基于小試樣的304不銹鋼薄板單向拉伸試驗(yàn)研究

尚 磊,胡建華,單志航,晁 爽

河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038

0 引言

在機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域的工業(yè)發(fā)展過程中,從在役結(jié)構(gòu)和設(shè)備中割取大尺寸試樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試十分困難,因此對(duì)于獲取困難或價(jià)格昂貴的特殊材料,小尺寸試樣為增加測(cè)試選擇、獲得更多測(cè)試數(shù)據(jù)提供了可能[1]。從取樣方便和有效降低試驗(yàn)成本進(jìn)行考慮,實(shí)現(xiàn)小尺寸試樣獲取材料及設(shè)備性能的研究具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[2]。

本文對(duì)304不銹鋼薄板小試樣在不同條件下進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),采取與標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸相似縮小的原則,設(shè)計(jì)了進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)和有限元分析的啞鈴狀小試樣,研究取向和厚度對(duì)其力學(xué)性能的影響,并對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行討論;通過有限元對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣與小型試樣進(jìn)行分析比較,得到小型試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣之間的聯(lián)系,為小試樣試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 材料及試樣設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用冷軋所制的厚度分別為20、50、100、200 μm的304不銹鋼薄板,其部分化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C為0.05%,Mn為0.97%,S為0.07%,Si為0.6%,Cr為16.59%,Ni為8.75%,P為0.028%。試驗(yàn)所用試樣為小型板狀試樣,采用與標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸相似縮小的原則設(shè)計(jì)成如圖1所示的啞鈴狀。

單位：mm

1.2 單向拉伸試驗(yàn)

采用高精度動(dòng)靜態(tài)生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(ElectroForce 3200 Series Ⅲ,ElectroForce Systems Group,美國(guó)bose公司)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)(見圖2)。為探究厚度對(duì)試樣尺寸效應(yīng)的影響,在應(yīng)變速率為0.001/s條件下,分別對(duì)20、50、100 μm的沿軋制方向成0°取向的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣厚度定為100 μm,應(yīng)變速率選用0.001/s,對(duì)沿軋制方向不同取向的試樣進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)而探究各向異性對(duì)薄板力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,每類拉伸試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)不少于3次,并取多次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

圖2 ElectroForce 3200 Series Ⅲ試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 取向?qū)αW(xué)性能的影響

在室溫下,對(duì)厚度為0.1 μm沿軋制方向不同取向的冷軋304不銹鋼薄板小試樣進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。不同取向試樣的力學(xué)性能參數(shù),如表1所示。

表1 沿軋制方向不同取向試件的力學(xué)性能參數(shù)

圖3 沿軋制方向不同取向試件的力學(xué)性能參數(shù)

通過曲線圖和參數(shù)表可得,對(duì)于冷軋所制的304不銹鋼薄板,沿軋制方向不同取向可影響力學(xué)性能,材料存在各向異性。當(dāng)試樣取向與軋制方向夾角由0°增加至90°時(shí),試樣屈服強(qiáng)度表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),60°除外。試樣與軋制方向成45°時(shí),其屈服強(qiáng)度值最小。伸長(zhǎng)率隨著試樣取向與軋制方向夾角的增加呈先增大后減小趨勢(shì),試樣與軋制方向成90°時(shí),其伸長(zhǎng)率最小。

2.2 尺寸效應(yīng)現(xiàn)象分析

對(duì)沿軋制方向取向?yàn)?°,厚度分別為20、50、100、200 μm的不銹鋼薄板進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),所得真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。分析得出,厚度尺寸對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響較為明顯,厚度為20、50 μm的試樣其總變形過程基本為彈性變形,幾乎未出現(xiàn)塑性變形,表現(xiàn)為屈服即斷裂;厚度為100、200 μm試樣的拉伸過程有明顯塑性變形階段。從100～20 μm,隨著板料厚度的減小,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出越來越大的現(xiàn)象,但從200 μm減少到100 μm,結(jié)果與之相反。試驗(yàn)結(jié)果表明,不銹鋼薄板拉伸力學(xué)性能在厚度尺寸上具有尺寸效應(yīng)。

