基于小試樣的304不銹鋼薄板單向拉伸試驗研究

尚 磊,胡建華,單志航,晁 爽

河北工程大學機械與裝備工程學院,河北 邯鄲 056038

0 引言

在機械、航空航天等領域的工業發展過程中,從在役結構和設備中割取大尺寸試樣進行試驗測試十分困難,因此對于獲取困難或價格昂貴的特殊材料,小尺寸試樣為增加測試選擇、獲得更多測試數據提供了可能[1]。從取樣方便和有效降低試驗成本進行考慮,實現小尺寸試樣獲取材料及設備性能的研究具有重要理論意義和工程應用價值[2]。

本文對304不銹鋼薄板小試樣在不同條件下進行單向拉伸試驗,采取與標準試樣尺寸相似縮小的原則,設計了進行單向拉伸試驗和有限元分析的啞鈴狀小試樣,研究取向和厚度對其力學性能的影響,并對影響機理進行討論;通過有限元對標準試樣與小型試樣進行分析比較,得到小型試樣與標準試樣之間的聯系,為小試樣試驗技術應用提供參考。

1 試驗內容與方法

1.1 材料及試樣設計

試驗選用冷軋所制的厚度分別為20、50、100、200 μm的304不銹鋼薄板,其部分化學成分質量分數：C為0.05%,Mn為0.97%,S為0.07%,Si為0.6%,Cr為16.59%,Ni為8.75%,P為0.028%。試驗所用試樣為小型板狀試樣,采用與標準試樣尺寸相似縮小的原則設計成如圖1所示的啞鈴狀。

單位：mm

1.2 單向拉伸試驗

采用高精度動靜態生物力學試驗機(ElectroForce 3200 Series Ⅲ,ElectroForce Systems Group,美國bose公司)進行單軸拉伸試驗(見圖2)。為探究厚度對試樣尺寸效應的影響,在應變速率為0.001/s條件下,分別對20、50、100 μm的沿軋制方向成0°取向的試樣進行拉伸試驗。試樣厚度定為100 μm,應變速率選用0.001/s,對沿軋制方向不同取向的試樣進行試驗,進而探究各向異性對薄板力學性能的影響。試驗在室溫下進行,每類拉伸試驗重復次數不少于3次,并取多次試驗結果的平均值。

圖2 ElectroForce 3200 Series Ⅲ試驗機

2 試驗結果與討論

2.1 取向對力學性能的影響

在室溫下,對厚度為0.1 μm沿軋制方向不同取向的冷軋304不銹鋼薄板小試樣進行單向拉伸試驗,試驗獲得的真實應力應變曲線如圖3所示。不同取向試樣的力學性能參數,如表1所示。

表1 沿軋制方向不同取向試件的力學性能參數

圖3 沿軋制方向不同取向試件的力學性能參數

通過曲線圖和參數表可得,對于冷軋所制的304不銹鋼薄板,沿軋制方向不同取向可影響力學性能,材料存在各向異性。當試樣取向與軋制方向夾角由0°增加至90°時,試樣屈服強度表現出先減小后增大的趨勢,60°除外。試樣與軋制方向成45°時,其屈服強度值最小。伸長率隨著試樣取向與軋制方向夾角的增加呈先增大后減小趨勢,試樣與軋制方向成90°時,其伸長率最小。

2.2 尺寸效應現象分析

對沿軋制方向取向為0°,厚度分別為20、50、100、200 μm的不銹鋼薄板進行單向拉伸試驗,所得真實應力應變曲線如圖4所示。分析得出,厚度尺寸對應力應變曲線的影響較為明顯,厚度為20、50 μm的試樣其總變形過程基本為彈性變形,幾乎未出現塑性變形,表現為屈服即斷裂;厚度為100、200 μm試樣的拉伸過程有明顯塑性變形階段。從100～20 μm,隨著板料厚度的減小,屈服強度和抗拉強度均表現出越來越大的現象,但從200 μm減少到100 μm,結果與之相反。試驗結果表明,不銹鋼薄板拉伸力學性能在厚度尺寸上具有尺寸效應。

圖4 不同厚度試樣試驗數據

由圖4(a)和圖4(b)得出：厚度對不銹鋼薄板的屈服強度和斷后伸長率均有顯著影響,表現為板料厚度從200μm減小到100μm時屈服極限隨之減小;板料厚度從100μm減小到20μm時,屈服極限隨之增大,斷后伸長率隨之減小。板料厚度為100 μm時,屈服極限數值最小。

可將此現象分成2個階段解釋。

首先試樣厚度位于100～200 μm時,可根據表面層模型解釋屈服極限隨尺寸減小而降低的現象[3]：因試樣表面層晶粒相對于內部晶粒而言為自由表面,則位錯會以較小的約束力滑移出自由表面,表面層晶粒較內層晶粒有較低的屈服強度。若材料的厚度下降至一定的區間,表層晶粒會與內部晶粒具有相當的占比,此時,表層晶粒占比的提升造成屈服強度的隨之下降。

