缺口對(duì)ML20MnTiB鋼拉伸強(qiáng)度的影響研究*

李雨林

寶雞文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 陜西寶雞 721016

1 研究背景

ML20MnTiB鋼常用于生產(chǎn)10.9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)件,特點(diǎn)是不需要預(yù)先球化退火處理就可直接拉拔和冷鐓加工,具有優(yōu)越的冷變形性能和強(qiáng)韌性,淬火變小,開(kāi)裂傾向弱,可用水淬處理,脫碳敏感性低。由于性能優(yōu)異,制造成本較低,可以用于制造汽車主體架構(gòu)及列車零部件。

筆者對(duì)ML20MnTiB鋼試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),并對(duì)試樣的拉伸過(guò)程進(jìn)行仿真分析,以此獲得試樣的真應(yīng)力對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng),以及載荷分布狀態(tài)。對(duì)各試樣的斷口處進(jìn)行電鏡掃描,研究并分析缺口對(duì)ML20MnTiB鋼斷裂的作用機(jī)理,以及與應(yīng)力三軸度、塑性應(yīng)變之間的關(guān)系,為后續(xù)ML20MnTiB鋼的推廣使用及失效分析提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料

ML20MnTiB鋼以少量硼代替大量合金元素,碳和合金元素含量低,因此具有良好的綜合力學(xué)性能,具體元素含量見(jiàn)表1。

表1 ML20MnTiB鋼元素含量

光滑試樣和不同尺寸缺口試樣尺寸如圖1所示。缺口試樣的缺口半徑分別為16 mm、8 mm、4 mm,為防止夾持端與標(biāo)距段交匯處應(yīng)力集中影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,采用圓角過(guò)渡。試樣參照GB/T 228—2021制作。

▲圖1 試樣尺寸

3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,將ML20MnTiB鋼試樣在拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)拉伸速度為2 mm/min。在試樣標(biāo)距段安裝引伸計(jì),引伸計(jì)標(biāo)距為 50 mm。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,分別記錄光滑試樣及不同尺寸缺口試樣加載的試驗(yàn)力位移曲線,對(duì)各試樣的試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。

▲圖2 拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)

筆者根據(jù)光滑試樣的單軸拉伸試驗(yàn),得到材料塑性性能曲線和對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力曲線原始數(shù)據(jù),真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。

▲圖3 真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

以光滑試樣的本構(gòu)關(guān)系作為缺口試樣的本構(gòu)關(guān)系,將本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)入Ansys Workbench軟件,以試驗(yàn)的拉伸位移、拉伸速度作為仿真約束參數(shù),材料泊松比為0.25,進(jìn)行拉伸仿真分析。分析過(guò)程中采用位移加載方式,位移加載量與試驗(yàn)值一致。由此可以獲得試樣加載過(guò)程中模擬標(biāo)距段位移、載荷數(shù)據(jù),以及拉伸過(guò)程中缺口試樣的應(yīng)力三軸度云圖,用于分析光滑試樣及缺口試樣在相同條件下的應(yīng)力三軸度對(duì)斷裂失效機(jī)理的影響。當(dāng)有限元模型網(wǎng)格尺寸小于0.1 mm時(shí),網(wǎng)格尺寸對(duì)試樣失效應(yīng)變的影響可以忽略。為保證模擬精度,試驗(yàn)中所有試樣的有限元模型網(wǎng)格尺寸均取 0.1 mm,在此基礎(chǔ)上對(duì)試樣缺口根部單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格加密。

筆者利用掃描電子顯微鏡對(duì)光滑試樣及缺口試樣的斷裂面進(jìn)行電鏡掃描,從電鏡圖片中觀察試樣的斷裂面形態(tài)及斷裂機(jī)理。掃描電子顯微鏡如圖4所示。

▲圖4 掃描電子顯微鏡

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 缺口尺寸對(duì)拉伸性能影響

試樣載荷位移曲線如圖5所示。由圖5可知,光滑試樣和缺口試樣的載荷位移曲線擬合程度較好,說(shuō)明以光滑試樣的本構(gòu)關(guān)系及材料性能參數(shù)能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)缺口試樣的拉伸加載過(guò)程。由圖5可以看出,缺口試樣的載荷位移曲線均高于光滑試樣,并且隨著缺口半徑的減小,載荷位移曲線升高。當(dāng)試樣載荷達(dá)到峰值時(shí),試樣已在強(qiáng)化階段達(dá)到了材料本身的強(qiáng)度極限,隨著試樣拉伸位移的不斷增大,試樣的橫向尺寸會(huì)突然急劇減小,直至斷裂。

