不銹鋼材料高溫、高應(yīng)變率下動態(tài)力學性能的試驗研究

張 紅， 索 濤， 李玉龍

(西北工業(yè)大學航空學院，西安 710072)

不銹鋼是現(xiàn)代工業(yè)中的一種重要結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空、化工、能源等方面，對其力學性能的研究具有重要的價值。從現(xiàn)有對各類不銹鋼材料的研究可發(fā)現(xiàn):應(yīng)變速率增加時，其真實應(yīng)力、加工硬化率和應(yīng)變率敏感性存在較大差異［1～3］;同時溫度對這類材料的力學性能也有較大影響［1～6］。

而不銹鋼結(jié)構(gòu)件的加工、使用過程經(jīng)常會涉及高溫環(huán)境和動態(tài)載荷，因此有必要研究不銹鋼材料在高溫、高應(yīng)變率耦合條件下的力學行為，以便為動態(tài)載荷下材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加工及優(yōu)化提供參考。例如，結(jié)構(gòu)件的高速切削加工即為典型的高應(yīng)變率、高溫變形過程，對切削過程的仿真分析則必須提供相關(guān)的動態(tài)力學性能參數(shù)才能進行。但目前國內(nèi)對不銹鋼材料的研究多為高溫準靜態(tài)試驗［4～6］和室溫動態(tài)試驗［7］的分別研究，高溫、高應(yīng)變率耦合力學性能的研究結(jié)果較少。為此，本文利用加裝同步組裝系統(tǒng)的高溫Hopkinson壓桿系統(tǒng)對某不銹鋼材料高溫、高應(yīng)變率耦合狀態(tài)下的動態(tài)力學性能進行了測試，得到了材料不同應(yīng)變率和溫度下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與準靜態(tài)壓縮結(jié)果對比，研究了材料的塑性流變行為，對其溫度及應(yīng)變率效應(yīng)進行了分析。

1 試驗條件及試驗裝置

1.1 試驗條件

本工作對不銹鋼的壓縮試驗涉及不同溫度下的準靜態(tài)和動態(tài)兩種情況。準靜態(tài)試驗采用φ5mm×5mm圓柱試樣在電子萬能實驗機上進行，通過控制加載速率使應(yīng)變率保持在0.001s－1。試驗溫度為室溫20℃ ，200℃ ，400℃ 。

動態(tài)試驗選取1100s－1，2400s－1，4000s－1，8000s－1和 16000 s－1五種應(yīng)變率。其中，1100 s－1和2400 s－1兩種應(yīng)變率下的壓縮試驗采用 φ5mm ×5mm的圓柱形試樣，在直徑12.7mm的分離式Hopkinson壓桿上進行;應(yīng)變率4000和8000 s－1試驗采用 φ2mm ×2mm ，16000 s－1采用 φ2mm ×1mm 圓柱形試樣在直徑5mm的微型Hopkinson壓桿［8］進行。試驗溫度為室溫 20℃ ，200℃ ，400℃ ，600℃ ，800℃。為避免試樣加熱引起加載桿溫度變化造成波阻抗變化影響試驗準確性，高溫時采用加裝同步組裝系統(tǒng)的高溫 Hopkinson桿系統(tǒng)［9，10］實現(xiàn)高溫、高應(yīng)變率同時加載。

1.2 高溫Hopkinson壓桿系統(tǒng)

傳統(tǒng)Hopkinson壓桿由空氣炮、子彈(撞擊桿)、入射桿、透射桿、測試系統(tǒng)、支持系統(tǒng)組成［9］。其基本工作原理［9］是將試件夾在入射桿和透射桿之間，利用空氣炮以一定速度發(fā)射子彈撞擊加載桿產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，并通過入射桿和透射桿上粘貼的應(yīng)變片記錄入射波εI、反射波εR和透射波εT信號。根據(jù)一維應(yīng)力波理論［11］，得到被測試樣的應(yīng)變率˙εS、應(yīng)變εS、應(yīng)力σS隨時間的變化歷程:

式中E，C0和A為加載桿彈性模量、縱波波速和橫截面積，LS，AS為試樣原始長度和橫截面積。

圖1 帶有同步組裝系統(tǒng)的高溫Hopkinson桿系統(tǒng)［9］Fig.1 High temperature Hopkinson bar with synchro assembly system 1—outlet valve;2—inlet valve;3—back air chamber;4—front air chamber;5—strike bar;6—incident bar;7—reaction mass;8—heating furnace;9—sample;10—transmitted bar;11—momentum trap bar;12—driver;13—support;14—air pipe;15—plunger.

