YT01低能量多碰塑性變形研究

荊瑞紅, 石世宏

(1.蘇州大學 材料與化學化工學部，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州215021)

YT01低能量多碰塑性變形研究

荊瑞紅1, 石世宏2

(1.蘇州大學 材料與化學化工學部，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州215021)

為研究碰撞能對金屬材料多碰塑性變形的影響，在實驗室用自制的凸輪機械式多碰試驗機對YT01試樣進行了低能量多碰試驗，采用坐標網格法、SEM、金相顯微鏡等方法研究了不同碰撞能對試樣的塑性變形率、顯微組織結構的影響. 實驗結果表明：峰值沖擊應力不變時，多沖碰撞能量越大，試樣累積塑性變形量也越大；隨著碰撞次數的增加，試樣塑性變形率減小并趨于平緩，塑性變形終止于距沖擊表面6～9 mm處；256 000次碰撞后，試樣顯微組織細化，晶粒界增多. 金屬材料多沖碰撞塑性變形不僅與峰值沖擊碰撞應力有關，也與沖擊碰撞能有關.

低能量多碰；塑性變形；趨表效應；YT01；碰撞能

在生產實踐中，化工、核電、航空航天以及車輛、電器等行業的各種泵閥、發動機、工模具、電磁接觸器等關鍵零部件經常因多碰而失效. 使用這類零部件的大型企業，每年因多碰失效的直接損失不下數千萬，失效后因檢修、停產帶來的間接經濟損失更加巨大. 這類零構件均是在遠低于材料屈服極限的低應力多碰載荷作用下，發生永久性的宏觀塑形累積變形現象. 這種多碰工況碰撞速度一般在5～20 m/s，其應變率介于棘輪[1-3]和強沖擊[4]之間. 因此，其碰撞機制不同于棘輪，也不同于強沖擊的研究. 多沖碰撞研究范圍涉到金屬材料和高分子材料,甚至到醫學領域[5-8]. 本課題組利用自制的凸輪-彈簧式碰撞試驗系統針對低應力多碰載荷下的應變量及微觀結構進行了大量研究[9-10]，特別在超低應力(約為屈服限的 1/6～1/10)多碰下材料的塑性性能方面進行了較深入的研究，發現了試樣碰撞過程中的塑性變形量先變大后變小，總變形量隨碰撞次數的增加而累積. 碰撞次數達到一定值時，變形增量趨于零，累積應變趨于某一安定值. 這一特性與材料典型的蠕變曲線中減速蠕變段十分近似，暫稱之為“類蠕變”. 它是材料的一種尚未受到足夠關注的新的動態塑性力學現象.

從多碰“類蠕變”的特殊塑性變形行為可以推斷：其本構關系遠非一般的應力應變關系所能表達，很可能與碰撞功(能)、碰撞速度等突加性的外在條件相關. 本文注重低能量對金屬材料多碰塑性行為的研究，為了避免過多干擾因素選取了YT01試樣進行多碰試驗，研究碰撞能對金屬材料多碰塑性變形規律的影響.

1 實 驗

1.1 實驗設備

在實驗室自制凸輪機械式多沖碰撞試驗機[11]上進行多碰實驗，試驗裝置如圖1所示. 低能量沖擊加載方式采用質量塊形式加載，在凸輪帶動下沖錘在沖擊前完全作自由落體運動. 沖擊的作用力由沖擊行程和沖擊質量引起，保證了穩定的沖擊力. 而碰撞能量由重力勢能引起. 沖擊過程中的力與能量可以通過調整質量塊和行程來實現. 考慮到沖錘下落過程中能量的損失，采用壓力傳感器檢測沖擊力的大小.

