基于流體壓力作用下的不銹鋼棒單向拉伸斷口形貌分析

摘要：為了研究流體壓力作用下典型材料的成形規(guī)律及作用機理，采用塑性理論和實驗相結(jié)合的方法分析了流體壓力對不銹鋼棒材成形性能、斷口形貌的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：流體壓力對不銹鋼棒伸長率的影響顯著，在低應(yīng)變速率下其伸長率相比普通單拉時提高了24.2%，應(yīng)變速率為0.01 s^-1時則提高了39%；與普通單拉斷口形貌相比，流體壓力作用下斷口中心韌窩區(qū)較大，但韌窩分布稀疏，細(xì)小韌窩均未長大，其斷裂形式以剪切分離為主。

關(guān)鍵詞：流體壓力；不銹鋼棒；單向拉伸；斷口形貌；成形性能

中圖分類號：TG302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-2683（2013）02-0016-05

0、引言

不同加載形式可以改變金屬塑性成形中的受力狀態(tài)，對其在室溫條件下的成形性能也將產(chǎn)生重要影響，同時也決定了所成形零件的使用性能，Bridg-man通過充液拉伸實驗發(fā)現(xiàn)靜水壓力可有效提高鋼材的塑性變形能力，Spitzig、Weinrich等分別針對多晶體、單晶體的鋼材、鋁材進行了充液拉伸實驗研究，分析了靜水壓力對材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、塑性變形能力、斷裂機制的影響，結(jié)果表明，其對材料的斷裂機制及斷裂發(fā)生時的塑性變形行為影響顯著。通過施加流體壓力可以改變材料的受力狀態(tài)，從而實現(xiàn)常規(guī)條件下不可變形脆性材料的塑性成形，靜液擠壓技術(shù)將這一思想變?yōu)楝F(xiàn)實，實驗結(jié)果表明，流體高壓條件下低塑性材料、脆性材料如大理石等可實現(xiàn)大變形量塑性變形，同時不會發(fā)生開裂等缺陷形式，Mohr等引設(shè)計并制造了可提供三向復(fù)雜應(yīng)力載荷的雙向測試裝置，通過對特殊設(shè)計的異形試樣施加各項剪切應(yīng)力與正應(yīng)力的組合載荷用于預(yù)測斷裂處裂紋萌生的機制，但該裝置由于其結(jié)構(gòu)特性所需測量的數(shù)據(jù)均需另配傳感器，這在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性保證的前提下降低了測量精度。Dunand等通過改變試樣的幾何形狀使其在常規(guī)單向拉伸或壓縮條件下受到不同組合形式的復(fù)雜應(yīng)力載荷，但具有復(fù)雜形狀的試樣其制備工藝要求較高，精度難以保證。

綜上可知，改變受力狀態(tài)是提高金屬塑性成形能力的有效途徑之一，但針對復(fù)雜應(yīng)力條件下，尤其是流體壓力作用下現(xiàn)有的、行之有效的高精度材料成形性能分析測試手段卻較少。因此，迫切需要提出一種結(jié)構(gòu)簡單合理、實施方便的流體壓力作用下典型材料成形性能測試裝置及方法，對復(fù)雜應(yīng)力條件下材料的成形性能、斷裂機理等基礎(chǔ)理論問題的深入研究及應(yīng)用具有重要作用。

1、研究方案

1.1 力學(xué)分析

由前述分析可知，在流體高壓成形條件下單向拉伸棒材的受力狀態(tài)及成形性能均發(fā)生相應(yīng)變化，其作用原理及受力狀態(tài)如圖1所示。

由于流體壓力的作用，棒材單向拉伸成形過程中的單元應(yīng)力狀態(tài)為一拉兩壓的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)而非普通單拉時的簡單應(yīng)力狀態(tài)，如圖1（b）所示，在流體壓力與軸向拉力的共同作用下其對棒材的成形性能均有重要影響，因此，本文提出研制了一種可施加流體壓力作用的單向拉伸實驗裝置并利用其進行測試研究。

