316L不銹鋼箔應變不均勻性研究

胡建華,尚 磊,單志航,楊軍恒

河北工程大學機械與裝備工程學院,河北 邯鄲 056038

0 引言

316L不銹鋼在航空航天、醫療器械以及化工設備等領域中被廣泛應用。在實際應用中,它經常需要承受復雜的加載條件,因此,深入了解其力學行為變得至關重要。特別是當存在諸如孔、角、間隙等幾何特征時,這些設計上的考慮通常旨在滿足減輕重量的需求,但在復合載荷作用下,局部應變場往往呈現出高度不均勻的特性[1]。

數字圖像相關(DIC)技術是光學和非接觸方法中應用最廣泛的一種方法,被廣泛用于深入了解材料的應變不均勻性。相較傳統的應變片測量方法,DIC技術可提供2D和3D的全局位移和應變場數據。任春影 等[2]使用DIC技術生成高強度鋼板的應變云圖,揭示了在靜態和動態拉伸試驗中,應變分布隨時間和空間演化的不均勻性,尤其是在頸縮和斷裂階段的應變局部化過程。Kang et al.[3]利用DIC技術研究了AZ31合金板材在單軸拉伸試驗中的應變分布。研究結果顯示,板材表面的應變呈非線性變化,產生較大的應變梯度,但在厚度方向上變形較小,表現出明顯的不均勻性變形。Tarigopula et al.[4]使用DIC技術研究了在不同加載速率下,DP800鋼板從開始塑性變形到斷裂的應變云圖,揭示了其應變演化過程,結果表明,材料早期應變呈現局部化現象,并逐漸從均勻應變過渡到嚴重局部化應變。

目前對于316L不銹鋼箔應變不均勻性的研究十分有限,特別是在基于DIC技術的試驗研究方面較少。因此,為研究該問題,設計了一種試件結構,其中試件中心含有孔洞且兩端凸起,并基于DIC技術進行拉伸試驗。通過這項研究,旨在探討316L不銹鋼箔在不同應力狀態下的應變不均勻性。

1 試驗材料與方法

試驗選用的材料為冷軋316L奧氏體不銹鋼,厚度為100 μm,其生產的不銹鋼符合ASTM A240標準。其化學成分如表1所示,試件尺寸如圖1所示。

單位：mm

表1 316L不銹鋼化學成分質量分數 單位：%

采用電火花線切割技術加工該拉伸試樣,其孔洞通過臺鉆進行鉆孔。為了在臺鉆加工試件孔洞時保持精確性,應確定圓心位置,避免孔洞偏移。同時使用夾緊裝置固定試件,確保穩定加工。加工完成后,在試件表面噴涂白色底漆并等待干燥。隨后,在白色底漆上噴涂黑色斑點來制作人造斑點圖案。散斑的演變被認為是樣品變形的結果。拉伸過程中應變率設置為0.1%,利用digital image correlation engine(DICe)軟件對樣品的變形過程進行分析。

使用3200型拉伸試驗機進行單軸拉伸試驗。材料的變形通過二維DIC裝置進行測量,該裝置由LED光源、工業相機、變焦鏡頭和控制計算機組成,如圖2所示。工業相機的幀率設置為1 fps/s。子集大小設置為17×17像素,并采用6像素的步長進行DIC分析。

(a)DIC系統及萬能試驗機 (b)噴涂散斑的試樣

2 試驗結果與分析

含孔試樣的拉伸載荷位移曲線如圖3所示。在拉伸試驗的不同階段,觀察到試樣上的圓孔逐漸沿著試件的長軸方向拉伸,最終形成橢圓形。

圖3 含孔試樣載荷位移曲線和工業相機在試驗不同階段拍攝的3幅圖像

基于DIC技術對316L不銹鋼箔含孔試樣拉伸試驗過程進行監測,以便量化其塑性變形過程。試樣在不同拉伸階段(t1～t5)的全場應變如圖4所示,圖中不同灰度代表不同應變水平,圖例為不同灰度代表的具體應變數值。

圖4 試驗初期(t1=0 s)、中期(t2=31 s、t3=66 s和t4=81 s)和斷裂前(t5=127 s)二維應變圖

結果表明,在試驗的不同階段,試樣的應變分布呈現出明顯的變化。在試驗初期(t1階段),試樣表面應變分布相對均勻。然而,隨著時間推移至t2階段,應變局部化現象開始顯現。部分區域經歷更大的應變,而其他區域受影響較少,這種趨勢一直加劇至試驗的t5階段,即試樣的宏觀破壞階段。在這一階段,應變不均勻性達到頂峰,試樣的表面形變分布變得十分不均勻,最終導致試樣整體破壞。

在t5時刻觀察材料表面應變云圖,顯示出明顯的應變集中現象。部分區域的應變數值明顯低于其他區域,這是由于樣品內部分布不均勻特性或測量的不準確所導致。具體來說,在橫向應變分量εxx上,孔的左上方和右下方的應變略高于右上方和左下方的應變。在孔洞左上方,縱向應變分量εyy的空間分布比右下方更為密集。在加載初期時,最小縱向應變和最大縱向應變的絕對值近乎相同,然而隨著載荷的增加,最小縱向應變的絕對值與最大縱向應變的絕對值相差0.08。此外,剪切應變分量εxy的空間分布表現出明顯的集中現象,主要集中在孔洞的左上方和右下方,形成了一個呈現“”形狀的區域,最終導致試樣從這些區域斷裂。這種現象表明,應變局部化似乎更適合按照45°角模式進行發展。

3 結束語

本文針對316L不銹鋼箔含孔試樣中的變形不均勻性進行深入分析。通過拉伸加載試驗,探討了試樣在不同應力狀態下的變形行為;通過DIC技術獲得的應變云圖,從時間和空間的角度直觀揭示了應變分布的不均勻性和應變局部化的演化過程。

拉伸試驗結果顯示,在試驗過程中,應變局部化呈逐漸發展的趨勢。基于DIC技術獲得的應變云圖觀察到316L不銹鋼箔表面應變在試驗的早期階段應變分布相對均勻,然而隨著試驗的進行,應變局部化現象逐漸顯現。這種趨勢持續到試驗的最后階段,最終導致試樣的頸縮和破壞。這些局部化區域在縱向、橫向和剪切應變上均十分清晰,表明試樣在不同方向上均存在應變不均勻性。

材料的應變不均勻性源于其多晶體內晶粒的隨機取向。盡管在宏觀尺度上,變形似乎是均勻的,但在微觀層面,不同晶粒的取向差異導致應變分布的不均勻性。這種不均勻性可能會對材料的力學性能和使用壽命產生顯著影響。

為減輕應變不均勻性對工件使用壽命的負面影響,確保變形金屬的成分和組織盡可能均勻是至關重要的。通過優化工件的形狀設計,可減少局部應變的集中程度,從而降低材料在特定區域的應力集中。此外,在實際工作中,須注意環境因素對材料性能和變形的潛在影響。環境條件的變化可能導致材料的腐蝕、疲勞等問題,從而加劇應變不均勻性對工件的損傷程度。因此,在合適的環境條件下進行工作并采取必要的預防措施,是確保材料長期穩定工作和延長工件壽命的重要步驟。

通過優化材料的組織結構、合理設計工件形狀以及在適宜的環境條件下進行工作,可最大程度地減少材料的應變不均勻性對工件使用壽命的潛在影響,從而提高工件的耐久性和性能表現。