圖1 凸輪機械式多沖碰撞試驗機

1.2 碰撞能量建模及試驗參數設置

為簡化模型，設定沖錘在凸輪的作用下做自由落體運動， 沖錘的勢能完全轉化為動能. 假設第一組沖擊參數為：沖擊力為F1,沖擊能量為W1，沖擊行程為h1，沖錘整體質量為M1,沖擊速度為v1，沖擊后速度為0，沖擊時間為Δt. 第二組沖擊參數為：沖擊力為F2，沖擊能量為W2，沖錘整體質量為M2，沖擊前速度為v2，沖擊后速度為0，沖擊時間為Δt.

設定兩組沖擊狀態沖擊力相同，沖擊能量相差K倍，可得

(1)

假定沖錘在凸輪的作用下勢能完全轉為為動能，根據能量守恒定律，沖擊前沖錘的動能為

(2)

對沖錘來講，受到樣品的反作用力F，由于沖力的瞬時值較難確定故簡化為平均值，則

(3)

依據實驗室前期大量試驗得知Δt1≈Δt2，合并式(1)～(3)計算可得

(4)

表1 多碰試驗樣本參數設計

1.3 試樣制備

為避免干擾因素，試樣選用工業純鐵YT01，切割尺寸為7 mm×9 mm×42 mm，其力學性能如表2所示，試樣網格形貌如圖2所示.

表2 YT01力學性能

圖2 試樣網格形貌

1.4 試驗方法

采用坐標網格法[10]計算沖擊碰撞后試樣的塑性變形量. 基于課題組前期研究，低應力多碰載荷下，試樣的變形呈“趨表效應”. 因此，在試樣7 mm×42 mm面距沖擊表面10 mm距離內劃分0.5 mm×0.5 mm網格，每隔2 000, 4 000, 8 000，……利用用XTL-1體視顯微鏡拍攝網格圖片，并測量網格變形量，使用JX68302-00工具顯微鏡及冷場掃描電鏡(SEM-S-570)觀察多碰前后試樣的微觀組織結構.

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試樣在不同沖擊碰撞能下，經過碰撞次數為2 000、4 000、8 000、…、256 000次后，試樣多碰后累積變形量與沖擊次數之間的關系曲線如圖3所示.

(a)峰值沖擊應力30 MPa不同碰撞能變形量曲線

(b)峰值沖擊應力39 MPa不同碰撞能變形量曲線

(c)峰值沖擊應力47 MPa不同碰撞能變形量曲線

圖3 不同沖擊碰撞能,累積變形量與沖擊次數關系曲線

Fig.3 Cumulative deformation for different impact energy and impact numbers

圖3可以看出，試樣在相同的峰值沖擊應力、不同的沖擊碰撞能下，多碰后試樣累積變形量不同. 沖擊碰撞能量越大，累積變形量越大. 多碰次數在16 000次以下，隨著沖擊次數的增加，試樣累積變形量不斷增加. 當多碰次數超過16 000次后，試樣變形量增量趨于平緩，64 000次后，變形量趨于安定. 不同的峰值沖擊應力，試樣的塑性變形量也不同. 峰值沖擊應力為30 MPa，碰撞能1.67 J，多沖碰撞2 000次后，累積塑性變形量為0.079 mm；峰值沖擊應力為39 MPa，碰撞能2.5 J，多沖碰撞次數為2 000次，塑性變形量為0.089 mm；沖擊應力為47 MPa，碰撞能5.63 J，多沖碰撞次數為2 000次，試樣的塑性變形量為0.131 mm. 結果表明，相同的多沖碰撞次數，隨著峰值沖擊應力的增大，試樣累積塑性變形量也變大.