1.2 裝置研制

圖2為已設(shè)計并制造了流體加壓作用下單向拉伸實驗裝置原理圖及研究用棒材試樣尺寸。

流體高壓單向拉伸實驗原理如圖2（a）所示，將棒材試樣置于左右鑲塊內(nèi)，鑲塊內(nèi)表面保證與試樣發(fā)生良好接觸，避免在試樣標(biāo)距外產(chǎn)生應(yīng)力集中，再將鑲塊平穩(wěn)地置于滑動沖頭內(nèi)，以保證試樣不受其余外力的影響，將試樣、鑲塊與沖頭組成的整體送入模腔內(nèi)，然后將整個裝置通過上下夾持端與拉伸試驗機連接，油路系統(tǒng)通過高壓油管向模腔內(nèi)注入流體介質(zhì)，直至模腔內(nèi)壓達(dá)到所需壓力，在該壓力環(huán)境下通過計算機控制拉伸試驗機以設(shè)定速率對試樣進行拉伸，以此達(dá)到試樣法向受壓、軸向受拉的三向復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境。

根據(jù)GB228-2002設(shè)計出試驗所用棒材拉伸試樣，其尺寸及形狀如圖2（b）所示，試樣標(biāo)距長度為40 mm、直徑為8 mm。

實驗測試裝置如圖3所示，本裝置核心包括鑲塊裝配與動密封裝配，鑲塊結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，其內(nèi)腔空間足夠大，可與不同尺寸的棒材試樣配合使用，鑲塊與滑動沖頭通過螺紋連接構(gòu)成動態(tài)密封系統(tǒng)，如圖3（b）所示，其中沖頭底部設(shè)有兩凹槽處，放置O型密封圈用于實現(xiàn)動態(tài)密封。

通過對實驗過程中沖頭的受力分析可以確定影響試樣成形性能、斷口形貌的力學(xué)因素及誤差，如圖4所示。

沖頭在實驗過程中作為夾頭置于拉伸試驗機上下兩夾持端，此時，沖頭底部受到模腔內(nèi)部液壓施加的壓力P與拉伸試樣反向作用施加的拉力Ⅳ及模腔內(nèi)壁與沖頭之間的滑動摩擦力，沖頭頂部受到拉伸試驗機施加的拉力F，為保持沖頭的勻速運動，其所受合力為零，即通過轉(zhuǎn)換得到拉伸試樣反作用力N的表達(dá)式為

N=P+F-f （1）

內(nèi)部液壓由油路系統(tǒng)控制設(shè)定為恒壓，即P值不變；O型密封圈與模腔內(nèi)壁動摩擦系數(shù)已知可求，相對滑動速率恒定（由拉伸試驗機控制），因此滑動摩擦力，可確定；試驗機所施加的拉力F可由其盤式力學(xué)傳感器直接測定，將以上數(shù)值帶入式1中，即可得到拉伸試樣反向作用施加于沖頭底部的拉力Ⅳ，同時Ⅳ也是試樣在實驗過程中所受到的拉力，通過除以試樣的標(biāo)距內(nèi)截面積即得到試樣在拉伸過程中所受到的拉應(yīng)力，因此，實驗過程中影響棒材試樣單向拉伸成形的力學(xué)因素以及由此引起的誤差是已知可控的。

1.3 實驗方案

針對有無流體壓力作用的不銹鋼棒材單向拉伸力學(xué)性能實驗，選取304不銹鋼作為試樣材料，其化學(xué)成分如表1所示。

按有無流體壓力作用將實驗分為兩組，其中流體壓力由油路系統(tǒng)控制，每組取試樣10個，將每組的10個試樣再5、5分成兩組，分別在應(yīng)變速率0.001 s^-1、0.01 s^-1條件下進行實驗。實驗設(shè)備為css-44300萬能材料試驗機，實驗過程中通過試驗機系統(tǒng)計算機記錄動態(tài)數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后測量并計算拉伸試樣的斷后伸長率，取各相同條件下平均值對比分析，通過線切割手段截取拉伸試樣一側(cè)的斷口試樣，將斷口試樣置于丙酮與乙醇的混合液中進行超聲波振蕩清洗，然后采用FEI Sirion掃描電子顯微鏡（sEM）觀察試樣的斷口形貌，進而對不同條件下的試樣斷口形貌進行對比分析。

2、結(jié)果討論及分析

2.1 成形性能對比

圖5為不銹鋼棒材試樣在有無流體壓力作用下單向拉伸的斷后伸長率對比直方圖，由圖可見。與同等應(yīng)變速率條件的常規(guī)拉伸試樣結(jié)果相比，流體壓力作用下的棒材斷后伸長率均有不同程度地提高。

