冷加工塑性硬化对304不锈钢力学参数的影响

冷加工塑性硬化对304不锈钢力学参数的影响 王帅; 薛河; 崔英浩; 李凯; 郭瑞 【期刊名称】《《西安科技大学学报》》 【年(卷),期】2019(039)004 【总页数】7页(P681-687) 【关键词】材料力学性能; 弹塑性有限元模拟; 冷加工; 304奥氏体不锈钢; 力学试验

【作 者】王帅; 薛河; 崔英浩; 李凯; 郭瑞 【作者单位】西安科技大学机械工程学院 陕西西安710054 【正文语种】中 文 【中图分类】TG113.2

0 引 言 结构完整性分析是关键机械结构安全服役的重要保证之一，而准确测量实际工程结构中的材料力学参数，是分析实际工程结构完整性的重要基础依据。当金属材料发生变形时，滑移面及晶界上产生大量位错，脆性碳化物等破碎后沿流变方向分布，导致金属变形抗力和硬度随变形增加，产生冷加工硬化现象。焊接过程中的不均匀加热和冷却会导致母材中产生一定的冷加工硬化现象，管道的冷弯工艺也会使弯头部位的材料性能发生变化。由于冷加工硬化会改变材料力学性能参数，导致工程结构中力学性能的不均匀，造成结构中微裂纹的萌生、扩展直至结构失效[1-3]。目前冷加工硬化对于材料局部力学参数的影响难以通过实验手段来获取，鉴于材料的单轴拉伸试验相对容易实现的特点，利用单轴拉伸试验结合弹塑性有限元获取不同冷加工量下的304奥氏体不锈钢力学性能参数，是一种较为简单易行的方法。 304奥氏体不锈钢经过冷加工后具有明显的硬化现象[4-7]。20世纪60年代，Armijo等学者已经对304奥氏体不锈钢的冷加工硬化现象进行了研究[8-10]，随着技术的不断进步，人们对不锈钢冷加工硬化现象的研究取得了较大进展。Ludwigson等阐述了冷加工过程中，间隙元素C和N对应变诱发马氏体相变的影响[11]；Soussan对316L和316LN不锈钢在变形中的单滑移和晶面滑移以及多滑移的出现作了研究，结果表明可以使用修正的Ludwik模型表征316L和316LN不锈钢的加工硬化现象[12]；王松涛等对高氮奥氏体不锈钢与316L不锈钢的冷变形行为展开了研究，分析了2种钢的冷变形方式以及形变诱导马氏体相变，其研究结果表明Ludwigson模型可以对高氮不锈钢的真应力-真应变曲线进行描述，高氮不锈钢的加工硬化指数随着冷加工量的增加而不断降低[13-14]；宋仁伯通过修正的Ludwik模型对流变应力数据进行非线性拟合，获得了316L不锈钢的真应力-应变模型和加工硬化模型，其研究结果表明316L不锈钢冷变形流变应力分为强加工硬化、稳加工硬化和弱加工硬化3个阶段[15]。Ghosh等通过立体显微镜、光学显微镜与原子力显微镜观察对冷加工后的奥氏体不锈钢中存在高密度的滑移带产生的腐蚀隧道进行了研究，结果表明冷加工造成的腐蚀隧道与腐蚀环境协同作用提高了材料应力腐蚀开裂(SCC)的敏感性[16]；侯小振等研究了冷加工对316L不锈钢力学行为和组织的影响，分析了不同变形后力学性能及硬度的变化机制，结果表明，冷变形使材料的强度和硬度得到大幅度提高，但塑性有所降低[17]。韩飞通过组织分析研究了冷加工条件下304奥氏体不锈钢的相变过程，研究结果显示，同种冷加工方式下，变形量越大，马氏体相变量越高[18]。林高用等选用SUS304-2B不锈钢材料进行了单轴拉伸试验，试验结果表明该材料在冷加工之后强度显著增加，而塑性降低[19]。王霞等对304不锈钢进行了压缩变形实验，得到了不同变形速率下的真应力-应变曲线，并对变形前后试样的金相图进行了分析，结果表明冷变形使晶粒内部产生亚晶界，并进一步发展为晶界，使晶界明显增多且晶粒趋于均匀化，细化，存在细晶强化作用[20]。许淳淳在不同温度下对AISI304不锈钢进行不同方式、不同程度冷加工，用铁素体测量仪测定马氏体相变量，结果表明冷加工形变会诱发奥氏体组织向马氏体组织转变，随着冷加工形变的加强，马氏体相变增加[21]。刘伟等研究了应变速率对奥氏体不锈钢应变诱发马氏体转变和力学行为的影响，结果表明冷加工后奥氏体不锈钢组织主要是奥氏体和大量增殖发生滑移的位错和机械孪晶[22-23]。 目前，奥氏体不锈钢冷加工硬化方面的研究主要集中于冷加工变形对材料微观组织转变以及材料力学性能的影响方面，在不同冷加工量下材料具体性能参数的获取方面，研究相对较少。文中利用微机控制电液伺服拉伸试验机以及ABAQUS有限元分析软件，以304奥氏体不锈钢为研究对象，通过单轴拉伸后卸载的方式使材料发生塑性变形，从而实现材料的冷加工硬化，并基于线弹塑性硬化模型分析了不同冷加工量下304奥氏体不锈钢的力学性能参数变化情况，通过材料单轴拉伸试验结合弹塑性有限元方法推算出材料的力学性能参数。 1 试验过程 1.1 试验材料及方法 试验采用山西太钢不锈钢股份有限公司提供的304奥氏体不锈钢薄板，执行标准GB/T24511-2009，材料交货前经退火、酸洗及精整处理，试样厚度为2 mm，其化学成分见表1.采用线切割加工如图1所示的板状拉伸试样。 表1 304奥氏体不锈钢的化学成分Table 1 Chemical composition of 304 stainless steel %CSiMnPSNiCr0.080.752.000.030.028.0317.02 图1 板状拉伸试样Fig.1 Plate tensile specimen 1.2 304不锈钢拉伸试样单轴拉伸试验 为保证单轴拉伸试验的数据可靠性，选用同一批次的4枚板状拉伸试样，利用PLD-50KN型微机控制电液伺服拉伸试验机上将试样分别拉伸2，4，6，8 mm(预变形量10%，20%，30%，40%)后卸载，获得具有不同冷加工量的试样，再将预制后的试样重新拉伸直至试样断裂，以比较冷加工硬化后材料的力学性能。板状试样的拉伸过程如图2所示。 图2 板状拉伸试样拉伸过程Fig.2 Tensile testing of plate tensile specimen 2 有限元模型的建立 2.1 材料模型 线弹塑性硬化模型可近似表达材料屈服后应力-应变曲线显著上升的行为。线弹塑性硬化模型如图3所示[24]。 图3 线弹塑性硬化模型Fig.3 Linear elastic plastic hardening model 线弹塑性硬化模型的基本方程为

