304不銹鋼箔材在不同應(yīng)變速率下的拉伸性能研究

劉 秀，金 霞，樓航飛，胡俊聰

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

304不銹鋼是一種應(yīng)用廣泛，力學(xué)性能良好的奧氏體不銹鋼.奧氏體不銹鋼在應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程中有很多因素影響其硬化性能，其中應(yīng)變速率的改變會(huì)誘發(fā)馬氏體、位錯(cuò)和層錯(cuò)密度的轉(zhuǎn)變量和轉(zhuǎn)變速率的不同，導(dǎo)致材料呈現(xiàn)不同的力學(xué)行為.汪志福等[1]從應(yīng)變速率敏感指數(shù)，應(yīng)變硬化指數(shù)兩個(gè)方面，研究了室溫下8 mm厚的304奧氏體不銹鋼的應(yīng)變速率對(duì)變硬行為的影響，得出在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸下，應(yīng)變速率的變化對(duì)304奧氏體不銹鋼的變硬行為影響甚小.葉麗燕等[2]指出應(yīng)變速率小于0.005 s-1時(shí)，304奧氏體不銹鋼會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，且馬氏體轉(zhuǎn)變量隨著應(yīng)變速率的減小而增加，具體表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度變大，屈服強(qiáng)度減小.姜民主等[3]研究了室溫下應(yīng)變速率對(duì)0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼應(yīng)變硬化行為的影響，并提出了基于應(yīng)變速率敏感指數(shù)、應(yīng)變硬化指數(shù)的0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼本構(gòu)模型.文獻(xiàn)[4-5]研究了應(yīng)變速率對(duì)宏觀尺寸的奧氏體不銹鋼室溫下拉伸力學(xué)性能的影響.

厚度0.1 mm的304不銹鋼材料極薄，在該尺寸厚度下，考慮微成形材料的尺寸效應(yīng)極為重要.就尺寸效應(yīng)的規(guī)律而言，可以分為兩類(lèi)尺寸效應(yīng)現(xiàn)象：一類(lèi)是隨著尺寸參數(shù)的減小，材料的強(qiáng)度會(huì)減弱，即所謂的“越小越弱”的現(xiàn)象；另一類(lèi)是材料的強(qiáng)度隨著尺寸參數(shù)的減小而增強(qiáng)，即所謂的“越薄越強(qiáng)”現(xiàn)象[6-11].

針對(duì)304不銹鋼的尺寸效應(yīng)，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究：孟慶當(dāng)[6]使用修正后的Nix-Gao硬化模型對(duì)D-304不銹鋼存在的“越薄越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象做出了解釋?zhuān)粡垙V平等[12]通過(guò)研究微米級(jí)不銹鋼懸臂梁的彎曲變形，發(fā)現(xiàn)隨著試樣厚度的減小，材料屈服強(qiáng)度升高但塑性下降，進(jìn)一步驗(yàn)證微尺寸304不銹鋼表現(xiàn)出的“越小越強(qiáng)”和“越薄越脆”現(xiàn)象.郝智聰?shù)萚13]開(kāi)展了304不銹鋼薄板微沖壓工藝研究，設(shè)計(jì)了一體化級(jí)進(jìn)式微沖壓成形模具裝置，并分析了成形條件對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，確定最佳工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了封裝板件的高效率低成本批量化制造.Toshihiko等[14]對(duì)超精密沖孔工藝進(jìn)行了研究，以碳化硅陶瓷纖維作為沖頭材料，以不銹鋼等作為實(shí)驗(yàn)材料，在無(wú)潤(rùn)滑條件下成功沖出最小直徑15 μm 邊緣銳利、圓度良好的微孔.

以往研究大部分集中在對(duì)宏觀尺寸的材料應(yīng)變硬化行為與應(yīng)變速率的關(guān)系，少有針對(duì)微觀尺寸304不銹鋼的實(shí)驗(yàn)研究.本文將通過(guò)室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，研究不同應(yīng)變速率對(duì)304奧氏體不銹鋼室溫拉伸力學(xué)性能的影響，以期其研究結(jié)果用于指導(dǎo)微沖壓成形工藝參數(shù)的設(shè)定.

1 實(shí) 驗(yàn)

試件原始材料為未經(jīng)熱處理的SUS304箔材，厚度為0.1 mm，主要化學(xué)成分如表1所示.

