超聲振動下結構鋼Q345GJC 冶金板拉伸性能分析

汪新麗

（鄭州經貿學院土木建筑學院，河南 鄭州 451100）

0 引言

高層橋梁的快速發展對結構鋼的各項性能指標提出了更高標準，需要滿足優異的力學性能及成形性能[1-2]。超聲振動輔助成形可以在板加工期間沿特定方向對其施加特定頻率與振動幅度的超聲波，實現材料強度調控的效果，獲得更強變形能力，同時還可以減緩材料變形過程的殘余應力，大幅降低成形件回彈程度[3]。在超聲振動作用下成形的鋼板和模具可以獲得更小摩擦力，由此獲得更優的鈑金件表面質量，且可提升尺寸控制精度[4]。楊楓[5]對TA1 鋼板進行超聲振動輔助拉伸測試發現，可以通過施加超聲振動的方式減小材料流動應力。Fartashvand[6]在超聲振動條件下對TC4 鋼板進行拉伸測試發現，在設置超聲振動的狀態下，可以使材料的伸長率增大12.8%。國內學者Liu[7]在超聲振動輔助作用下，對Q345GJC 進行微沖裁測試發現，在Q345GJC 裁斷口區域形成了更多的韌窩，表現出了更強的塑性變形能力。Obikawa[8]對錐形零件進行超聲輔助漸進微成形測試發現，在設置超聲振動條件下，可以實現更高精度的零件加工性能，避免零件在成形過程中產生皺紋。

本文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，深入探討了超聲振動因素引起的鋼板拉伸件拉伸強度與試樣回彈性能差異。由此通過材料超聲振動效應促使鋼板獲得更寬的室溫成形使用范圍[9]。

1 超聲振動下試樣拉伸性能分析

1.1 實驗方案

拉伸件外徑為15 mm，壁厚為0.5 mm，高8 mm。根據Q345GJC 冶金板變形特性，并結合拉伸件尺寸，以26 mm 外徑的坯料開展超聲振動輔助拉伸測試，再與常規拉伸方式進行比較分析?？刂仆鼓＠焖俣葹?.000 1 m/s，選擇坯料定間隙壓邊的形式，將壓邊間隙設定為和鋼板板料厚度一致的狀態，該裝置的具體結構如圖1 所示，拉伸試樣如圖2 所示。

圖1 超聲振動輔助拉伸試驗裝置

圖2 拉伸試樣照片

為了便于完成操作過程，測試時沿凹模的縱向設置超聲振動[10]，具體方案如表1 所示。

表1 超聲振動輔助拉伸方案

1.2 拉伸力分析

進行拉伸測試時，拉伸力是作用于凸模的總壓力，包含了材料變形抗力與阻力，可以根據拉伸力判斷材料變形抗力與變形程度。圖3 給出了各超聲振動條件下Q345GJC 鋼板拉伸件拉伸力和凸模行程之間的測試結果?？梢园l現，當凸模行程增大后，形成了更高的拉伸力，并在凸模行程增加到7.5 mm 時獲得最大值，之后拉伸力持續減??；設置超聲振動時，Q345GJC 鋼板拉伸件獲得了更小拉伸力，并且隨著振動振幅與頻率的提高，這種變化趨勢更明顯，當頻率為20 kHz、振幅為14 μm 時獲得了8.1%的最大降幅。此時超聲振動經凹模對坯料造成載荷作用，坯料受到超聲振動后強度與變形抗力下降，從而獲得了更小的拉伸力，此外超聲振動還可以進一步降低板料和模具摩擦系數，最終獲得更小拉伸應力。

1.3 拉伸件回彈分析

回彈指金屬板料發生彈塑性變形時，去除外載荷之后可以釋放彈性變形，零件的外形尺寸和模具存在差異?？紤]到鋼板的彈性模量較小，存在明顯的各向異性，容易在成形期間發生回彈，產生很大的回彈量。

圖4 為Q345GJC 冶金板拉伸后沿筒口部位的外徑尺寸回彈程度測試結果。其中，沒有施加超聲振動的情況下，相對坯料軋制方向0°、45°、90°、135°的筒口外徑依次為15.39 mm、15.18 mm、15.35 mm 與15.38 mm，不同方向形成的尺寸差異較大，回彈程度最大達到0.4 mm；設置超聲振動后，筒口外徑形成了更小的回彈量，從而形成了更小的尺寸波動狀態。

2 結論

1）設置超聲振動時，Q345GJC 鋼板拉伸件獲得了更小拉伸力，且隨著振幅與頻率的提高，變化更明顯。

2）不同方向上形成的尺寸差異較大，回彈程度最大達到0.4 mm；設置超聲振動后，筒口外徑形成了更小的回彈量，從而形成了更小的尺寸波動狀態。

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。