由于在Hopkinson壓桿試驗過程中試樣必須與兩加載桿相接觸，高溫試驗時若把試樣和加載桿的桿端同時放于加熱爐中進行加熱，加載桿上將產(chǎn)生溫度梯度，而溫度的變化會引起波阻抗的變化。Hopkinson壓桿實驗中假設(shè)波阻抗沿加載桿長度方向不變，因此這種加熱方法將對實驗數(shù)據(jù)的處理造成諸多不便［13］。高溫Hopkinson壓桿系統(tǒng)則只對與加載桿分離的試樣單獨加熱，并利用同步組裝系統(tǒng)，實現(xiàn)加載應(yīng)力波到達入射桿與試樣接觸面之前，預加熱試樣、入射桿和透射桿在毫秒量級時間內(nèi)充分接觸，克服了加載桿溫度變化及彈性桿過熱等一系列問題［9，10］。圖 1 為高溫 Hopkinson 壓桿系統(tǒng)的工作原理圖，裝置的詳細介紹參閱文獻［9，10］。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 試驗結(jié)果分析

圖2給出了不銹鋼在準靜態(tài)及 1100s－1，2400s－1，4000s－1，8000s－1和 16000s－1應(yīng)變率下不同溫度的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，該不銹鋼材料具有明顯的溫度和應(yīng)變率敏感性。準靜態(tài)及動態(tài)加載時材料的流動應(yīng)力均隨溫度升高顯著降低，存在明顯的熱軟化效應(yīng);同一溫度下，動態(tài)加載時材料的流動應(yīng)力均高于準靜態(tài)，且流動應(yīng)力隨應(yīng)變率增加而增大。

動態(tài)壓縮過程中，較低應(yīng)變率下材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線與準靜態(tài)時變化規(guī)律相似，存在微弱的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，但高溫高應(yīng)變率下變形規(guī)律與準靜態(tài)結(jié)果存在明顯差異。當應(yīng)變率達到2400s－1時，材料在各試驗溫度下均無應(yīng)變硬化發(fā)生，表現(xiàn)為近似的彈性-理想塑性變形行為。

圖2f中材料在16000s－1應(yīng)變率時出現(xiàn)明顯軟化。材料的這種應(yīng)變硬化行為隨應(yīng)變率升高而降低的現(xiàn)象與高應(yīng)變率下塑性變形的絕熱效應(yīng)有關(guān)。在動態(tài)壓縮時，由于加載時間很短，材料塑性變形引起的熱來不及散出，導致變形時的溫度隨應(yīng)變水平的增加逐漸升高。較大的絕熱溫升引起材料軟化就會導致應(yīng)變硬化率降低，甚至出現(xiàn)應(yīng)變軟化。

高應(yīng)變率變形時的絕熱溫升ΔT由變形過程中的塑形功轉(zhuǎn)化成的熱量產(chǎn)生，一般可由下式計算［12］:

式中，σ為真實應(yīng)力，ε為真實應(yīng)變，ρ是材料密度，CV是材料的比熱容;η是功熱轉(zhuǎn)化系數(shù)，通常，可認為塑性功全部轉(zhuǎn)化成熱量，取η=1.0。本研究所用材料，ρ=7.8 ×103kg/m3，CV=0.5kJ/(kgK) 。

圖3給出了流動應(yīng)力與絕熱溫度的對應(yīng)關(guān)系。由圖中可看出，材料溫度隨變形量的增大不斷升高，這是動態(tài)加載時塑性變形產(chǎn)生的熱在材料內(nèi)不斷累積的表現(xiàn)。而溫度的升高通常會引起材料變軟，因此在高應(yīng)變率下變形時，實際上存在著材料本身的應(yīng)變硬化與絕熱效應(yīng)引起的應(yīng)變軟化相互競爭。在1100s－1、室溫變形至應(yīng)變 0.12 時，絕熱溫升僅為44.5℃ ，由此引起的熱軟化較弱，因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。而隨著應(yīng)變率的升高，由于材料的流動應(yīng)力增大，變形時的塑性功增大，引起的絕熱溫升也顯著增大，引起熱軟化增強，導致材料應(yīng)變硬化率顯著降低，甚至出現(xiàn)應(yīng)變軟化。例如，在16000s－1應(yīng)變率下該現(xiàn)象最為顯著，應(yīng)變由0.1增至0.4的過程中，溫度升高了138℃ ，流動應(yīng)力下降107MPa。但隨著試驗溫度的增高，材料流動應(yīng)力降低，變形時的塑性功減小，引起的絕熱溫升降低，材料的軟化現(xiàn)象也趨于不明顯。例如在16000s－1應(yīng)變率下，800℃ 應(yīng)變達0.4時，絕熱溫升僅為70.1℃ ，材料表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化行為。

2.2 材料的溫度效應(yīng)

金屬材料的塑性流動基本上是由位錯的運動引起的［13］。根據(jù)熱激活位錯運動理論［12］，位錯運動過程需克服的能量勢壘有短程和長程兩種。其中短程勢壘為熱激活項，可由熱能ΔG克服;長程勢壘則由材料結(jié)構(gòu)本身決定。因此，材料的流動應(yīng)力可表示為熱激活σ*和非熱激活σG兩部分，即

熱能ΔG與溫度及應(yīng)變率存在以下關(guān)系［12］:

假設(shè)勢壘為簡單的矩形形式時，σ*可表示為［12］

式中，U0為溫度0K時對應(yīng)的短程勢壘(J)，k為Boltzmann量，T為熱力學溫度(K)，為參考應(yīng)變率。V*為激活體積(m3)，與林位錯間距、位錯擴展寬度和Burgers矢量有關(guān)。V*可由式對ln˙ε求偏導得到，即:

表1給出了無量綱激活體積隨溫度的變化趨勢，其中 b=2.65 × 10－10m，為 Burgers矢量的模［14］。由表1可以看出，激活體積隨溫度升高不斷增加。這是由于隨著溫度升高，原子振蕩的幅度加大導致熱激活體積增大。溫度升高時，ΔG增加，短程勢壘的有效高度降低［12］，位錯運動克服勢壘所需應(yīng)力減小，因此式5中σ*為溫度的減函數(shù);而非熱激活 (長程)勢壘項σG幾乎不隨溫度變化。宏觀上即表現(xiàn)為圖2中相同加載速率下材料的流動應(yīng)力隨著溫度升高而迅速降低。

表1 激活體積V*隨溫度的變化(ε=0.10)Table 1 activation volume V*at different temperature

材料流動應(yīng)力對溫度變化的依賴性可采用溫度敏感性因子定量分析。本文參考Morrone等給出的定義［15］，溫度敏感性因子 ST為:

式中T0為參考溫度(本工作中取20℃)，T1是實驗溫度，σ0和σ1分別是T0和T1時對應(yīng)的流動應(yīng)力(本工作中取真實應(yīng)變?yōu)?.1時的應(yīng)力)。

圖4 溫度敏感性因子隨應(yīng)變率的變化(ε=0.1)Fig.4 Variation of temperature sensitivity as a function of strain rate at a constant strain of 0.1

圖4給出了不同溫度下材料的溫度敏感性因子隨應(yīng)變率的變化。由圖中可以看出，隨著應(yīng)變率的升高，低溫時溫度敏感性因子變化不大;溫度超過600℃，溫度敏感性因子呈減小趨勢。同一應(yīng)變率下，溫度敏感性因子則隨著溫度的升高顯著增大，且高溫時增大趨勢更為明顯。

2.3 材料的應(yīng)變率效應(yīng)

將圖2中不同應(yīng)變率下結(jié)果進行比較可發(fā)現(xiàn)，本研究不銹鋼材料具有明顯的應(yīng)變率強化效應(yīng)。這是由于隨著應(yīng)變率的增加，位錯克服勢壘所需的時間減少，同時熱能ΔG的作用也會有所下降［12］。因此高應(yīng)變率變形會導致勢壘有效高度升高，宏觀上即表現(xiàn)為材料的變率強化效應(yīng)。這一現(xiàn)象在應(yīng)變率的對數(shù)坐標下更為明顯。圖5給出了真實應(yīng)變0.1時不同溫度下材料流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化規(guī)律。由圖可知，材料在各溫度下的流動應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增加而增加。而且材料在室溫準靜態(tài)的流動應(yīng)力明顯高于800℃，16000s－1時的流動應(yīng)力，表明該不銹鋼材料的應(yīng)變率效應(yīng)相對溫度效應(yīng)較弱。

圖5 應(yīng)變?yōu)?.1時不同溫度下流動應(yīng)力-應(yīng)變率曲線Fig.5 Influence of temperature on flow stress at a constant strain of 0.1，as a function of strain rate

為了定量的描述材料的流動應(yīng)力對應(yīng)變率的依賴性，將雙對數(shù)坐標下應(yīng)力-應(yīng)變率曲線的斜率定義為應(yīng)變率敏感性因子［15］m:

式中m的取值與應(yīng)變大小有關(guān)，本研究用中取真實應(yīng)變?yōu)?.1時的流動應(yīng)力來計算應(yīng)變率敏感性因子。表2給出了由式8計算得到的不同溫度下的應(yīng)變率敏感性因子。可以看到，溫度在200～400℃間變化時，材料的應(yīng)變率敏感性因子變化不大，高于600℃應(yīng)變率敏感因子明顯增加，表明該不銹鋼材料在高溫變形時對應(yīng)變率更為敏感。

表2 不同溫度下的應(yīng)變率敏感性因子(ε=0.1)Table 2 Strain rate sensitivity at different temperature( ε =0.1)

3 結(jié)論

在較大的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)研究了不銹鋼材料的動態(tài)壓縮力學行為，得到如下結(jié)論:

(1)準靜態(tài)及較低應(yīng)變率下該材料表現(xiàn)出微弱的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。高應(yīng)變率下變形時，由于材料本身的應(yīng)變硬化與絕熱效應(yīng)引起的應(yīng)變軟化相互競爭，材料在部分溫度下表現(xiàn)為應(yīng)變軟化。

(2)該不銹鋼材料具有較顯著的溫度敏感性，溫度敏感性因子隨著溫度的升高顯著增大，高溫時溫度敏感性隨應(yīng)變率增加而減小。

(3)材料具有應(yīng)變率強化效應(yīng)，高溫、高應(yīng)變率下材料力學性能對應(yīng)變率更加敏感。

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