(1) 式中 σ为应力，MPa;ε为应变；σ0为屈服应力；δ为材料屈服后斜率的折减系数，屈服前E为曲线的斜率，屈服后δE为曲线的斜率。 假设常用的304奥氏体不锈钢的材料力学关系符合线弹塑性硬化关系。304奥氏体不锈钢基本材料力学参数设置见表2，其中弹性模量值可通过单轴拉伸试验获取。为获取不同冷加工量下304不锈钢的力学性能参数，通过调节屈服应力σ0，折减系数δ的大小控制仿真计算结果，并与物理实验获得的应力-应变曲线相对比，两者基本吻合时，认为设定的屈服应力σ0，折减系数δ等参数为不同冷加工条件下的力学性能参数。 表2 材料力学性能Table 2 Material mechanical properitiesMaterialE/GPa屈服应力νσ0/MPa折减系数δ3041900.3预设预设 2.2 有限元模型 以板状拉伸试样为研究对象，根据板状试样的几何尺寸，绘制几何模型，分别在试样上设置固定孔与加载孔，以保证加载条件与物理实验一致，模拟计算时对左侧的固定孔进行全约束，通过右侧加载孔的水平右移模拟试样的拉伸过程，对试样施加5 mm的水平位移量保证材料达到屈服状态。 试样标距段网格采用六面体结构化网格，其余部分采用六面体扫略网格，由于试样标距段位置处会出现较大的应力梯度，所以对标距段进行适当的网格细化，以便获得准确的拉伸数据，网格过渡良好，无畸变。单元类型选择八节点三维实体单元(C3D8)，单元数为2 988.有限元网格模型如图4所示。 图4 有限元网格模型Fig.4 Finite model of plate tensile specimen 3 实验结果及讨论 3.1 单轴拉伸试验结果 通过拉伸试验机可获得不同冷加工量下304奥氏体不锈钢拉伸试样工程应力应变随时间变化的关系曲线，如图5所示。 图5 不同冷加工量304奥氏体不锈钢工程 应力-应变曲线Fig.5 Engineering stress-strain curves with different cold deformation 在单向拉伸试验中得到的数据通常以工程应力σnom和工程应变εnom表示，为了准确描述变形过程中截面积的变化，需要使用真实应力σtrue和真实应变εtrue，转化关系[25] σture=σnom(1+εnom) (2) εture=ln(1+εnom) (3) 转化后的真实应力应变曲线如图6所示。 图6 不同冷加工量304奥氏体不锈钢真实 应力-应变曲线Fig.6 Ture stress-strain curves with different cold deformation 3.2 数值模拟结果 为获取不同冷加工量下304奥氏体不锈钢的力学性能参数，选取线弹性塑性硬化关系作为材料真实应力-应变曲线简化模型，利用ABAQUS有限元软件对单轴拉伸试验进行数值模拟，并通过在模型中不断调节屈服应力σ0，折减系数δ 2个参数值来控制数值模拟结果，利用数值模拟获取试样标距段真实应力-应变曲线后，与单轴拉伸试验得到的真实应力-应变曲线进行比对，当拉伸试样与数值模拟结果较为吻合时，认为数值模拟过程中所输入的屈服应力σ0，折减系数δ等参数值近似等于该冷加工条件下304奥氏体不锈钢的力学性能参数。 图7 数值模拟与物理试验真实应力-应变曲线对比Fig.7 Comparison of numerical simulation and experimental results 当数值模拟的真实应力-应变曲线与拉伸试验真实应力-应变曲线较为吻合时得到如图7所示的对比图。最终获取的不同冷加工量下304奥氏体不锈钢材料的力学性能参数见表3. 从表3可知，随着冷加工量的不断增加，材料的屈服应力σ0不断增加。同时，折减系数δ的变化幅值不大，平均值 表3 不同冷加工量下304奥氏体不锈钢力学性能参数Table 3 304 ASS material mechanical properties with different cold deformation冷加工量/%屈服应力σ0/MPa折减系数δ10427.50.009 3205890.011 030 6840.011 740 8530.011 4 3.3 冷加工硬化对材料力学参数的影响 对不同冷加工量下材料的力学性能参数进行线性拟合，得到冷加工量与材料屈服应力的关系如下