▲圖5 試樣載荷位移曲線

缺口試樣的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大而提高,這一現(xiàn)象稱為缺口強(qiáng)化。試樣拉伸強(qiáng)度應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6可知,缺口試樣相較于光滑試樣,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所提高,并且隨缺口半徑的減小,試樣的強(qiáng)度提高。當(dāng)材料所受應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí),材料內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形與應(yīng)力集中程度也有所不同,材料的斷裂機(jī)理會(huì)發(fā)生變化。為反映材料受力時(shí)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),引入應(yīng)力三軸度來(lái)反映對(duì)材料塑性變形能力的約束程度。

▲圖6 試樣拉伸強(qiáng)度應(yīng)變曲線

一般認(rèn)為,應(yīng)力三軸度反映了應(yīng)力場(chǎng)中三軸應(yīng)力狀態(tài)和對(duì)材料變形的約束程度,會(huì)直接影響材料的塑性變形及斷裂行為。在應(yīng)力場(chǎng)中,通常用平均應(yīng)力與等效應(yīng)力之比來(lái)表征應(yīng)力三軸度的大小,為:

(1)

式中:σ*為應(yīng)力三軸度;σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。

試樣在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)無(wú)法測(cè)出試樣的三個(gè)主應(yīng)力,因此無(wú)法計(jì)算出各試樣的應(yīng)力三軸度,也很難對(duì)試樣的拉伸強(qiáng)度及斷裂失效進(jìn)行預(yù)測(cè)。布里奇曼公式為經(jīng)驗(yàn)公式,將頸縮自由表面看作圓弧,假定周向應(yīng)變等于徑向應(yīng)變,從而推導(dǎo)出缺口試樣最小截面的應(yīng)力三軸度表達(dá)式。筆者采用布里奇曼公式對(duì)光滑試樣及缺口試樣的應(yīng)力三軸度進(jìn)行估算,為:

(2)

式中:R為頸縮表面的曲率半徑;r為頸縮處橫截面的最小半徑。

根據(jù)布里奇曼公式,計(jì)算得出光滑試樣及缺口試樣的應(yīng)力三軸度分別為0.33、0.48、0.60、0.82,由此可以對(duì)各試樣的拉伸強(qiáng)度及斷裂失效進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2 缺口尺寸對(duì)應(yīng)力集中程度影響

光滑試樣及缺口試樣的最小截面應(yīng)力三軸度云圖如圖7～圖10所示。光滑試樣及缺口試樣為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),由圖7～圖10可清晰地觀察到試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力集中部位。不同試樣的應(yīng)力三軸度曲線如圖11所示。由圖11可以看出,試樣缺口尺寸不同,試樣標(biāo)距段的應(yīng)力三軸度有明顯差異。試驗(yàn)中,試樣的拉伸方式均為單軸拉伸,光滑試樣的應(yīng)力三軸度始終為0.33,半徑16 mm、半徑8 mm、半徑4 mm缺口試樣的應(yīng)力三軸度依次位于0.39～0.76、0.48～0.93、0.60～0.99范圍內(nèi)。結(jié)合上文,由布里奇曼公式計(jì)算得出的光滑試樣及缺口試樣應(yīng)力三軸度也在此范圍內(nèi),因此筆者所采用的試樣本構(gòu)關(guān)系、約束參數(shù)及仿真步驟正確可行。

▲圖7 光滑試樣最小截面應(yīng)力三軸度云圖

▲圖8 半徑16 mm缺口試樣最小截面應(yīng)力三軸度云圖▲圖9 半徑8 mm缺口試樣最小截面應(yīng)力三軸度云圖▲圖10 半徑4 mm缺口試樣最小截面應(yīng)力三軸度云圖▲圖11 試樣應(yīng)力三軸度曲線

