58SiMn鋼動態(tài)拉伸斷裂特性試驗研究*

李付剛，梁民族，李翔宇，聶錚玥

(國防科技大學(xué)文理學(xué)院，長沙 410073)

0 引言

58SiMn鋼是我國自主研制的一種高破片率、高強(qiáng)度的彈體鋼，它通過大幅度提高C、Si和Mn的含量，使鋼的強(qiáng)度提高、韌性降低、缺口敏感度增大[1]。跟傳統(tǒng)的炮彈鋼D60相比，58SiMn鋼具有更加優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

58SiMn鋼作為現(xiàn)役殺爆彈的一種常用彈體外殼材料，其力學(xué)特性與殺爆彈的殺傷威力密切相關(guān)。殺爆彈外殼在爆炸載荷加載下的破裂主要是由于殼體外表的環(huán)向拉伸應(yīng)力造成的[2]，殼體材料的拉伸斷裂特性直接決定了殼體形成殺傷破片的特性。因此，研究58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的拉伸斷裂特性對于指導(dǎo)殺爆彈設(shè)計具有重要意義。楊道明等[3]研究了一種鍛造態(tài)58SiMn鋼在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能。隋樹元等[4]開展了撞擊加載試驗，著重研究了58SiMn鋼在應(yīng)變率為103～104s-1范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能參數(shù)隨撞擊時間的變化歷史。公開文獻(xiàn)對于榴彈用58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的拉伸斷裂特性缺乏系統(tǒng)的研究。

文中從實際工程需求出發(fā)，以殺爆彈殼體材料58SiMn鋼為研究對象，利用材料試驗機(jī)和霍普金森拉桿開展了58SiMn鋼的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗。得到了58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，較全面了解了58SiMn鋼在不同應(yīng)變率加載下的力學(xué)特性。通過進(jìn)一步的掃描電鏡(SEM)試驗觀察試樣斷口形貌，得到了58SiMn鋼在不同應(yīng)變率下的失效模式，研究成果可為殺爆彈結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要參考。

1 準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗

1.1 試驗試樣

試樣材料為58SiMn合金鋼，利用X射線能譜分析(EDS)局部面掃描的方法檢測材料的元素含量組成，其化學(xué)成分如表1所示。

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣按照 GB/T228.1—2010金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法進(jìn)行設(shè)計，其尺寸見圖1。動態(tài)拉伸試樣尺寸如圖2所示，通過減小均勻變形段的長度，使得整個試樣軸向應(yīng)力、應(yīng)變快速均勻化[5]。

表1 58SiMn鋼化學(xué)成分表 %

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣

圖2 動態(tài)拉伸試樣

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗的加載設(shè)備為型號WDW-500E的電子式萬能試驗機(jī)，電子引伸計型號為YYU-25，試驗加載應(yīng)變率為0.001 s-1和0.01 s-1，試驗裝置如圖3所示。試樣兩端采用配套的夾具固定，引伸計通過橡皮筋固定在試樣上，這種固定方式牢靠，能夠保證試樣和夾具之間以及引伸計和試樣之間不會發(fā)生相對滑動。試驗時，試樣承受的拉力與試驗機(jī)橫梁的荷載相等，可由力傳感器測得，試樣標(biāo)距內(nèi)的形變量由引伸計測量。

1.3 動態(tài)拉伸試驗

材料動態(tài)力學(xué)拉伸試驗是研究材料動態(tài)力學(xué)性能的基礎(chǔ)，通過獲得不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)而分析應(yīng)變率對材料力學(xué)特性的影響規(guī)律。獲得材料在應(yīng)變率為102～104s-1范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系最有效的裝置是分離式霍普金森桿[6]。霍普金森桿是利用應(yīng)力波作為加載和測試手段來得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。本試驗的霍普金森拉桿裝置如圖4所示，跟準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗的不同之處在于動態(tài)拉伸試驗試樣是通過膠粘的方式與桿件連接[7]，能夠保證示波器采集的反射信號干凈穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗裝置

1—透射桿；2—應(yīng)變片；3—試樣；4—入射桿；5—發(fā)射系統(tǒng)；6—套筒子彈；7—應(yīng)變放大儀；8—示波器；9—法蘭；10—AB膠圖4 動態(tài)拉伸試驗裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果

為保證試驗數(shù)據(jù)的一致性，每組應(yīng)變率工況下重復(fù)5～6次。圖5是應(yīng)變率為0.001 s-1下試樣試驗前后對比圖。試樣的斷口均位于標(biāo)距內(nèi)，所測數(shù)據(jù)能夠有效反映58SiMn鋼的材料特性。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，每組應(yīng)變率下選取重復(fù)性較好的3條曲線繪制如圖6所示。從回收的試樣來看，兩組試驗條件下試樣的斷口特征一致，斷口位置處無頸縮變形，斷口的兩部分能夠較好的匹配，是一種典型的脆性斷裂。

由圖6可以看出，在考慮到試樣加工誤差和試驗誤差的情況下，兩組準(zhǔn)靜態(tài)試驗下的加載應(yīng)變率雖然相差一個量級，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線卻具有一致性?？梢娫跍?zhǔn)靜態(tài)下，58SiMn鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線與加載應(yīng)變率無關(guān)。從試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看，58SiMn鋼的力學(xué)性能不同于一般的合金鋼[8-9]，在拉伸過程中未見有屈服現(xiàn)象，沒有明顯的屈服點，應(yīng)變硬化效應(yīng)明顯且呈雙線性。試樣準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗拉強(qiáng)度為1 063 GPa，斷裂時頸縮現(xiàn)象不明顯，呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。

