缺口對ML20MnTiB鋼拉伸強度的影響研究*

李雨林

寶雞文理學院 機械工程學院 陜西寶雞 721016

1 研究背景

ML20MnTiB鋼常用于生產10.9級標準件,特點是不需要預先球化退火處理就可直接拉拔和冷鐓加工,具有優越的冷變形性能和強韌性,淬火變小,開裂傾向弱,可用水淬處理,脫碳敏感性低。由于性能優異,制造成本較低,可以用于制造汽車主體架構及列車零部件。

筆者對ML20MnTiB鋼試樣進行拉伸試驗,并對試樣的拉伸過程進行仿真分析,以此獲得試樣的真應力對數應變曲線、應力場、應變場,以及載荷分布狀態。對各試樣的斷口處進行電鏡掃描,研究并分析缺口對ML20MnTiB鋼斷裂的作用機理,以及與應力三軸度、塑性應變之間的關系,為后續ML20MnTiB鋼的推廣使用及失效分析提供理論指導。

2 試驗材料

ML20MnTiB鋼以少量硼代替大量合金元素,碳和合金元素含量低,因此具有良好的綜合力學性能,具體元素含量見表1。

表1 ML20MnTiB鋼元素含量

光滑試樣和不同尺寸缺口試樣尺寸如圖1所示。缺口試樣的缺口半徑分別為16 mm、8 mm、4 mm,為防止夾持端與標距段交匯處應力集中影響試驗的準確性,采用圓角過渡。試樣參照GB/T 228—2021制作。

▲圖1 試樣尺寸

3 試驗過程

試驗在室溫下進行,將ML20MnTiB鋼試樣在拉伸疲勞試驗機上進行拉伸性能試驗,試驗時拉伸速度為2 mm/min。在試樣標距段安裝引伸計,引伸計標距為 50 mm。在拉伸試驗過程中,分別記錄光滑試樣及不同尺寸缺口試樣加載的試驗力位移曲線,對各試樣的試驗曲線進行擬合。拉伸疲勞試驗機如圖2所示。

▲圖2 拉伸疲勞試驗機

筆者根據光滑試樣的單軸拉伸試驗,得到材料塑性性能曲線和對應的真應力曲線原始數據,真應力應變關系曲線如圖3所示。

▲圖3 真應力應變關系曲線

以光滑試樣的本構關系作為缺口試樣的本構關系,將本構關系導入Ansys Workbench軟件,以試驗的拉伸位移、拉伸速度作為仿真約束參數,材料泊松比為0.25,進行拉伸仿真分析。分析過程中采用位移加載方式,位移加載量與試驗值一致。由此可以獲得試樣加載過程中模擬標距段位移、載荷數據,以及拉伸過程中缺口試樣的應力三軸度云圖,用于分析光滑試樣及缺口試樣在相同條件下的應力三軸度對斷裂失效機理的影響。當有限元模型網格尺寸小于0.1 mm時,網格尺寸對試樣失效應變的影響可以忽略。為保證模擬精度,試驗中所有試樣的有限元模型網格尺寸均取 0.1 mm,在此基礎上對試樣缺口根部單獨進行網格加密。

筆者利用掃描電子顯微鏡對光滑試樣及缺口試樣的斷裂面進行電鏡掃描,從電鏡圖片中觀察試樣的斷裂面形態及斷裂機理。掃描電子顯微鏡如圖4所示。

▲圖4 掃描電子顯微鏡

4 試驗結果

4.1 缺口尺寸對拉伸性能影響

試樣載荷位移曲線如圖5所示。由圖5可知,光滑試樣和缺口試樣的載荷位移曲線擬合程度較好,說明以光滑試樣的本構關系及材料性能參數能夠較準確地預測缺口試樣的拉伸加載過程。由圖5可以看出,缺口試樣的載荷位移曲線均高于光滑試樣,并且隨著缺口半徑的減小,載荷位移曲線升高。當試樣載荷達到峰值時,試樣已在強化階段達到了材料本身的強度極限,隨著試樣拉伸位移的不斷增大,試樣的橫向尺寸會突然急劇減小,直至斷裂。

▲圖5 試樣載荷位移曲線

缺口試樣的屈服強度或抗拉強度隨應變的增大而提高,這一現象稱為缺口強化。試樣拉伸強度應變曲線如圖6所示。由圖6可知,缺口試樣相較于光滑試樣,屈服強度和抗拉強度均有所提高,并且隨缺口半徑的減小,試樣的強度提高。當材料所受應力狀態不同時,材料內產生的塑性變形與應力集中程度也有所不同,材料的斷裂機理會發生變化。為反映材料受力時的復雜應力狀態,引入應力三軸度來反映對材料塑性變形能力的約束程度。

▲圖6 試樣拉伸強度應變曲線

一般認為,應力三軸度反映了應力場中三軸應力狀態和對材料變形的約束程度,會直接影響材料的塑性變形及斷裂行為。在應力場中,通常用平均應力與等效應力之比來表征應力三軸度的大小,為:

(1)

式中:σ*為應力三軸度;σ1、σ2、σ3為主應力。

試樣在進行拉伸試驗時無法測出試樣的三個主應力,因此無法計算出各試樣的應力三軸度,也很難對試樣的拉伸強度及斷裂失效進行預測。布里奇曼公式為經驗公式,將頸縮自由表面看作圓弧,假定周向應變等于徑向應變,從而推導出缺口試樣最小截面的應力三軸度表達式。筆者采用布里奇曼公式對光滑試樣及缺口試樣的應力三軸度進行估算,為:

