超聲振動對建筑結構Q345GJC 板拉伸性能的影響研究

肖瑞亞

（新鄉職業技術學院建筑學院，河南 新鄉 453000）

0 引言

結構鋼的各項性能指標需要滿足優異的力學性能及成形性能[1-2]，與傳統材料比較，厚度方向性能鋼板具備低密度、高比強度的優勢，由于合金還能承受高溫環境，使其被廣泛應用于建筑等領域[3-5]。但鋼板不具備良好的加工性能，無法制作成鈑金結構。合金在室溫環境下因具備較高的力學強度，在成形過程中需較高的壓力，同時伸長率較小，只能產生小幅變形。由于合金具備較小的彈性模量，因此在變形階段產生較大的回彈量，無法獲得穩定的外形尺寸，降低了零件尺寸精度，甚至影響到實際使用效果，這對鋼板室溫成形加工造成了明顯限制。本文針對鋼板進行力學特性與室溫加工性能的研究，通過超聲振動輔助拉伸測試方法分析了超聲振動引起的鋼板力學特性變化與接觸面摩擦狀態改變情況。

1 超聲振動對試樣拉伸性能的影響

1.1 實驗方案

可以利用拉伸測試方法表征板的力學特性參數，并根據應力-應變測試曲線對其進行力學指標分析，由此得到拉伸強度與伸長率等指標。根據拉伸測試原理以及超聲振動作用機制，為拉伸設備配備了超聲振動輔助系統，包括換能器、支架、超聲振子、夾頭等多個部分，使試樣在拉伸過程中受到超聲振動作用，該裝置的具體結構和拉伸試樣結構尺寸如圖1 所示，拉伸試樣如圖2 所示。

圖2 拉伸試樣照片

1.2 力學性能分析

圖3 給出了各個超聲振動下材料的應力-應變數據。其中，未設置超聲振動的情況下，Q345GJC 板拉伸強度為315.8 MPa，屈服強度為272.2 MPa，伸長率為32.4%。設置頻率為20 kHz 的超聲振動時，Q345GJC板拉伸強度與屈服強度都有所減小，振幅為10 μm、12 μm、14 μm 時對應的拉伸強度依次為298.4 MPa、288.4 MPa、264.7 MPa，屈服強度減小到257.3 MPa、259.1 MPa、234.3 MPa。產生上述變化的原因在于施加超聲振動后，材料受到外部能量作用而發生強度下降現象，且當材料受到超聲振動時還會引起明顯的“軟化效應”，使位錯運動阻力大幅降低，有助于滑移系更快開動，減小塑性變形階段產生的靜態流動應力。相對于未設置超聲振動的情況，設定超聲振動幅度為10 μm 的試件伸長率達到了34.1%，逐漸提高振幅與頻率后，伸長率持續降低；其中，頻率為25 kHz、振幅為10 μm 時，Q345GJC 板伸長率快速減小。這是由于提高振動頻率或振幅后，材料受到交變載荷作用而容易導致材料出現局部集中應力，從而發生斷裂，同時伸長率有所減小。

圖3 Q345GJC 板工程應力-應變曲線

1.3 摩擦性能分析

坯料加工過程中，模具表面存在凹凸結構，受到接觸壓力作用后，將會在坯料和模具間形成摩擦，使坯料變形規律發生變化，并對成形質量造成明顯影響。采用超聲振動輔助滑動摩擦測試時，需對固定塊設置一個法向壓力FN，同時對超聲振子設置一個拉力Ff，使其保持勻速運動狀態。測試期間，采用材質與表面粗糙度跟拉伸模具一致的固定塊，本次選擇45 號鋼作為測試材料，表面粗糙度為1.6 μm，控制固定塊法向壓力為2 kN。圖4 為各超聲參數下摩擦力和滑動距離間關系。圖5 為摩擦系數變化。未設置超聲振動條件時，試樣需克服較大摩擦力，同時發現當滑動距離增加后，形成了更大摩擦力，測試得到的平均摩擦力為726 N，摩擦系數為0.181。

圖4 摩擦力與滑動距離關系

圖5 超聲振動參數與摩擦系數關系

設置超聲振動條件后，試件滑動時的摩擦力明顯降低，并且隨著超聲振幅與頻率的提高，摩擦力持續下降。在振動振幅為10 μm 以及振動頻率為25 kHz的情況下，Q345GJC 與45 號鋼產生了257 N 的摩擦力，摩擦系數為0.063。與超聲振幅相比，摩擦系數受到頻率的影響更為顯著，當提高頻率后，摩擦系數發生了快速降低。處于超聲振動環境中，試件和模具不斷發生接觸與分開，同時摩擦力方向也一直改變，受局部熱效應影響，還會產生黏焊的情況，由此降低了坯料和模具的摩擦系數。

2 結論

1）相對于未設置超聲振動的情況，設定超聲振動幅度為10 μm 的試件伸長率達到了34.1%，逐漸提高振幅與頻率時，伸長率持續降低。

2）設置超聲振動后，試件滑動時的摩擦力降低，隨著超聲振幅與頻率的提高，摩擦力持續下降。

3）該研究有助于提高高層建筑結構鋼的承載性能，具有很廣的應用價值。