不同沖擊能量下，變形率與沖擊接觸表面距離的關系和圖4所示. 從圖4可看出，在相同峰值沖擊應力下，試樣的變形率與沖擊碰撞能量有關. 沖擊碰撞能量越小，試樣變形率越小. 距沖擊表面距離越小，試樣的變形率越大，距沖擊表面距離越大，試樣變形率變化趨于平緩，當達到一定距離后，變形率為0. 沖擊應力為30 MPa，距表面6 mm時，變形率為0；沖擊應力為39 MPa，距表面為7 mm時，變形率為0；沖擊應力為47 MPa，距表面距離為8.5 mm時，變形率為0. 三組試驗表明，多碰后塑性變形終止于距表面6～9 mm處. 在不同的峰值沖擊應力作用下，表層的變形率變化也不相同. 沖擊應力為30 MPa，表層的最大變形率為6.49%；沖擊應力為39 MPa，表層的最大變形率為7.65%；沖擊應力為47 MPa，表層的最大變形率為8.95%.

實驗結果表明：峰值沖擊應力一定時，多沖碰撞能越大，試樣變形率越大. 當距沖擊表面一定距離后，試樣變形率趨近于0. 而峰值沖擊應力影響試樣變形終止的位置，峰值沖擊應力越小，試樣變形終止的位置距沖擊表層距離越小;峰值沖擊應力越大，試樣變形終止位置距表層距離越大.

圖5為多沖碰撞后，在試樣側面距沖擊表層1 mm內的微觀組織結構圖. 拍攝前曾以4%的硝酸酒精腐蝕試樣. 圖5(a)為純鐵多沖碰撞前微觀組織結構，主要為鐵素體與珠光體的混合組織，珠光體所占比例較小，鐵素體晶粒為沿加載方向呈長條狀的非等軸晶. 由圖5(b)可以看出，多沖擊碰撞后純鐵試樣距沖擊表層2 mm處的顯微組織可觀察到明顯的穿晶裂紋及孔洞. 穿晶裂紋擴展方向基本與加載方向平行，且大致在同一豎直方向上的相鄰裂紋與孔洞有相互擴展連接形成更大裂紋的趨勢，說明在多沖碰撞工況下，金屬材料內部局部區域內存在強烈的剪切變形[12]. 圖5(c)、(d)分別為沖擊應力39 MPa，沖擊能量為2.6、0.98 J多碰后的微觀組織結構，可以看出，多次沖擊加載后部分鐵素體晶粒沿加載方向被壓縮，且有晶粒碎化形成亞晶粒的情況，多沖碰撞能越大，微觀組織越細化. 圖5(e)、(f)分別為沖擊應力30 MPa,0.86 J，30 MPa,5.63 J多碰后的金相顯微組織結構，其中沖擊能量為5.63 J的微觀組織結構明顯細化. 通過對多碰前后微觀組織結構對比發現，試樣在經過低應力小能量多沖碰撞后，晶粒形狀發生了變化. 試樣多碰后，原始的非等軸晶粒逐漸伸長，亞晶粒尺寸變小，晶粒界增加.

(a)峰值沖擊應力為30 MPa不同碰撞能變形率曲線

(b)峰值沖擊應力為39 MPa不同碰撞能變形率曲線

(c)峰值沖擊應力為47 MPa不同碰撞能變形率曲線

Fig.4 Deformation rate for different depth from contact area under different impact energy

(a) 多碰前SEM組織

(b) 沖擊應力30 MPa，多碰后SEM組織

(c) 39 MPa 2.6 J SEM 組織

(d) 39 MPa 0.98 J SEM組織

(e) 沖擊應力30 MPa，0.86 J金相組織(×500倍)

(f) 沖擊應力為47 MPa,5.63 J金相組織(×500倍)

Fig.5 Surface microstructure from before repeated impact and after

為了進一步研究YT01試樣微觀機理，對YT01樣本進行了多碰前后X射線單晶衍射試驗并進行數據分析，YT01試樣在峰值沖擊應力39 MPa，碰撞能量分別為2.6 J、1.95 J、0.98 J的試驗條件下亞晶尺寸如表3所示.