圖5 應(yīng)變率為0.001 s-1下試樣試驗前后對比

圖6 58SiMn鋼準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 動態(tài)拉伸試驗結(jié)果

從回收的試驗試樣來看，拉伸斷口位置位于試樣中間平行段，滿足SHTB試樣均勻變形的假定[10]。在應(yīng)變率1 000～2 700 s-1范圍內(nèi)的試樣斷裂方式和宏觀斷口形貌呈現(xiàn)較好的一致性。圖7是應(yīng)變率為1 700 s-1下拉伸試樣試驗前后對比圖。

圖7 應(yīng)變率為1 700 s-1下拉伸試樣試驗前后對比

不同加載應(yīng)變率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。需要說明的是，試驗時采用了Kirana 5M超高速相機(jī)拍攝了動態(tài)拉伸時試樣的斷裂過程，從而保證試樣被拉伸時不會發(fā)生多次加載而斷裂的情況。

圖8(a)給出了58SiMn鋼在動態(tài)拉伸時不同應(yīng)變率下的真實應(yīng)力-真實應(yīng)變關(guān)系曲線，圖8(b)將不同應(yīng)變率對應(yīng)的流動應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線進(jìn)行了對比。從圖8(a)中可以看出，58SiMn鋼在1 000～2 700 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)相似的特征，且隨著應(yīng)變率的提高，材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)得到了增強(qiáng)。圖8(b)可以看出，58SiMn鋼在動、靜態(tài)下表現(xiàn)出的力學(xué)特性差異顯著，其動態(tài)屈服強(qiáng)度和動態(tài)抗拉強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)均有顯著的提高，且屈服強(qiáng)度增幅明顯高于抗拉強(qiáng)度增幅，具有顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。準(zhǔn)靜態(tài)的斷裂應(yīng)變值在0.10～0.13范圍內(nèi)；動態(tài)斷裂應(yīng)變值波動較大，與試樣的斷裂情況相符，主要是由于58SiMn在動態(tài)拉伸下發(fā)生的是脆性斷裂，斷裂原因是材料內(nèi)部缺陷引起應(yīng)力集中使得缺陷處的應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的抗拉強(qiáng)度，從而造成58SiMn鋼動態(tài)斷裂的隨機(jī)性較大。

圖8 58SiMn鋼不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 斷裂模式分析

斷裂失效分析從裂紋和斷口的宏觀和微觀特征入手，研究斷裂模式和斷口形貌特征與材料性能、零件受力狀態(tài)之間的關(guān)系。斷口分析可以研究58SiMn鋼的斷裂機(jī)理，判定斷裂的性質(zhì)，分析失效的原因[11-13]。

首先從斷口宏觀特征分析，圖9給出了兩種不同應(yīng)變率下試樣拉伸斷口的對比圖。可以看出，58SiMn鋼動、靜態(tài)斷裂形式一致，斷口平面與軸向拉應(yīng)力垂直，發(fā)生正拉脆性斷裂，因而58SiMn鋼作為彈體材料具有較高的破碎率。

圖9 準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)試樣斷口對比圖

材料的宏觀力學(xué)性能不僅與加載應(yīng)變率有關(guān)，還與材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[8]。對于斷口微觀形貌分析最常用的工具就是電子顯微鏡，文中采用型號為MIRA3的掃描電鏡對回收試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，不同應(yīng)變率條件下的試樣斷口微觀形貌如圖10所示。

圖10 不同應(yīng)變率下試樣斷口的SEM圖

從試樣斷口的SEM照片來看，不同倍鏡下斷口形貌具有相似的特征。從低倍鏡下的斷口形貌來看，試樣斷口粗糙，呈現(xiàn)脆性斷裂的特征；由高倍鏡的斷口形貌中可以看出，斷口主要的特征由解理臺階、微孔以及微孔斷裂區(qū)周邊塑性變形形成的撕裂棱組成，是一種典型的準(zhǔn)解理斷裂特征。準(zhǔn)解理斷裂是一種介于解理斷裂和塑坑斷裂之間的過渡斷裂機(jī)理[14]，準(zhǔn)解理斷裂也使得材料斷口具有更為鋒利的結(jié)構(gòu)，提高了破片的殺傷威力，體現(xiàn)了58SiMn鋼作為殺爆彈殼體材料的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

通過58SiMn鋼的動、靜態(tài)拉伸試驗和對回收試樣斷口形貌的觀察分析，得出了以下結(jié)論：

1)58SiMn鋼在不同應(yīng)變率加載下表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，應(yīng)變硬化段呈雙線性；動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，應(yīng)變硬化段呈線性。隨著應(yīng)變率的提高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨之提高，且屈服強(qiáng)度增幅明顯高于抗拉強(qiáng)度增幅，具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

2)58SiMn鋼的斷裂模式與加載應(yīng)變率無關(guān)，從試樣宏觀斷口形貌來看，斷口粗糙、斷口平面與軸向拉力垂直，是一種正拉脆性斷裂；從試樣微觀斷口形貌來看，解理臺階、微孔以及微孔斷裂區(qū)周邊塑性變形形成的撕裂棱是微觀斷口的主要特征，是一種典型的準(zhǔn)解理斷裂。