表1 304不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of stainless steel (wt.%)

1.1 試件制備

參考國(guó)標(biāo)GB/T228.1-2010[15]附錄B(規(guī)范性附錄)：厚度0.1 mm～3 mm薄板和薄帶使用的試樣類(lèi)型，選擇非比例試樣中編號(hào)為P5的制備方案，取拉伸試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度(L)為50 mm，寬度(W)為12.5 mm.選取0°軋制方向的拉伸試樣，具體尺寸如圖1所示.為后續(xù)金相觀察，原始試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕，拉伸后試樣采用配比為40 mL水+30 mL硝酸+30 mL鹽酸的腐蝕劑，打磨后用JY-1000金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察.

圖1 拉伸試件尺寸圖(單位：mm)Fig.1 The geometry of tensile specimen

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了7組不同的準(zhǔn)靜態(tài)位移速度：2、5、10、50、100、200、400 mm/min，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率分別為0.000 4、 0.001 1、0.002 1、0.010 1、 0.020 1、0.041 0、 0.100 0 s-1，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)依次編號(hào)為1～7.本次實(shí)驗(yàn)每組試樣3個(gè)，取其平均值作為數(shù)據(jù)分析.試驗(yàn)選用最大載荷為50 kN的CMT7504型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī).具體拉伸試驗(yàn)方案如表2所示.

表2 拉伸試驗(yàn)方案Table 2 Tensile test parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變速率對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響

試件的斷后伸長(zhǎng)率

(1)

式中：L0為標(biāo)距長(zhǎng)度，Lk為斷裂后試件總長(zhǎng).

表3為不同應(yīng)變速率下試件的斷后伸長(zhǎng)率，其對(duì)應(yīng)的折線圖如圖2所示，可以看到，304不銹鋼試件的斷后伸長(zhǎng)率隨著應(yīng)變速率的增加總體呈減小趨勢(shì)，且前3組數(shù)據(jù)下降趨勢(shì)尤為明顯，這種現(xiàn)象可以從馬氏體轉(zhuǎn)變方面得到解釋.當(dāng)應(yīng)變速率減小，馬氏體轉(zhuǎn)變更加充分，部分作用在奧氏體區(qū)的載荷被轉(zhuǎn)移到馬氏體區(qū)，避免了過(guò)早出現(xiàn)不均勻變形，材料延伸率得以提高；而當(dāng)應(yīng)變速率高于0.005 s-1，應(yīng)變速率對(duì)馬氏體的轉(zhuǎn)變幾乎沒(méi)有影響[2]，因此，試件斷后伸長(zhǎng)率下降程度趨于平穩(wěn).

表3 不同應(yīng)變速率下試樣的斷后伸長(zhǎng)率Table 3 Elongation of specimens at different strain rate

圖2 試樣斷后伸長(zhǎng)率-應(yīng)變速率關(guān)系圖Fig.2 Elongation-strain rate diagram of sample after fracture

材料微觀組織的變化情況也驗(yàn)證了上述分析.圖3為304奧氏體不銹鋼箔材在不同應(yīng)變速率下拉伸后的微觀組織形貌，可以看到，應(yīng)變速率為0.001 1 s-1時(shí)，試件在白色奧氏體基礎(chǔ)上出現(xiàn)了針狀組織的馬氏體聚集，馬氏體多且密；應(yīng)變速率為0.041 0 s-1時(shí)，馬氏體組織明顯相對(duì)減少.利用JY-1000金相顯微鏡“多相含量分析”軟件進(jìn)行馬氏體含量分析，結(jié)果顯示：針對(duì)不同的應(yīng)變速率馬氏體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為29.8%、27.7%、26.5%、17.7%、15.6%、8.3,%、6.5%，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)試樣編號(hào)依次為1～7，如圖4所示.由圖2知，前3組試樣的斷后延伸率的下降趨勢(shì)相對(duì)后4組更為明顯，結(jié)合上述分析，表明低應(yīng)變速率下馬氏體轉(zhuǎn)變理論仍可作為0.1 mm厚度304奧氏體不銹鋼箔材的相變理論.

此外，通常304不銹鋼的斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)40%，而0.1 mm厚的304奧氏體不銹鋼箔材斷后伸長(zhǎng)率平均僅在14.55%，證明了0.1 mm尺寸厚度304不銹鋼箔材存在“越薄越脆”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象.