表3 多碰前后YT01亞晶尺寸

Tab.3 Sub-grain size of YT01 before repeated impact and after

碰撞能/J亞晶尺寸/nm0J33.72.6J27.11.95J28.80.98J29.8

多沖碰撞前， YT01試樣的亞晶尺寸為33.7 nm，多沖碰撞后，亞晶尺寸變小. 多沖碰撞能為2.6 J時，亞晶尺寸為27.1 nm,多沖碰撞能為1.95 J時，亞晶尺寸為28.8 nm，多碰碰撞能為0.98 J時，亞晶尺寸為29.8 nm. 可以看出，隨著多沖碰撞能的增大，亞晶尺寸減小,微觀組織細化. 低應力多碰動態沖擊不同于準靜態加載時金屬的塑性變形，沖擊波使金屬在總的宏觀應變很小時就可誘發高密度的位錯[13]. 而低應力循環碰撞，可能導致試樣微觀組織結構出現位錯與亞晶[14]，從而導致微觀組織細化.

2.2 結果分析

2)在同樣峰值沖擊應力下，碰撞能量越大，塑性變形量越大. 根據能量吸收一般原理中不可逆能量轉換原則[16],結構和材料能將大部分的輸入動能通過塑性變形或其他耗散過程轉換為非彈性能，而不是以彈性能形式將之儲存. YT01是韌性材料，韌性材料吸收能量最有效的機制為塑性變形. 因此，試樣在相同沖擊應力下，碰撞能量越大，材料的塑性變形量也越大.

3)由圖2和圖3交叉來看，即使碰撞能較大，若峰值沖擊應力較小，材料變形量也較小；反之即使碰撞能較小，但峰值沖擊應力較大，材料變形也會比較大. 在多碰沖擊過程中，峰值沖擊應力對多碰后試樣變形的影響要比碰撞能明顯. 這是因為在實驗過程中，沖擊能量只有一部分被試樣吸收，而峰值應力則不存在這種情況.

設F為峰值沖擊力，σ為峰值沖擊應力，W為沖擊碰撞能，A為沖擊接觸面積，t為沖擊時間，v為沖頭接觸試樣時的速度，則有

Ft=mv，

(5)

F=σA，

(6)

(7)

聯立式(5)～(7)，可得

而實際實驗中，則是

).

5)試樣在多碰后，距表面2mm處出現穿晶裂紋和孔洞. 試樣中出現穿晶裂紋，穿晶裂紋擴展方向與加載方向平行，且大致在同一豎直方向上的相臨裂紋與孔洞有相互擴展連接形成更大裂紋的趨勢，由此純鐵試樣中晶體的穿晶斷裂屬于微孔聚集型剪切斷裂，說明在低應力多沖碰撞工況下，金屬內部局部區域內存在著強烈的剪切變形. 試樣中出現的孔洞，主要是因為鋼鐵試樣中存在硫化錳等夾雜物，夾雜物與基體連接較弱，易在連接處產生應力集中，隨著沖擊碰撞的反復進行，當應力集中達到一定程度后在連接處開裂形成孔洞. 因為在低應力多碰撞過程中沿加載方向存在剪切變形，孔洞隨著基體的塑性流動而長大形成裂紋，且和滑移方向上的孔洞、裂紋相互匯合，曲折向前發展.

3 結 論

1)在峰值沖擊應力僅為靜屈服應力的1/4～1/3時，YT01經過多次碰撞后發生了明顯的塑性變形，距表層6～9mm內，發生了6%～8%，多沖碰撞能越大，累積變形量越大. 隨著多碰次數的增加，試樣累積塑性變形量增加，經過一定多碰沖擊次數后，塑性變形趨勢安定，256 000次多碰后，塑性變形終止. 因此，在低應力多沖碰撞中，材料的塑性變形與峰值沖擊應力有關，也與多碰次數有關.

2)相同峰值沖擊應力和不同碰撞能量工況下，試樣累積塑性變形量也不同. 多沖碰撞能量越小，試樣的塑性累積變形量越小，多碰沖擊碰撞能量越大，試樣累積塑性變形量越大. 因此，試樣累積塑性變形不僅與峰值沖擊應力有關，也與多沖碰撞能相關. 由于在多沖碰撞過程中，能量傳輸過程中有一定的損耗，因此，多沖碰撞能量對試樣變形的影響小于峰值沖擊應力.