若材料厚度位于20～100 μm區間,由于應變梯度效應的存在,材料的屈服強度會因厚度降低而有所增強。相關研究證明,不銹鋼類材料一般具備表面鈍化膜[4],且出現屈服變形的微觀機制主要為晶粒的位錯滑移,但由于強度更高的鈍化膜存在,在拉伸過程中,對于表層晶粒的位錯滑移形成限制,從而在一定程度上強化材料的拉伸性能[5]。

根據圖4(b)曲線所示,隨著板料厚度的增加,不銹鋼薄板的斷后伸長率呈現遞增的趨勢,表明其塑性性能得到明顯提升。試樣厚度的大小明顯影響著板料的斷后伸長率,尤其是當厚度小于100 μm時。20 μm和50 μm厚的板料斷后伸長率分別為1.96%和2.85%,100 μm板料為7.59%,200 μm板料為12.96%。當試樣的厚度為20 μm時,只有1～2個晶?？稍诤穸确较蛏蟽Υ?。當取向不合適的晶粒發生塑性變形時,周圍的晶粒數量太少,無法協調其變形[6],因此容易導致斷裂情況發生,最終宏觀上表現為20 μm厚的薄板試樣的斷后伸長率遠低于100 μm及以上厚度的板料。當試樣厚度超過100 μm時,斷裂后的伸長率的尺寸效應不再明顯,而在100、200 μm厚度的薄板上,斷裂后的伸長率相對較高且差異趨于減小。因薄板平面內的晶粒數量較多,當發生變形時,不利于變形的晶粒和有利于變形的晶粒之間相互協調,從而導致斷裂后的伸長率提高。

3 有限元數值模擬

3.1 材料模型

采用動力顯式算法,輸入304不銹鋼的密度7.93×10-9t/mm3,彈性模量193 GPa,泊松比0.29。在塑性設置中輸入試驗應力塑性應變曲線,選擇延性金屬損傷中的柔性損傷,斷裂應變為0.23,三軸應力為0.33,應變比為0.5,破壞位移為0.01。

3.2 分析步及網格設置

由于采用準靜態單向拉伸仿真,并且動態顯式算法采用動力學方程的一些差分格式(例如廣泛使用的中心差分法、線性加速度法、newmark法和wilson法等),不用直接求解切線剛度,不需要進行平衡迭代,計算速度快,若時間步長取值足夠小,一般不存在收斂性問題[7]。因此需要的內存也比隱式算法少,所以分析步采用動態顯式分析。時間長度為1 s,對模型進行目標時間增量設置,系數為1×10-4。在場輸出中勾選損傷初始準則(dmicrt)、材料體積分數和狀態。并對參考點建立集,在歷程輸出中對集進行沿拉伸方向的位移和力輸出。

劃分網格全部采用六面體結構單元,整體網格尺寸為0.35,因模型厚度僅為0.5 mm,為方便計算及避免不收斂問題,在模型厚度方向布置6個種子,并將標距段種子尺寸改為0.1,實現局部網格細化。

3.3 仿真結果

使用有限元軟件ABAQUS對本文所設計的小型拉伸試樣進行單向拉伸模擬。有限元模擬結果如圖5所示,仿真過程完整模擬出彈性、塑性階段(硬化、頸縮斷裂失效)的變形過程。經分析,試樣斷裂位置較好,且斷裂所需載荷位移位于試驗機范圍之內。

圖5 拉伸過程仿真云圖

3.4 對比分析

為探究數值模擬小試樣單向拉伸與標準試樣單向拉伸的區別或一致性,按國標GB/Z 38434—2019《金屬材料 力學性能試驗用試樣制備指南》在ABAQUS中繪制了單向拉伸標準試樣,對其施加的拉伸位移為20,其他參數條件均與小試樣單向拉伸模擬一致,并將0°小試樣的試驗曲線加入,三者的應力應變曲線如圖6所示。

圖6 3種條件下的拉伸曲線對比

由圖6分析可知,小試樣的試驗數據與數值模擬中小試樣單向拉伸和標準試樣單向拉伸的屈服應力和抗拉強度等力學性能基本相等,應力應變狀態具有相似性。

4 結論

本文首先對304不銹鋼薄板小試樣在不同條件下進行拉伸試驗,獲得了材料在各條件下的力學性能,并就差異化結果從微觀角度進行分析;其次,應用ABAQUS對標準試樣和小試樣進行拉伸仿真模擬,并聯系試驗結果進行分析。主要結論如下。

1)試樣材料的屈服應力沿軋制方向從0～45°逐漸減小,從45～90°逐漸增大。在45°方向屈服應力達到最小值。且試樣材料的伸長率與板料軋制方向具有相關性,即從0～90°,伸長率總體呈先增大后減小的趨勢。發現材料存在明顯的各向異性,生產、研究上可利用此特性進行性能整改與優化。

2)試樣厚度大于200 μm時,表面層晶粒對屈服強度變化起主要作用。厚度小于200 μm時,表層晶粒的減少與應變梯度效應共同作用。從微觀角度解釋了304不銹鋼板的尺寸效應現象,對本材料的尺寸效應類研究提供了依據。

3)仿真與試驗結果表明：小型拉伸試樣一定程度上可代替傳統割取標準試樣對容器設備等進行檢測分析。為采用小試樣技術對容器設備等進行性能檢測提供了可能。