不同應(yīng)變速率下40crni2mo鋼低溫力學(xué)性能研究

不同應(yīng)變速率下40crni2mo鋼低溫力學(xué)性能研究

我國(guó)北方露天礦開(kāi)采和運(yùn)輸機(jī)械在冬季使用低溫環(huán)境。冬季最低溫度可達(dá)到-40以下，部分機(jī)器零件較差，低溫可靠性高。低溫脆性是體心立方金屬材料的普遍特性,一般來(lái)說(shuō),溫度越低或應(yīng)變速率越高,其脆化傾向也越嚴(yán)重。一些露天煤礦機(jī)械零件也會(huì)經(jīng)常承受低溫環(huán)境及各種動(dòng)態(tài)載荷(如交變、沖擊等)極端條件的同時(shí)作用下發(fā)生早期斷裂,嚴(yán)重影響煤炭生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)金屬材料低溫脆性做過(guò)一些研究,但是目前對(duì)金屬材料發(fā)生低溫脆性現(xiàn)象的本質(zhì)始終缺乏深入研究。超高強(qiáng)度鋼(如40CrNi2Mo)通常用來(lái)制造工程機(jī)械中關(guān)鍵的零部件,在機(jī)械設(shè)計(jì)中主要以常溫下的靜態(tài)力學(xué)性能為設(shè)計(jì)依據(jù),而幾乎不考慮材料低溫下的性能變化;且目前也缺乏材料在低溫下的各類力學(xué)性能數(shù)據(jù)。因此,確定材料在低溫下的靜載和動(dòng)載力學(xué)性能是一個(gè)重要的課題。國(guó)內(nèi)外采用不同手段對(duì)鋼在不同溫度下的動(dòng)態(tài)形變及斷裂行為進(jìn)行了研究,并試圖建立能夠反映材料自身特性的本構(gòu)方程,但這些研究主要是針對(duì)常溫及高溫狀態(tài)下來(lái)進(jìn)行的[7,8,9,10,11,12,13,14]。分離式霍普金森壓桿(SHPB,SplitHopkinsonPressureBar)技術(shù)是研究高速應(yīng)變速率下材料形變規(guī)律的重要手段,國(guó)內(nèi)外在測(cè)試手段、各類材料形變特性及微觀結(jié)構(gòu)等方面做了較多的研究,但在低溫狀態(tài)下的形變規(guī)律方面做的研究不多。因此,本文分別利用單向準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、系列缺口沖擊試驗(yàn)和SHPB技術(shù),對(duì)調(diào)質(zhì)態(tài)40CrNi2Mo鋼在常溫和低溫狀態(tài)下及不同應(yīng)變速率條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,為該材料在相關(guān)條件下的應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)提供參考。1拉伸試驗(yàn)和金相組織試驗(yàn)將40CrNi2Mo鋼經(jīng)鍛造后采用850℃淬火+650℃回火進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,平均硬度為HRC32.7,再加工成?5mm×25mm的靜拉伸試樣、10mm×10mm×55mmV型缺口的夏比沖擊試樣和?5mm×2.5mm的SHPB試樣。拉伸試驗(yàn)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)INSTRON5582上進(jìn)行,拉伸加載速度為1.2mm/min;系列沖擊試驗(yàn)在JB-30A型沖擊試驗(yàn)機(jī)完成。SHPB實(shí)驗(yàn)采用的氣壓為0.5MPa,子彈深度為30~70cm,測(cè)得應(yīng)變速率為(2.5~4.0)×103s-1,并獲得不同應(yīng)變速率下鋼的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,確定了其屈服強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間為-183~20℃,低溫溫度用液氮調(diào)節(jié)。