3)試樣在低能量多沖碰撞中，碰撞前后材料顯微組織結構發生了明顯變化，原始的非等軸晶粒多碰后被拉長. 低應力、低能量循環沖擊，試樣微觀組織的亞晶粒尺寸變小，亞晶粒增加. 由于位錯和亞晶的出現導致材料屈服應力提高,因此最終在25 000次多碰后，材料變形終止在距表層一定距離內,即低能量多沖碰撞引起的塑性變形具有“趨表效應”. 碰撞初期的塑性變形只發生在碰撞面的表層，隨著碰撞次數的增加，表層累積塑性變形加大，同時第二層開始變形；繼續碰撞，第一、二層的累積塑性變形繼續加大，同時第三層開始變形，以此由表及里傳遞.

[1] 郭嚴,康國政,劉宇杰,等.LZ50鋼真應力控制下單軸棘輪行為的實驗研究[J].工程力學,2010, 27(9):216-210.

GUO Yan,KANG Guozheng, LIU Yujie,et al. Experimental study on uniaxial ratcheting of LZ50 Steel under true stress-controlled cycle loading [J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(9):216-210.

[2] 羅娟,康國政,董亞偉,等.多晶銅和鋁單軸棘輪行為的循環晶體塑性本構模擬[J].四川大學學報(工程科學版),2012, 44(S2):80-83. Doi:10.15961/j.jsuese.2012.s2.027

LUO Juan,KANG Guozheng,DONG Yawei，et al. Modeling for ratcheting of polycrystalline copper and aluminum by cyclic crystal plasticity[J]. Journal of sichuan university (Engineering Science Edition),2012,44(S2):80-83. DOI:10.15961/j.jsuese.2012.s2.027

[3] 徐偉，康國政，劉宇杰，等.不飽和聚酯樹脂的單軸應變循環特性和棘輪行為實驗研究[J].工程力學,2010, 27(8):211-216.

XU Wei,KANG Guozheng, LIU Yujie,et al. Experimental study on uniaxial strain cyclic characteristics and ratcheting behavior of unsaturated polyster resin[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(8):211-216.

[4] 肖紅亮,時捷,雍岐龍.有限元模擬在研究彈丸沖擊鋼板過程中的應用[J].材料導報A,2011, 25(8):131-134.

XIAO Hongliang, SHI Jie,YONG Qilong. Application of finite element simulation in projectile impact target[J]. Materials Review,2011, 25(8):131-134.

[5] FILIPOVIC M, ROMHANJI E. Strain hardening of austenite in Fe-Cr-C-V alloys under repeated impact[J]. Wear,2011,270(11-12):800-805. DOI:10.1016/j.wear.2011.02.006.

[6] ZHOU J Z, HUANG S. SHENG J,et al. Effect of repeated impact on mechanical properties and fatigue fracture morphologies of 6061-T6 aluminum subject to laser peening[J]. Materials Science and Engineering A,2012,539:360-368. DOI:10.1016/j.msea.2012.01.125.

[7] TAVARES L M, KING R P. Modeling of particle fracture by repeated impacts using continuum damage mechanics[J]. Powder Technology,2013,123(2-3):138-146.

[8] AURREKOETXEA J, SARRIONANDIA, MATEOS M,et al. Repeated low energy impact behavior of self-reinforced polypropylene composites[J]. Polymer Testing,2011,30(2):216-221. DOI:10.1016/j.polymertesting.2010.11.017.

[9] 石世宏,傅戈雁,史建軍.多沖循環下激光涂覆件的形變硬化與軟化[J].激光與紅外,2005, 35(8):554-556.

SHI Shihong, FU Geyan,SHI Jianjun. Strain hardening and softening of laser coating component under the cyclic repeated impact[J]. Laser & Infrared, 2005, 35(8):554-556.