圖4 不同厚度試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖4(a)和圖4(b)得出：厚度對(duì)不銹鋼薄板的屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均有顯著影響,表現(xiàn)為板料厚度從200μm減小到100μm時(shí)屈服極限隨之減小;板料厚度從100μm減小到20μm時(shí),屈服極限隨之增大,斷后伸長(zhǎng)率隨之減小。板料厚度為100 μm時(shí),屈服極限數(shù)值最小。

可將此現(xiàn)象分成2個(gè)階段解釋。

首先試樣厚度位于100～200 μm時(shí),可根據(jù)表面層模型解釋屈服極限隨尺寸減小而降低的現(xiàn)象[3]：因試樣表面層晶粒相對(duì)于內(nèi)部晶粒而言為自由表面,則位錯(cuò)會(huì)以較小的約束力滑移出自由表面,表面層晶粒較內(nèi)層晶粒有較低的屈服強(qiáng)度。若材料的厚度下降至一定的區(qū)間,表層晶粒會(huì)與內(nèi)部晶粒具有相當(dāng)?shù)恼急?此時(shí),表層晶粒占比的提升造成屈服強(qiáng)度的隨之下降。

若材料厚度位于20～100 μm區(qū)間,由于應(yīng)變梯度效應(yīng)的存在,材料的屈服強(qiáng)度會(huì)因厚度降低而有所增強(qiáng)。相關(guān)研究證明,不銹鋼類材料一般具備表面鈍化膜[4],且出現(xiàn)屈服變形的微觀機(jī)制主要為晶粒的位錯(cuò)滑移,但由于強(qiáng)度更高的鈍化膜存在,在拉伸過程中,對(duì)于表層晶粒的位錯(cuò)滑移形成限制,從而在一定程度上強(qiáng)化材料的拉伸性能[5]。

根據(jù)圖4(b)曲線所示,隨著板料厚度的增加,不銹鋼薄板的斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),表明其塑性性能得到明顯提升。試樣厚度的大小明顯影響著板料的斷后伸長(zhǎng)率,尤其是當(dāng)厚度小于100 μm時(shí)。20 μm和50 μm厚的板料斷后伸長(zhǎng)率分別為1.96%和2.85%,100 μm板料為7.59%,200 μm板料為12.96%。當(dāng)試樣的厚度為20 μm時(shí),只有1～2個(gè)晶?？稍诤穸确较蛏蟽?chǔ)存。當(dāng)取向不合適的晶粒發(fā)生塑性變形時(shí),周圍的晶粒數(shù)量太少,無法協(xié)調(diào)其變形[6],因此容易導(dǎo)致斷裂情況發(fā)生,最終宏觀上表現(xiàn)為20 μm厚的薄板試樣的斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)低于100 μm及以上厚度的板料。當(dāng)試樣厚度超過100 μm時(shí),斷裂后的伸長(zhǎng)率的尺寸效應(yīng)不再明顯,而在100、200 μm厚度的薄板上,斷裂后的伸長(zhǎng)率相對(duì)較高且差異趨于減小。因薄板平面內(nèi)的晶粒數(shù)量較多,當(dāng)發(fā)生變形時(shí),不利于變形的晶粒和有利于變形的晶粒之間相互協(xié)調(diào),從而導(dǎo)致斷裂后的伸長(zhǎng)率提高。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 材料模型

采用動(dòng)力顯式算法,輸入304不銹鋼的密度7.93×10-9t/mm3,彈性模量193 GPa,泊松比0.29。在塑性設(shè)置中輸入試驗(yàn)應(yīng)力塑性應(yīng)變曲線,選擇延性金屬損傷中的柔性損傷,斷裂應(yīng)變?yōu)?.23,三軸應(yīng)力為0.33,應(yīng)變比為0.5,破壞位移為0.01。

