三維打印GP1不銹鋼動態(tài)剪切力學性能研究*

□ 任 豪 □ 周剛毅 □ 董新龍 □ 付應乾 □ 舒 旗

1.寧波大學 沖擊與安全工程教育部重點實驗室 浙江寧波 315211 2.寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

1 研究背景

自20世紀90年代三維打印技術發(fā)展以來,三維打印材料從高分子材料發(fā)展到金屬粉末材料,使三維打印技術在航空航天、軍事、汽車制造等領域有廣泛應用。這些領域對三維打印材料有特殊要求,如零部件需要具備耐沖擊、耐擠壓、抗變形等性能,使三維打印材料的力學性能成為研究重點。

目前,研究人員重點關注工藝參數(shù)優(yōu)化對準靜態(tài)力學性能的影響[4-5],三維打印成型件動態(tài)加載方面的研究還比較少。因此,有必要對三維打印成型件的動態(tài)力學性能開展研究。Ullah等[6]采用激光選區(qū)熔化工藝制備TC4鈦合金蜂窩芯材,通過力學試驗表明剪切和壓縮性能都超過了航空航天標準。Song等[7]采用三維打印技術研究304L不銹鋼的動態(tài)拉伸和壓縮力學性能,在應變小于0.3時,壓縮的屈服應力和流動應力相對較高;還分析了在應變率相近時,三維打印技術制備的試樣比傳統(tǒng)鑄造制備的試樣有更高的屈服強度和流動應力,斷裂伸長率則較低。在實際應用中,三維打印成型件會受到?jīng)_擊載荷,因此,有必要對三維打印成型件的動態(tài)力學性能開展研究。在研究剪切加載時,研究人員以往采用圓柱試樣的壓縮[8]、薄壁管的扭轉[9]、動態(tài)帽型試樣的剪切[9-10]等,來研究動態(tài)剪切性能。Meyer等[10]、Hartmann等[11]最早提出圓柱帽型剪切試驗。圓柱帽型試樣有對稱和加載方便等優(yōu)點,但是有一個很大的缺點,就是加工比較困難,精度達不到要求,并且對圓柱帽型試樣剪切區(qū)域的觀測比較困難。對此,Clos等[12]提出一種扁平帽型試樣,可以直接對其剪切區(qū)域進行測試。然而,上述圓柱帽型剪切試樣和扁平帽型剪切試樣都有相同的問題,就是在受迫剪切時由于試樣結構變形等原因,導致試樣剪切區(qū)域不是純剪切狀態(tài),只能定性討論,難以得到相應的等效應力應變曲線。

筆者采用分離式霍普金森壓桿對GP1不銹鋼材料扁平板帽型剪切試樣開展研究,采用超高速相機記錄其剪切破壞過程,利用數(shù)字圖像相關法測試剪切區(qū)域的應力演化,分析材料的剪切變形,得到等效應力應變曲線,并對其進行分析。

2 試驗方法

試驗采用直徑為14.5 mm的分離式霍普金森壓桿對GP1不銹鋼扁平帽型剪切試樣進行動態(tài)加載,試樣設置在輸入桿和輸出桿之間,試驗設置如圖1所示。試驗采用不同長度的子彈,分別為200 mm、300 mm、400 mm、500 mm,并采用不同的子彈速度進行。

根據(jù)霍普金森一維應力波分析,利用通過入射桿和透射桿上的應變片來測試應變值,從而可得到試樣剪切區(qū)域動態(tài)剪切力F(t)及試樣壓縮位移ΔD(t)[13],分別為:

F(t)=AbarEbarεt(t)

(1)

(2)

式中:t為時間;εi(t)為入射波信號;εr(t)為反射波信號;Abar為霍普金森壓桿橫截面積;Ebar為霍普金森壓桿彈性模量;C0為彈性波速。

在動態(tài)加載試驗分析中,通常假設試樣的剪切區(qū)是單純的剪切應力狀態(tài),由此得到試樣剪切區(qū)域剪應力τxy[14-15],為:

τxy=F(t)/As

(3)

式中:As為試樣剪切面積。

進一步分析,假設剪切區(qū)域的變形為均勻分布,并且在試樣設計時預留剪切變形寬度Δw,那么可以獲得近似的工程剪切應變Υtheo[16],為:

Υtheo=α≈tanα=ΔD/Δw

(4)

試驗加載原理如圖2所示。在子彈撞擊入射桿時,劃圈部分為剪切區(qū)域,w1為試樣上端寬度,w2為開口寬度,h為剪切區(qū)域高度。如果假設試樣的剪切區(qū)域是單純的剪切應力狀態(tài),那么可以按式(3)計算得到剪切區(qū)域的應力。

在傳統(tǒng)帽型試樣實際加載過程中,由于試樣結構的影響,試樣的剪切區(qū)域不是單純只有剪切,會出現(xiàn)正應力σx、σy,按式(3)、式(4)計算得到的僅僅是微元體相應面上的剪應力分量。在試驗加載過程中,剪切變形的寬度不會和預留剪切變形寬度相等[17],所以需要將試樣設計為扁平帽型。