[10]石世宏,荊瑞紅.激光熔覆梯度涂層低應力多碰失效分析[J].南京工業大學學報(自然科學版),2013, 35(6):109-112.

SHI Shihong,JING Ruihong. Failure analysis on laser cladding graded coating with low stress repeated impact[J]. Journal of Nanjing University of Technology(Natural Science Edition), 2013, 35(6):109-112.

[11]吳炯杰.碰撞能對低應力多碰塑性變形[D].蘇州：蘇州大學,2013.

WU Jiongjie. Research and model of plastic accumulation under low stress repeated impact and different impact energy[D].Suzhou:Soochow University,2013.

[12]LAMRI S, LANGLADE C, KERMOUCH G. Damage phenomena of thin hard coating submitted to repeated impacts: Influence of the substrate and film properties[J]. Materials Science & Engineering A,2013,560(1):296-305.

[13] 楊卓越,丁雅莉,陳嘉硯.工業純鐵爆炸沖擊波增塑效應研究[J].兵器材料科學與工程,2002，25(6):15-17. DOI: 10.14024/j.cnki.1004-244x.2002.06.004.

YANG Zuoyue, DING Yali, CHEN Jiayan. Investigation on shock wave plasticization effect of pure iron[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2002.25(6):15-17. DOI: 10.14024/j.cnki.1004-244x.2002.06.004.

[14]湯光平,黃文榮.循環處理對鋁合金力學性能和組織結構的影響[J].金屬熱處理,1998(5)：36-38,45. DOI: 10.13251/j.issn.0254-6051.1998.05.015.

TANG Guangping, HUANG Wenjie. Effect of cyclic treatment on mechanical properties and microstructure of Al-alloys[J]. Heat Treatment of Metals, 1998(5)：36-38,45. DOI: 10.13251/j.issn.0254-6051.1998.05.015.

[15]MAYER Z Q. 材料的動力學行為[M]. 北京：國防工業出版社,2006.

MAYERZ Q. Dynamic behavior of materials[M]. Beijing:National Defence Industry Press,2006.

[16]SCHAFFER J P. 工程材料科學與設計[M]. 北京：機械工業出版社,2012.

SCHAFFER J P. The science and design of engineering materials[M]. Beijing:China Machine Press,2012.

(編輯 王小唯， 苗秀芝)

Plastic deformation of YT01 submitted to repeated low-energy impacts

JING Ruihong1，SHI Shihong2

(1. College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou 215021, Jiangsu, China；2. College of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, Jiangsu, China)

To evaluate the effect of impact energy on plastic deformation of metal, repeated impact tests of YT01 were performed on the cam mechanical multi touch machine in the laboratory. The plastic deformation of YT01 was investigated by Coordinate Grid method, while the microstructure and phase were investigated by scanning electron microscope (SEM) and metalloscope in order to understand the different impact energy on the plastic deformation and microstructure. The results show that: the cumulative plastic deformation was greater with increasing impact energy and unchanged impact stress. The plastic deformation rate decreased with the increase of the impact number. The plastic deformation stopped at 6-9 mm from the top surface. After 256 000 repeated impacts, microstructure refinement and increased grain boundaries occurred. Meanwhile, transgranular cracks and holes were presented at 6-9 mm from the contact surface due to intense shear deformation in the sample. As a consequence, the plastic deformation of metallic material is not only related with impact stress but also with impact energy.

low energy repeated impact loads; plastic deformation; skin effect; YT01；impact energy

10.11918/j.issn.0367-6234.201509079

2015-09-26

國家自然科學基金項目(11172191); 江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃資助項目(2015)

荊瑞紅(1980—)，女，博士研究生，副教授; 石世宏(1956—)，男，教授，博士生導師

石世宏，shishihong@suda.edu.cn

TB31;TB122

A

0367-6234(2017)05-0178-06