3.2 分析步及網(wǎng)格設(shè)置

由于采用準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸仿真,并且動(dòng)態(tài)顯式算法采用動(dòng)力學(xué)方程的一些差分格式(例如廣泛使用的中心差分法、線性加速度法、newmark法和wilson法等),不用直接求解切線剛度,不需要進(jìn)行平衡迭代,計(jì)算速度快,若時(shí)間步長(zhǎng)取值足夠小,一般不存在收斂性問題[7]。因此需要的內(nèi)存也比隱式算法少,所以分析步采用動(dòng)態(tài)顯式分析。時(shí)間長(zhǎng)度為1 s,對(duì)模型進(jìn)行目標(biāo)時(shí)間增量設(shè)置,系數(shù)為1×10-4。在場(chǎng)輸出中勾選損傷初始準(zhǔn)則(dmicrt)、材料體積分?jǐn)?shù)和狀態(tài)。并對(duì)參考點(diǎn)建立集,在歷程輸出中對(duì)集進(jìn)行沿拉伸方向的位移和力輸出。

劃分網(wǎng)格全部采用六面體結(jié)構(gòu)單元,整體網(wǎng)格尺寸為0.35,因模型厚度僅為0.5 mm,為方便計(jì)算及避免不收斂問題,在模型厚度方向布置6個(gè)種子,并將標(biāo)距段種子尺寸改為0.1,實(shí)現(xiàn)局部網(wǎng)格細(xì)化。

3.3 仿真結(jié)果

使用有限元軟件ABAQUS對(duì)本文所設(shè)計(jì)的小型拉伸試樣進(jìn)行單向拉伸模擬。有限元模擬結(jié)果如圖5所示,仿真過程完整模擬出彈性、塑性階段(硬化、頸縮斷裂失效)的變形過程。經(jīng)分析,試樣斷裂位置較好,且斷裂所需載荷位移位于試驗(yàn)機(jī)范圍之內(nèi)。

圖5 拉伸過程仿真云圖

3.4 對(duì)比分析

為探究數(shù)值模擬小試樣單向拉伸與標(biāo)準(zhǔn)試樣單向拉伸的區(qū)別或一致性,按國(guó)標(biāo)GB/Z 38434—2019《金屬材料 力學(xué)性能試驗(yàn)用試樣制備指南》在ABAQUS中繪制了單向拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣,對(duì)其施加的拉伸位移為20,其他參數(shù)條件均與小試樣單向拉伸模擬一致,并將0°小試樣的試驗(yàn)曲線加入,三者的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 3種條件下的拉伸曲線對(duì)比

由圖6分析可知,小試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬中小試樣單向拉伸和標(biāo)準(zhǔn)試樣單向拉伸的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能基本相等,應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)具有相似性。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)304不銹鋼薄板小試樣在不同條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲得了材料在各條件下的力學(xué)性能,并就差異化結(jié)果從微觀角度進(jìn)行分析;其次,應(yīng)用ABAQUS對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣和小試樣進(jìn)行拉伸仿真模擬,并聯(lián)系試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下。

1)試樣材料的屈服應(yīng)力沿軋制方向從0～45°逐漸減小,從45～90°逐漸增大。在45°方向屈服應(yīng)力達(dá)到最小值。且試樣材料的伸長(zhǎng)率與板料軋制方向具有相關(guān)性,即從0～90°,伸長(zhǎng)率總體呈先增大后減小的趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)材料存在明顯的各向異性,生產(chǎn)、研究上可利用此特性進(jìn)行性能整改與優(yōu)化。

2)試樣厚度大于200 μm時(shí),表面層晶粒對(duì)屈服強(qiáng)度變化起主要作用。厚度小于200 μm時(shí),表層晶粒的減少與應(yīng)變梯度效應(yīng)共同作用。從微觀角度解釋了304不銹鋼板的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,對(duì)本材料的尺寸效應(yīng)類研究提供了依據(jù)。

3)仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：小型拉伸試樣一定程度上可代替?zhèn)鹘y(tǒng)割取標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)容器設(shè)備等進(jìn)行檢測(cè)分析。為采用小試樣技術(shù)對(duì)容器設(shè)備等進(jìn)行性能檢測(cè)提供了可能。