由圖中數(shù)值對比可知，流體壓力對不銹鋼棒材斷后伸長率的影響顯著，在應(yīng)變速率0.001 s^-1條件下其伸長率提高了24.2%，應(yīng)變速率0.01 s^-1時則提高了39%，相比于其他材料，不銹鋼具有較高的強度與塑性，同時常規(guī)條件下應(yīng)變速率對其伸長率的影響也較為顯著，伸長率增幅可達(dá)14.5%；而在流體壓力作用下，不同應(yīng)變速率時的伸長率變化趨勢較為平緩，由此可知，在較高應(yīng)變速率條件下施加流體壓力對改善材料伸長率更為明顯，對于棒材的塑性成形，為了提高其成形性能，通常會通過降低變形速率緩慢成形等手段來實現(xiàn)，若在流體高壓環(huán)境內(nèi)，無須降低變形速率即可提高其塑性變形能力，由此可知，流體壓力對材料的應(yīng)變速率敏感性有一定影響。

2.2 宏微觀斷口形貌對比

由前述可知，在應(yīng)變速率較高條件下對比分析不銹鋼棒材試樣斷口形貌更具實際意義，因此，取應(yīng)變速率為0.01 s^-1條件下的典型拉伸試樣進行斷口形貌對比，圖6為304不銹鋼棒試樣有無流體壓力作用下的斷口宏觀形貌對比。

施加流體壓力作用后變形體的受力狀態(tài)發(fā)生改變，引起斷裂行為及斷口宏觀形貌發(fā)生變化，由圖6（a）中宏觀形貌對比可以看出，棒材試樣普通單向拉伸時宏觀斷口起伏較大，斷口頸縮程度很小，斷口與正應(yīng)力所在方向呈一定角度傾斜，宏觀變形表現(xiàn)為軸向伸長，總體呈脆性斷裂的特征，在流體壓力作用下的棒材試樣拉伸宏觀斷口，如圖6（b）所示，斷口截面均勻平整，斷口所在平面與正應(yīng)力基本垂直，僅通過宏觀分析目前無法判斷其是否為常規(guī)脆性斷裂。

為進一步對比分析流體壓力對棒材單向拉伸斷裂機理的影響規(guī)律，分別取不銹鋼棒材斷口的中心區(qū)與過渡區(qū)進行微觀形貌觀察，如圖7～8所示。

由圖7（a）可知，普通單向拉伸斷口中心區(qū)斷裂形式為韌窩型斷裂，韌窩尺寸很不均勻，排列無方向性，大韌窩之間和大韌窩內(nèi)部又有很多小韌窩，流體壓力作用下的斷口形貌如圖7（b）所示，斷口中心韌窩區(qū)域較大，但韌窩分布稀疏，細(xì)小韌窩均沒有長大，其斷裂形式顯然不是以微孔聚集為主。

圖8（a）所示為普通單向拉伸過渡區(qū)斷口形貌，在空洞附近出現(xiàn)表面平滑鋒利的剪切面；圖8（b）所示為流體壓力作用下棒材靠近邊緣處過渡區(qū)斷口形貌，該區(qū)域表面較為平滑，且空洞方向性明顯，一致指向斷口中心，但空洞數(shù)量較少尺寸較小，說明斷裂過程中棒材在中心區(qū)域最先形成空洞，空洞沿徑向呈輻射狀擴張連接形成微裂紋，棒材中心區(qū)域連續(xù)性被嚴(yán)重破壞迅速達(dá)到極限狀態(tài)，內(nèi)部裂紋與外部法向壓力作用在剪切面上擴展導(dǎo)致最終完全斷裂，其斷裂形式以剪切分離為主。

3、結(jié)語

1）研制了流體加壓單向拉伸實驗裝置，為研究流體壓力作用下不銹鋼棒材單向拉伸的變形流動規(guī)律提供了實驗基礎(chǔ)；

2）流體壓力對不銹鋼棒材的斷后伸長率影響顯著，在較低應(yīng)變速率條件下其伸長率相比普通單拉提高了24.2%，應(yīng)變速率為O.01s^-1時提高了39%，因此，在較高應(yīng)變速率條件下流體壓力對其斷后伸長率的影響更為明顯：

3）流體壓力作用下不銹鋼棒材的斷口形貌相比脆性斷裂的普通單向拉伸試樣，其斷口中心韌窩區(qū)域分布范圍較大，但韌窩分布稀疏，細(xì)小韌窩均未長大，其斷裂形式以剪切分離為主。