應(yīng)力三軸度能夠綜合反映材料發(fā)生塑性變形能力的約束程度,當(dāng)試樣處于受拉狀態(tài)時(shí),應(yīng)力三軸度越大,試樣的塑性變形能力越弱,反之,試樣的塑性變形能力越強(qiáng)。試樣的應(yīng)力三軸度增大時(shí),會(huì)相對(duì)提高試樣的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。因此,隨著試樣缺口半徑的減小,試樣的應(yīng)力三軸度位移曲線升高,符合圖11的加載趨勢(shì)。

在拉伸過(guò)程中,試樣的塑性應(yīng)變主要集中在頸縮區(qū)域,斷裂也往往從頸縮區(qū)域的中心部位開(kāi)始,因此分別對(duì)光滑試樣及缺口試樣頸縮處單元進(jìn)行分析。對(duì)于光滑試樣,標(biāo)距段無(wú)明顯缺口,應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯,并且始終處于單軸拉伸狀態(tài),應(yīng)力三軸度值基本保持不變。對(duì)于缺口試樣,中心缺口處單元在進(jìn)入塑性變形后應(yīng)力三軸度跳躍式增大,隨著拉伸位移的增大,應(yīng)力三軸度平緩減小,此時(shí)試樣的塑性變形能力提高,缺口處發(fā)生肉眼可見(jiàn)的塑性變形。

4.3 缺口尺寸對(duì)拉伸強(qiáng)度影響

光滑試樣及不同尺寸缺口試樣斷裂面電鏡圖片如圖12～圖15所示。觀察時(shí),觀測(cè)點(diǎn)始終為試樣的起裂位置,由此獲得不同應(yīng)力狀態(tài)下起裂時(shí)的機(jī)理。光滑試樣和缺口試樣掃描電鏡的觀測(cè)點(diǎn)位于試樣心部,試樣起裂的機(jī)理均為孔洞正斷,此種斷裂機(jī)理稱為韌窩型正斷。斷裂面的韌窩形貌主要受應(yīng)力三軸度及塑性應(yīng)變的影響,其中,韌窩的大小主要受應(yīng)力三軸度的影響,韌窩的深淺主要受塑性應(yīng)變的影響。試樣在拉伸過(guò)程中,拉伸位移增大,直至斷裂失效,試樣直徑最小中心處應(yīng)力三軸度最大。試樣斷裂面的應(yīng)力三軸度越大,試樣的塑性變形能力越弱,且應(yīng)力集中明顯,因此斷裂面韌窩所占的面積較大。由圖12～圖15可以明顯觀察到,隨著缺口半徑的減小,試樣斷裂面的韌窩逐漸增大。

▲圖12 光滑試樣斷裂面電鏡圖片

▲圖13 半徑16 mm缺口試樣斷裂面電鏡圖片▲圖14 半徑8 mm缺口試樣斷裂面電鏡圖片

▲圖15 半徑4 mm缺口試樣斷裂面電鏡圖片

5 結(jié)論

筆者對(duì)光滑試樣與不同尺寸缺口試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,驗(yàn)證以光滑試樣的本構(gòu)關(guān)系及性能參數(shù)為基礎(chǔ)對(duì)缺口試樣拉伸過(guò)程進(jìn)行仿真分析的可行性,并仿真分析得到ML20MnTiB鋼不同尺寸缺口試樣拉伸過(guò)程中的應(yīng)力三軸度分布。通過(guò)對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡分析,得出三方面結(jié)論。

(1) 通過(guò)拉伸試驗(yàn)實(shí)測(cè)所得到的數(shù)據(jù),可以擬合得出ML20MnTiB鋼的載荷位移曲線。由曲線的擬合程度可知,以光滑試樣的本構(gòu)關(guān)系及材料性能參數(shù)能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)缺口試樣的拉伸加載過(guò)程。

(2) 試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果表明,缺口試樣相較于光滑試樣,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所提高,并且隨著缺口半徑的減小,試樣的強(qiáng)度提高,即隨著應(yīng)力三軸度增大,試樣的失效應(yīng)力增大。

(3) 由試樣斷裂面電鏡圖片可知,各試樣斷裂機(jī)理均為韌窩型正斷,隨著缺口半徑的減小,即隨著三軸度的增大,斷裂面上的韌窩聚合程度提高,形狀逐漸趨于球形,韌窩半徑逐漸增大。