(2)

式中:R為頸縮表面的曲率半徑;r為頸縮處橫截面的最小半徑。

根據布里奇曼公式,計算得出光滑試樣及缺口試樣的應力三軸度分別為0.33、0.48、0.60、0.82,由此可以對各試樣的拉伸強度及斷裂失效進行預測。

4.2 缺口尺寸對應力集中程度影響

光滑試樣及缺口試樣的最小截面應力三軸度云圖如圖7～圖10所示。光滑試樣及缺口試樣為軸對稱結構,由圖7～圖10可清晰地觀察到試樣在拉伸過程中的應力集中部位。不同試樣的應力三軸度曲線如圖11所示。由圖11可以看出,試樣缺口尺寸不同,試樣標距段的應力三軸度有明顯差異。試驗中,試樣的拉伸方式均為單軸拉伸,光滑試樣的應力三軸度始終為0.33,半徑16 mm、半徑8 mm、半徑4 mm缺口試樣的應力三軸度依次位于0.39～0.76、0.48～0.93、0.60～0.99范圍內。結合上文,由布里奇曼公式計算得出的光滑試樣及缺口試樣應力三軸度也在此范圍內,因此筆者所采用的試樣本構關系、約束參數及仿真步驟正確可行。

▲圖7 光滑試樣最小截面應力三軸度云圖

▲圖8 半徑16 mm缺口試樣最小截面應力三軸度云圖▲圖9 半徑8 mm缺口試樣最小截面應力三軸度云圖▲圖10 半徑4 mm缺口試樣最小截面應力三軸度云圖▲圖11 試樣應力三軸度曲線

應力三軸度能夠綜合反映材料發生塑性變形能力的約束程度,當試樣處于受拉狀態時,應力三軸度越大,試樣的塑性變形能力越弱,反之,試樣的塑性變形能力越強。試樣的應力三軸度增大時,會相對提高試樣的屈服強度及抗拉強度。因此,隨著試樣缺口半徑的減小,試樣的應力三軸度位移曲線升高,符合圖11的加載趨勢。

在拉伸過程中,試樣的塑性應變主要集中在頸縮區域,斷裂也往往從頸縮區域的中心部位開始,因此分別對光滑試樣及缺口試樣頸縮處單元進行分析。對于光滑試樣,標距段無明顯缺口,應力集中現象不明顯,并且始終處于單軸拉伸狀態,應力三軸度值基本保持不變。對于缺口試樣,中心缺口處單元在進入塑性變形后應力三軸度跳躍式增大,隨著拉伸位移的增大,應力三軸度平緩減小,此時試樣的塑性變形能力提高,缺口處發生肉眼可見的塑性變形。

4.3 缺口尺寸對拉伸強度影響

光滑試樣及不同尺寸缺口試樣斷裂面電鏡圖片如圖12～圖15所示。觀察時,觀測點始終為試樣的起裂位置,由此獲得不同應力狀態下起裂時的機理。光滑試樣和缺口試樣掃描電鏡的觀測點位于試樣心部,試樣起裂的機理均為孔洞正斷,此種斷裂機理稱為韌窩型正斷。斷裂面的韌窩形貌主要受應力三軸度及塑性應變的影響,其中,韌窩的大小主要受應力三軸度的影響,韌窩的深淺主要受塑性應變的影響。試樣在拉伸過程中,拉伸位移增大,直至斷裂失效,試樣直徑最小中心處應力三軸度最大。試樣斷裂面的應力三軸度越大,試樣的塑性變形能力越弱,且應力集中明顯,因此斷裂面韌窩所占的面積較大。由圖12～圖15可以明顯觀察到,隨著缺口半徑的減小,試樣斷裂面的韌窩逐漸增大。

▲圖12 光滑試樣斷裂面電鏡圖片

▲圖13 半徑16 mm缺口試樣斷裂面電鏡圖片▲圖14 半徑8 mm缺口試樣斷裂面電鏡圖片

▲圖15 半徑4 mm缺口試樣斷裂面電鏡圖片

5 結論

筆者對光滑試樣與不同尺寸缺口試樣進行拉伸試驗,對試驗所得數據進行擬合,驗證以光滑試樣的本構關系及性能參數為基礎對缺口試樣拉伸過程進行仿真分析的可行性,并仿真分析得到ML20MnTiB鋼不同尺寸缺口試樣拉伸過程中的應力三軸度分布。通過對試樣斷口進行掃描電鏡分析,得出三方面結論。

(1) 通過拉伸試驗實測所得到的數據,可以擬合得出ML20MnTiB鋼的載荷位移曲線。由曲線的擬合程度可知,以光滑試樣的本構關系及材料性能參數能夠較準確地預測缺口試樣的拉伸加載過程。

(2) 試驗和仿真分析結果表明,缺口試樣相較于光滑試樣,屈服強度和抗拉強度均有所提高,并且隨著缺口半徑的減小,試樣的強度提高,即隨著應力三軸度增大,試樣的失效應力增大。

(3) 由試樣斷裂面電鏡圖片可知,各試樣斷裂機理均為韌窩型正斷,隨著缺口半徑的減小,即隨著三軸度的增大,斷裂面上的韌窩聚合程度提高,形狀逐漸趨于球形,韌窩半徑逐漸增大。