采用蔡司200MAT型金相顯微鏡觀察金相組織,金相組織采用4%硝酸-酒精溶液侵蝕;斷口形貌用日立S-3400型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。2結(jié)果與分析2.1顯微組織形貌調(diào)質(zhì)態(tài)的40CrNi2Mo鋼及經(jīng)過(guò)靜拉伸或SHPB高速?zèng)_擊前后的顯微組織形貌未見(jiàn)明顯改變(圖1),仍為典型的回火索氏體組織;也未發(fā)現(xiàn)高速?zèng)_擊下形成的絕熱剪切帶。40CrNi2Mo鋼具有較高的強(qiáng)度水平,塑性形變難以進(jìn)行,也是絕熱剪切帶不易形成的主要原因。2.2調(diào)質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度與拉伸性能的關(guān)系40CrNi2Mo鋼不同溫度下的強(qiáng)度和塑性如圖2所示,40CrNi2Mo鋼在常溫及低溫下大多會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象;其屈服強(qiáng)度(YS)和抗拉強(qiáng)度(UTS)隨溫度有相似的變化規(guī)律,即隨著溫度的降低,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度逐漸增大;但是,塑性指標(biāo)(伸長(zhǎng)率和斷面收縮率)均有所降低。有文獻(xiàn)表明,在應(yīng)變及應(yīng)變速率不變的條件下,鋼的流變應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系滿足如下方程σΤ=σ0exp(QRΤ)|ε,˙ε(1)σT=σ0exp(QRT)∣∣ε,ε˙(1)其中,σT為溫度為T時(shí)的流變應(yīng)力(或強(qiáng)度);σ0相當(dāng)于溫度為無(wú)窮大時(shí)的流變應(yīng)力;Q為塑性流變的激活能,J/mol;R為氣體常數(shù)。由上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到40CrNi2Mo調(diào)質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù),見(jiàn)表1。隨著溫度的降低,鋼的靜載強(qiáng)度提高而塑性降低的現(xiàn)象起源于位錯(cuò)在低溫狀態(tài)下開(kāi)動(dòng)困難所致,在位錯(cuò)克服能壘發(fā)生滑移的過(guò)程中,熱激活起到至關(guān)重要的作用,低溫狀態(tài)下原子的熱激活動(dòng)受到了抑制。2.3韌脆轉(zhuǎn)變溫度值通常以韌脆轉(zhuǎn)變溫度來(lái)評(píng)價(jià)材料發(fā)生“冷脆”的難易程度。如圖3所示,為調(diào)質(zhì)40CrNi2Mo鋼沖擊韌度及脆性斷口比例隨溫度的變化曲線。在低溫時(shí),沖擊韌度較低,出現(xiàn)低階能平臺(tái),而隨著溫度的升高,存在一個(gè)能量迅速上升的階段,到常溫時(shí)達(dá)到最高;同時(shí)伴隨著沖擊斷口中脆性斷口形貌的比例逐漸減小。根據(jù)低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度(FTE)和50%結(jié)晶區(qū)斷口所對(duì)應(yīng)的溫度(50%FATT)來(lái)評(píng)價(jià)韌脆轉(zhuǎn)變溫度,分別得到-51℃和-40℃,兩種方法所獲得的數(shù)據(jù)并不一致。40CrNi2Mo鋼系列沖擊后微觀斷口如圖4所示。在溫度高于-50℃斷口微觀形貌為韌窩斷口,-80℃時(shí)出現(xiàn)結(jié)晶斷口,微觀形貌表現(xiàn)為準(zhǔn)解理花樣;當(dāng)達(dá)到-150℃時(shí)為準(zhǔn)解理+解理斷口。通常認(rèn)為,金屬材料在低溫狀態(tài)下的靜載強(qiáng)度升高和塑性降低,是其韌性下降的決定因素。這對(duì)于解釋靜載破壞裂紋體的韌性變化是合適的,但是,對(duì)于沖擊韌性在一定溫度范圍的“突變”卻缺乏依據(jù)。低溫對(duì)鋼的“強(qiáng)化”作用雖然顯著降低裂紋擴(kuò)展的阻力,卻有助于提高裂紋形成功。