316L不銹鋼箔應(yīng)變不均勻性研究

胡建華,尚 磊,單志航,楊軍恒

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

0 引言

316L不銹鋼在航空航天、醫(yī)療器械以及化工設(shè)備等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中,它經(jīng)常需要承受復(fù)雜的加載條件,因此,深入了解其力學(xué)行為變得至關(guān)重要。特別是當存在諸如孔、角、間隙等幾何特征時,這些設(shè)計上的考慮通常旨在滿足減輕重量的需求,但在復(fù)合載荷作用下,局部應(yīng)變場往往呈現(xiàn)出高度不均勻的特性[1]。

數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)是光學(xué)和非接觸方法中應(yīng)用最廣泛的一種方法,被廣泛用于深入了解材料的應(yīng)變不均勻性。相較傳統(tǒng)的應(yīng)變片測量方法,DIC技術(shù)可提供2D和3D的全局位移和應(yīng)變場數(shù)據(jù)。任春影 等[2]使用DIC技術(shù)生成高強度鋼板的應(yīng)變云圖,揭示了在靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗中,應(yīng)變分布隨時間和空間演化的不均勻性,尤其是在頸縮和斷裂階段的應(yīng)變局部化過程。Kang et al.[3]利用DIC技術(shù)研究了AZ31合金板材在單軸拉伸試驗中的應(yīng)變分布。研究結(jié)果顯示,板材表面的應(yīng)變呈非線性變化,產(chǎn)生較大的應(yīng)變梯度,但在厚度方向上變形較小,表現(xiàn)出明顯的不均勻性變形。Tarigopula et al.[4]使用DIC技術(shù)研究了在不同加載速率下,DP800鋼板從開始塑性變形到斷裂的應(yīng)變云圖,揭示了其應(yīng)變演化過程,結(jié)果表明,材料早期應(yīng)變呈現(xiàn)局部化現(xiàn)象,并逐漸從均勻應(yīng)變過渡到嚴重局部化應(yīng)變。

目前對于316L不銹鋼箔應(yīng)變不均勻性的研究十分有限,特別是在基于DIC技術(shù)的試驗研究方面較少。因此,為研究該問題,設(shè)計了一種試件結(jié)構(gòu),其中試件中心含有孔洞且兩端凸起,并基于DIC技術(shù)進行拉伸試驗。通過這項研究,旨在探討316L不銹鋼箔在不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變不均勻性。

1 試驗材料與方法

試驗選用的材料為冷軋316L奧氏體不銹鋼,厚度為100 μm,其生產(chǎn)的不銹鋼符合ASTM A240標準。其化學(xué)成分如表1所示,試件尺寸如圖1所示。

單位：mm

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù) 單位：%

采用電火花線切割技術(shù)加工該拉伸試樣,其孔洞通過臺鉆進行鉆孔。為了在臺鉆加工試件孔洞時保持精確性,應(yīng)確定圓心位置,避免孔洞偏移。同時使用夾緊裝置固定試件,確保穩(wěn)定加工。加工完成后,在試件表面噴涂白色底漆并等待干燥。隨后,在白色底漆上噴涂黑色斑點來制作人造斑點圖案。散斑的演變被認為是樣品變形的結(jié)果。拉伸過程中應(yīng)變率設(shè)置為0.1%,利用digital image correlation engine(DICe)軟件對樣品的變形過程進行分析。

使用3200型拉伸試驗機進行單軸拉伸試驗。材料的變形通過二維DIC裝置進行測量,該裝置由LED光源、工業(yè)相機、變焦鏡頭和控制計算機組成,如圖2所示。工業(yè)相機的幀率設(shè)置為1 fps/s。子集大小設(shè)置為17×17像素,并采用6像素的步長進行DIC分析。

(a)DIC系統(tǒng)及萬能試驗機 (b)噴涂散斑的試樣

2 試驗結(jié)果與分析

含孔試樣的拉伸載荷位移曲線如圖3所示。在拉伸試驗的不同階段,觀察到試樣上的圓孔逐漸沿著試件的長軸方向拉伸,最終形成橢圓形。

圖3 含孔試樣載荷位移曲線和工業(yè)相機在試驗不同階段拍攝的3幅圖像

基于DIC技術(shù)對316L不銹鋼箔含孔試樣拉伸試驗過程進行監(jiān)測,以便量化其塑性變形過程。試樣在不同拉伸階段(t1～t5)的全場應(yīng)變?nèi)鐖D4所示,圖中不同灰度代表不同應(yīng)變水平,圖例為不同灰度代表的具體應(yīng)變數(shù)值。