圖3 不同應(yīng)變速率下拉伸試樣的微觀組織Fig.3 Microstructure of tensile specimen at different strain rate

圖4 試樣表面馬氏體含量隨應(yīng)變速率的變化Fig.4 Martensite content on the surface of the sample at different strain rate

2.2 應(yīng)變速率對(duì)斷面收縮率的影響

試件斷面收縮率Ψ由式(2)計(jì)算得到.

(2)

式中：A0為材料原始截面積；A為材料斷后截面積.試件的斷面收縮率結(jié)果見(jiàn)表4，其對(duì)應(yīng)的折線圖如圖5所示.

表4 不同應(yīng)變速率下試件的斷面收縮率Table 4 Reduction of area of test specimens at different strain rate

圖5 試樣斷面收縮率-應(yīng)變速率關(guān)系圖Fig.5 Reduction of area-strain rate diagram of sample after fracture

圖5顯示斷面收縮率隨應(yīng)變速率的增大而減小，其變化趨勢(shì)與斷后伸長(zhǎng)率基本類(lèi)似.在材料發(fā)生斷裂前的頸縮階段，頸縮段變形伸長(zhǎng)，拉伸時(shí)間越長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率越大，頸縮過(guò)程也越充分.隨著頸縮段長(zhǎng)度的增加，截面積相應(yīng)減小，使得收縮率增加.而在高應(yīng)變速率下，變形材料頸縮困難，未充分塑性變形就已斷裂[9]，因此造成高應(yīng)變速率下斷面收縮率減小的現(xiàn)象.

針對(duì)前3組實(shí)驗(yàn)收縮率下降程度遠(yuǎn)大于后3組的現(xiàn)象，也可用上述馬氏體轉(zhuǎn)變理論作解釋.低應(yīng)變速率下，奧氏體不銹鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變.在低應(yīng)變速率區(qū)，隨應(yīng)變速率的增大，馬氏體轉(zhuǎn)變量減小，形成不均勻變形，出現(xiàn)收縮率迅速下降現(xiàn)象.而高應(yīng)變速率下，試件斷后收縮率的下降是由塑性應(yīng)變過(guò)程不充分引起的，且應(yīng)變速率越高，塑性變形越不充分.

2.3 應(yīng)變速率對(duì)屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的影響

由拉伸實(shí)驗(yàn)得到材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示.表5為不同應(yīng)變速率下材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其對(duì)應(yīng)的折線圖如圖7所示.抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為：

(3)

(4)

圖6 不同應(yīng)變速率下材料室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 True stress VS true strain for SUS304 at room temperature

表5 不同應(yīng)變速率下試件的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度Table 5 Yield strength and tensile strength of specimens at different strain rate

圖7 不同應(yīng)變速率下材料的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度Fig.7 Yield strength and tensile strength of specimens at different strain rate

在進(jìn)行屈服強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，觀察到304奧氏體不銹鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯的屈服現(xiàn)象.因此，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)將應(yīng)力應(yīng)變曲線屈服階段的應(yīng)力最小值取作屈服應(yīng)力Fs，由式(3)計(jì)算得出材料的屈服強(qiáng)度.

0.1 mm 304奧氏體不銹鋼箔材抗拉強(qiáng)度在1 250 MPa左右，屈服強(qiáng)度約為1 200 MPa，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)值與文獻(xiàn)[1,2,4,16]中304不銹鋼的強(qiáng)度相差較大，尤其屈服強(qiáng)度是上述文獻(xiàn)中的3倍以上，其主要原因是該厚度尺寸下304不銹鋼“越小越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng).由于304不銹鋼箔材尺寸效應(yīng)的研究并不是本文的研究重點(diǎn)，且對(duì)于0.1 mm厚度的304不銹鋼的強(qiáng)度指標(biāo)，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與孟慶當(dāng)?shù)萚8]得出的結(jié)論一致.因此，本文僅對(duì)0.1 mm 304奧氏體不銹鋼箔材的強(qiáng)度隨應(yīng)變速率改變產(chǎn)生的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析.