2.4熱效應(yīng)分析圖5(a)為不同溫度條件下,40CrNi2Mo鋼屈服強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線。在常溫狀態(tài)下,屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率在680~760MPa之間變化,并在3000s-1附近時(shí)出現(xiàn)最大值,低溫狀態(tài)與之類似。圖5(b)反映了不同溫度條件下壓縮率與應(yīng)變速率的關(guān)系,壓縮率隨著應(yīng)變速率的提高而增大,但與試驗(yàn)溫度的關(guān)系不明顯。圖5(c)為不同應(yīng)變速率條件下溫度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響。在相同應(yīng)變速率下,隨著溫度的降低,屈服強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。這一現(xiàn)象同準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下的強(qiáng)度和塑性隨溫度的變化規(guī)律明顯相悖。材料在塑性變形過(guò)程中,伴有應(yīng)變強(qiáng)化和絕熱剪切(AdiabaticShear)效應(yīng)引起軟化的共同作用。對(duì)于本文所采用的單向加載狀態(tài),樣品所受的載荷Ρ=sA(2)P=sA(2)其中,s為應(yīng)力,s=s(e,˙e,Τ)?ss=s(e,e˙,T)?s和e分別為真應(yīng)力、真應(yīng)變;A為試樣截面積。且˙ee˙恒定,則dΡAdΤ=-sdedΤ+dsdΤ(3)dsdΤ=?s?Τ+?s?ededΤ(4)考慮絕熱剪切所引起的加熱效應(yīng)dΤde=scρ(5)合并后得dΡAdΤ=cρ(1s?s?e-1)+?s?Τ(6)其中,c和ρ分別為比熱及密度。由式(6)可知,如果出現(xiàn)所加載荷(或者工程應(yīng)力)隨溫度的降低而降低時(shí),則需要滿足如下條件:?s?e≥s-scρ?s?Τ(7)在低溫狀態(tài)下,金屬材料的比熱降低,絕熱剪切引起的加熱效應(yīng)更加顯著,引起式(7)的條件更加容易滿足。因此,溫度降低使得絕熱剪切效應(yīng)更為突出,并使得鋼的流變應(yīng)力或強(qiáng)度降低。材料的加工硬化指數(shù)是反映材料形變強(qiáng)化能力的力學(xué)性能參量。根據(jù)簡(jiǎn)化的Johnson-Cook模型:s=Κen(8)可以求得加工硬化指數(shù)n與溫度及應(yīng)變速率的關(guān)系如圖6所示。加工硬化指數(shù)隨溫度的降低而呈升高趨勢(shì),盡管在某些溫度上有所反復(fù),但在20~-183℃區(qū)間內(nèi),加工硬化指數(shù)在0.45~0.55之間變化。在低溫狀態(tài)時(shí),金屬中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力的降低,增大了塑性變形的阻力,這是加工硬化指數(shù)提高的重要原因。但是,由于存在高速應(yīng)變速率下的絕熱剪切效應(yīng),加工硬化指數(shù)存在一定波動(dòng)。由上述結(jié)果可知,與靜載力學(xué)性能不同,由于存在絕熱剪切效應(yīng),高速?zèng)_擊載荷下,溫度降低并不能引起強(qiáng)度提高及塑性下降,反而會(huì)使得屈服強(qiáng)度降低。因此,在沖擊韌性試驗(yàn)中,強(qiáng)度降低導(dǎo)致裂紋形成功及彈-塑性變形功減小,使得溫度降低后沖擊功發(fā)生急劇下降。3微觀斷裂帶的拉拔試驗(yàn)(1)40CrNi2Mo調(diào)質(zhì)鋼低溫靜拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著溫度降低而提高,塑性則隨溫度降低而下降;系列沖擊試驗(yàn)表明,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)在-40~-51℃,微觀斷裂機(jī)制從韌窩斷裂過(guò)渡到準(zhǔn)解理斷裂。(2)40