣吸收，而峰值應(yīng)力則不存在這種情況.

設(shè)F為峰值沖擊力，σ為峰值沖擊應(yīng)力，W為沖擊碰撞能，A為沖擊接觸面積，t為沖擊時(shí)間，v為沖頭接觸試樣時(shí)的速度，則有

Ft=mv，

(5)

F=σA，

(6)

(7)

聯(lián)立式(5)～(7)，可得

而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，則是

).

5)試樣在多碰后，距表面2mm處出現(xiàn)穿晶裂紋和孔洞. 試樣中出現(xiàn)穿晶裂紋，穿晶裂紋擴(kuò)展方向與加載方向平行，且大致在同一豎直方向上的相臨裂紋與孔洞有相互擴(kuò)展連接形成更大裂紋的趨勢(shì)，由此純鐵試樣中晶體的穿晶斷裂屬于微孔聚集型剪切斷裂，說明在低應(yīng)力多沖碰撞工況下，金屬內(nèi)部局部區(qū)域內(nèi)存在著強(qiáng)烈的剪切變形. 試樣中出現(xiàn)的孔洞，主要是因?yàn)殇撹F試樣中存在硫化錳等夾雜物，夾雜物與基體連接較弱，易在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著沖擊碰撞的反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后在連接處開裂形成孔洞. 因?yàn)樵诘蛻?yīng)力多碰撞過程中沿加載方向存在剪切變形，孔洞隨著基體的塑性流動(dòng)而長(zhǎng)大形成裂紋，且和滑移方向上的孔洞、裂紋相互匯合，曲折向前發(fā)展.

3 結(jié) 論

1)在峰值沖擊應(yīng)力僅為靜屈服應(yīng)力的1/4～1/3時(shí)，YT01經(jīng)過多次碰撞后發(fā)生了明顯的塑性變形，距表層6～9mm內(nèi)，發(fā)生了6%～8%，多沖碰撞能越大，累積變形量越大. 隨著多碰次數(shù)的增加，試樣累積塑性變形量增加，經(jīng)過一定多碰沖擊次數(shù)后，塑性變形趨勢(shì)安定，256 000次多碰后，塑性變形終止. 因此，在低應(yīng)力多沖碰撞中，材料的塑性變形與峰值沖擊應(yīng)力有關(guān)，也與多碰次數(shù)有關(guān).

2)相同峰值沖擊應(yīng)力和不同碰撞能量工況下，試樣累積塑性變形量也不同. 多沖碰撞能量越小，試樣的塑性累積變形量越小，多碰沖擊碰撞能量越大，試樣累積塑性變形量越大. 因此，試樣累積塑性變形不僅與峰值沖擊應(yīng)力有關(guān)，也與多沖碰撞能相關(guān). 由于在多沖碰撞過程中，能量傳輸過程中有一定的損耗，因此，多沖碰撞能量對(duì)試樣變形的影響小于峰值沖擊應(yīng)力.

3)試樣在低能量多沖碰撞中，碰撞前后材料顯微組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，原始的非等軸晶粒多碰后被拉長(zhǎng). 低應(yīng)力、低能量循環(huán)沖擊，試樣微觀組織的亞晶粒尺寸變小，亞晶粒增加. 由于位錯(cuò)和亞晶的出現(xiàn)導(dǎo)致材料屈服應(yīng)力提高,因此最終在25 000次多碰后，材料變形終止在距表層一定距離內(nèi),即低能量多沖碰撞引起的塑性變形具有“趨表效應(yīng)”. 碰撞初期的塑性變形只發(fā)生在碰撞面的表層，隨著碰撞次數(shù)的增加，表層累積塑性變形加大，同時(shí)第二層開始變形；繼續(xù)碰撞，第一、二層的累積塑性變形繼續(xù)加大，同時(shí)第三層開始變形，以此由表及里傳遞.

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(編輯 王小唯， 苗秀芝)

Plastic deformation of YT01 submitted to repeated low-energy impacts

JING Ruihong1，SHI Shihong2

(1. College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou 215021, Jiangsu, China；2. College of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, Jiangsu, China)

To evaluate the effect of impact energy on plastic deformation of metal, repeated impact tests of YT01 were performed on the cam mechanical multi touch machine in the laboratory. The plastic deformation of YT01 was investigated by Coordinate Grid method, while the microstructure and phase were investigated by scanning electron microscope (SEM) and metalloscope in order to understand the different impact energy on the plastic deformation and microstructure. The results show that: the cumulative plastic deformation was greater with increasing impact energy and unchanged impact stress. The plastic deformation rate decreased with the increase of the impact number. The plastic deformation stopped at 6-9 mm from the top surface. After 256 000 repeated impacts, microstructure refinement and increased grain boundaries occurred. Meanwhile, transgranular cracks and holes were presented at 6-9 mm from the contact surface due to intense shear deformation in the sample. As a consequence, the plastic deformation of metallic material is not only related with impact stress but also with impact energy.

low energy repeated impact loads; plastic deformation; skin effect; YT01；impact energy

10.11918/j.issn.0367-6234.201509079

2015-09-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11172191); 江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級(jí)訪問學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015)

荊瑞紅(1980—)，女，博士研究生，副教授; 石世宏(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

石世宏，shishihong@suda.edu.cn

TB31;TB122

A

0367-6234(2017)05-0178-06