3 試樣準備

試驗選用GP1不銹鋼粉末,化學成分及質量分數(shù)為錳0.61%、鋼2.69%、硅0.63%、碳0.05%、鉻17.54%、鐵74.54%、鎳4.36%。原始GP1不銹鋼粉末的掃描電子顯微鏡形貌如圖3所示,平均粒徑為35 μm。試樣采用三維打印設備制備,制備過程采用振鏡掃描,工藝參數(shù)為掃描速度1 000 mm/s、鋪粉速度80 mm/s、激光功率400 W、層厚20 μm、預熱溫度80 ℃。制備過程中,采用氮氣保護,防止氧化[18]。

扁平帽型剪切試樣的設計尺寸如圖4所示,H1為2.2 mm,H2為7 mm,H3為2.2 mm,L1為3 mm,L2為3.2 mm,h為2 mm,Δw為0.6 mm。試樣整體厚度為5 mm。為了使剪切區(qū)域變形均勻,剪切區(qū)域的起始處和終端處都設計為圓角。

成型后,扁平帽型剪切試樣如圖5所示,橫截面與縱截面微觀金相組織如圖6所示。由圖6可知,無論是橫截面還是縱截面,材料致密性良好,無孔洞等無明顯缺陷。

針對剪切區(qū)域復雜的應力狀態(tài),對所設計的扁平帽型剪切試樣采用莫爾圓圖解法[19]。復雜應力狀態(tài)可用莫爾圓表示,如圖7所示。σ1、σ2、σ3均為應力狀態(tài)的主應力,可見AB長度對應σ1-σ3。將AB看作為等邊三角形的一條邊,做等邊三角形ABC,連接D、C,可以得到DC對應等效應力σe為:

(5)

應力狀態(tài)下的最大剪切應力。文獻[20]推導出,在發(fā)生小變形時,等效應變εe為:

(6)

從而可以得到能夠反映材料特征的等效應力應變曲線。

4 試驗結果

分離式霍普金森壓桿動態(tài)剪切試驗得到GP1不銹鋼試樣一組典型入射波、反射波、透射波電壓信號,如圖8所示。可見,在試驗過程中,子彈長為300 mm,撞擊速度為5.8 m/s時,從75 μs開始,入射波持續(xù)加載,反射波和透射波出現(xiàn)下降,表明在時間為75 μs時扁平帽型剪切試樣開始出現(xiàn)破壞,直到90 μs時發(fā)生斷裂。通過式(1)、式(2)得到動態(tài)應力位移曲線,如圖9所示。當然,在試驗加載過程中,試樣剪切區(qū)域寬度是不斷變化的,很難準確直接計算得到剪切應力應變曲線,剪切區(qū)域的應變不容易通過試驗得到。

子彈長度為300 mm,撞擊速度為5.4 m/s時,采用數(shù)字圖像相關法,分析剪應力、剪應變演化過程。試樣剪應變云圖如圖10所示,可見試樣剪切區(qū)域變形初期沿剪切方向均勻變形,隨著壓縮位移的增大,剪切區(qū)域寬度不斷減小,直到發(fā)生集中斷裂。

試樣剪切應變和剪切應力時程曲線如圖11所示?？梢姀膖1到t4,剪切應力不斷增大,剪切區(qū)域寬度不斷減小,從t5開始發(fā)生剪切破壞,直到t6完全破壞,剪切應力減小為0。

試樣沿剪切方向剪切區(qū)域各點剪切應變時程曲線如圖12所示,可見剪切區(qū)域在整個加載過程中近似均勻,由此在試驗過程中取中點來表征剪切區(qū)域的平均應變。

GP1不銹鋼不同剪切應變率的剪切應力剪切應變曲線如圖13所示,可見隨著剪切應變率的增大,屈服強度與流動應力都提高;隨著剪切應變率的增大,應變硬化強度提高;剪切應變率達到5 600 s-1時,還沒有觀察到應變軟化特征。

通過式(3)、式(5)處理得到等效應力等效應變曲線。GP1不銹鋼不同剪切應變率的等效應力等效應變曲線如圖14所示,可見存在明顯的應變率效應。在剪切應變率3 800～5 600 s-1范圍內,隨著剪切應變率的增大,應變強化明顯。在剪切應變率3 800～5 600 s-1范圍內,隨著剪切應變率的增大,屈服強度提高。

GP1不銹鋼動態(tài)屈服強度對數(shù)應變率曲線如圖15所示,可見屈服強度與對數(shù)應變率接近線性關系,剪切應變率在3 800～5 600 s-1范圍內,隨著剪切應變率的增大,屈服強度線性提高,從3 800 s-1時的747 MPa提高到5 600 s-1時的815 MPa。

為了衡量三維打印GP1不銹鋼的應變速率強化效應,用應變率敏感因數(shù)λ來表征[21],為:

(7)

通過式(7)可以計算得到GP1不銹鋼動態(tài)剪切應變率敏感因數(shù)為186。

5 結束語

通過三維打印工藝制備扁平帽型剪切試樣,采用分離式霍普金森壓桿對其開展動態(tài)剪切力學性能試驗研究。由于加載過程中試樣剪切區(qū)域寬度是不斷變化的,無法給出應變,因此在試驗中,采用超高速相機記錄動態(tài)變形過程,采用數(shù)字圖像相關法直接對試樣剪切區(qū)域剪切應變分布及演化過程進行分析,得到剪切應變,進而得到剪切應力剪切應變曲線、等效應力等效應變曲線。試驗結果顯示,三維打印GP1不銹鋼剪切加載狀態(tài)下,應力應變曲線具有一定的應變率效應,動態(tài)屈服強度與對數(shù)應變率成線性關系,應變率敏感因數(shù)為186。