圖4 試驗初期(t1=0 s)、中期(t2=31 s、t3=66 s和t4=81 s)和斷裂前(t5=127 s)二維應(yīng)變圖

結(jié)果表明,在試驗的不同階段,試樣的應(yīng)變分布呈現(xiàn)出明顯的變化。在試驗初期(t1階段),試樣表面應(yīng)變分布相對均勻。然而,隨著時間推移至t2階段,應(yīng)變局部化現(xiàn)象開始顯現(xiàn)。部分區(qū)域經(jīng)歷更大的應(yīng)變,而其他區(qū)域受影響較少,這種趨勢一直加劇至試驗的t5階段,即試樣的宏觀破壞階段。在這一階段,應(yīng)變不均勻性達到頂峰,試樣的表面形變分布變得十分不均勻,最終導(dǎo)致試樣整體破壞。

在t5時刻觀察材料表面應(yīng)變云圖,顯示出明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象。部分區(qū)域的應(yīng)變數(shù)值明顯低于其他區(qū)域,這是由于樣品內(nèi)部分布不均勻特性或測量的不準確所導(dǎo)致。具體來說,在橫向應(yīng)變分量εxx上,孔的左上方和右下方的應(yīng)變略高于右上方和左下方的應(yīng)變。在孔洞左上方,縱向應(yīng)變分量εyy的空間分布比右下方更為密集。在加載初期時,最小縱向應(yīng)變和最大縱向應(yīng)變的絕對值近乎相同,然而隨著載荷的增加,最小縱向應(yīng)變的絕對值與最大縱向應(yīng)變的絕對值相差0.08。此外,剪切應(yīng)變分量εxy的空間分布表現(xiàn)出明顯的集中現(xiàn)象,主要集中在孔洞的左上方和右下方,形成了一個呈現(xiàn)“”形狀的區(qū)域,最終導(dǎo)致試樣從這些區(qū)域斷裂。這種現(xiàn)象表明,應(yīng)變局部化似乎更適合按照45°角模式進行發(fā)展。

3 結(jié)束語

本文針對316L不銹鋼箔含孔試樣中的變形不均勻性進行深入分析。通過拉伸加載試驗,探討了試樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形行為;通過DIC技術(shù)獲得的應(yīng)變云圖,從時間和空間的角度直觀揭示了應(yīng)變分布的不均勻性和應(yīng)變局部化的演化過程。

拉伸試驗結(jié)果顯示,在試驗過程中,應(yīng)變局部化呈逐漸發(fā)展的趨勢?；贒IC技術(shù)獲得的應(yīng)變云圖觀察到316L不銹鋼箔表面應(yīng)變在試驗的早期階段應(yīng)變分布相對均勻,然而隨著試驗的進行,應(yīng)變局部化現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)。這種趨勢持續(xù)到試驗的最后階段,最終導(dǎo)致試樣的頸縮和破壞。這些局部化區(qū)域在縱向、橫向和剪切應(yīng)變上均十分清晰,表明試樣在不同方向上均存在應(yīng)變不均勻性。

材料的應(yīng)變不均勻性源于其多晶體內(nèi)晶粒的隨機取向。盡管在宏觀尺度上,變形似乎是均勻的,但在微觀層面,不同晶粒的取向差異導(dǎo)致應(yīng)變分布的不均勻性。這種不均勻性可能會對材料的力學(xué)性能和使用壽命產(chǎn)生顯著影響。

為減輕應(yīng)變不均勻性對工件使用壽命的負面影響,確保變形金屬的成分和組織盡可能均勻是至關(guān)重要的。通過優(yōu)化工件的形狀設(shè)計,可減少局部應(yīng)變的集中程度,從而降低材料在特定區(qū)域的應(yīng)力集中。此外,在實際工作中,須注意環(huán)境因素對材料性能和變形的潛在影響。環(huán)境條件的變化可能導(dǎo)致材料的腐蝕、疲勞等問題,從而加劇應(yīng)變不均勻性對工件的損傷程度。因此,在合適的環(huán)境條件下進行工作并采取必要的預(yù)防措施,是確保材料長期穩(wěn)定工作和延長工件壽命的重要步驟。

通過優(yōu)化材料的組織結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計工件形狀以及在適宜的環(huán)境條件下進行工作,可最大程度地減少材料的應(yīng)變不均勻性對工件使用壽命的潛在影響,從而提高工件的耐久性和性能表現(xiàn)。