根據(jù)表5，低應(yīng)變速率下，隨著應(yīng)變速率的提高屈服強(qiáng)度增加，這種現(xiàn)象可以采用位錯(cuò)理論獲得解釋?zhuān)禾岣邞?yīng)變速率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難；而且304不銹鋼是一種低層錯(cuò)能金屬，變形速率的提高容易引起形變孿晶的形成，從而產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象[2,17]，使屈服強(qiáng)度提高.低應(yīng)變速率下抗拉強(qiáng)度的提高可以從馬氏體轉(zhuǎn)變方面得到解釋?zhuān)簯?yīng)變速率的減小將導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變更加充分，部分作用在奧氏體上的載荷轉(zhuǎn)移到馬氏體上，避免過(guò)早出現(xiàn)不均勻變形，因此，抗拉強(qiáng)度和延伸率有所提高.而通常馬氏體的抗拉強(qiáng)度高于奧氏體，故低應(yīng)變速率下304奧氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度較高，并隨應(yīng)變速率的增大而降低.這一結(jié)論也與葉麗燕[2]、林高用等[16]在宏觀尺寸下304不銹鋼拉伸試驗(yàn)得出的結(jié)論相符.而后4組實(shí)驗(yàn)工況下，馬氏體未進(jìn)行轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為不同應(yīng)變速率對(duì)強(qiáng)度影響甚微.由此也可得出，馬氏體轉(zhuǎn)變的相關(guān)理論同樣適用于0.1 mm厚度304不銹鋼箔材強(qiáng)度指標(biāo)隨應(yīng)變速率變化的情況.

2.4 應(yīng)變速率對(duì)硬化指數(shù)的影響

圖8是拉伸速率為100 mm/min情況下304不銹鋼的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線.對(duì)于0.1 mm厚度的304奧氏體不銹鋼，低應(yīng)變區(qū)僅為一小段，因此，僅對(duì)產(chǎn)生明顯塑性變形高應(yīng)變區(qū)試件的硬化行為進(jìn)行分析.

高應(yīng)變區(qū)的塑性變形可用Hollomon方程進(jìn)行描述[1]，

σ1=K×ε2n[18].

(5)

式中：σ1為應(yīng)力;ε2為真實(shí)應(yīng)變.

圖8 100 mm/min拉伸速率下試件真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 True stress-strain curves of specimen under tensile rate of 100 mm/min

對(duì)試件高應(yīng)變段塑性變形進(jìn)行擬合并對(duì)硬化指數(shù)n求取平均值后，得出各組試件硬化指數(shù)如表6和圖9所示.

表6 不同應(yīng)變速率下試件的硬化指數(shù)Table 6 Hardening index of test specimens at different strain rate

圖9 試件應(yīng)變速率-硬化指數(shù)關(guān)系圖Fig.9 Strain rate-hardening index of test specimens

前3組實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)變速率屬于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸0.000 25～0.002 5 s-1范疇，硬化指數(shù)表現(xiàn)出整體上升的趨勢(shì)，其主要原因是準(zhǔn)靜態(tài)拉伸階段，隨著應(yīng)變速率的提高，易引起孿晶的形成和馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，表現(xiàn)為硬化指數(shù)隨應(yīng)變速率增加而增大.而曲線后端，即從0.01的應(yīng)變速率開(kāi)始，曲線整體呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，表明此階段硬化指數(shù)變化與應(yīng)變速率變化相關(guān)性較小.

3 結(jié) 論

1)0.1 mm厚度的304奧氏體不銹鋼箔材隨應(yīng)變速率的增加，材料的斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率均下降，且在低應(yīng)變速率情況下，不銹鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著應(yīng)變速率的增加，兩者降低幅度更加顯著.

2)馬氏體轉(zhuǎn)變理論同樣適用于解釋0.1 mm厚度304奧氏體不銹鋼箔材室溫下的拉伸力學(xué)性能隨應(yīng)變速率的變化.應(yīng)變速率小于0.005 s-1時(shí)， 304奧氏體不銹鋼箔材發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著應(yīng)變速率增大，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度減小，屈服強(qiáng)度增大；應(yīng)變速率大于0.005 s-1時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)由材料本身決定，應(yīng)變速率對(duì)304不銹鋼材料強(qiáng)度變化影響甚小.

3)準(zhǔn)靜態(tài)下，304不銹鋼硬化指數(shù)隨應(yīng)變速率增加而增大；準(zhǔn)靜態(tài)拉伸狀態(tài)外，應(yīng)變速率增加對(duì)硬化指數(shù)的變化影響不大.