夾雜物對16MnR鋼初始損傷行為的影響研究

摘要：非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，加大了鋼中組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各種性能。通過研究16MnR鋼中夾雜物的種類、形狀、尺寸，在有限元軟件ABAQUS中建立三維有限元模型，通過有限元模擬計算、分析得到夾雜物對16MnR鋼初始損傷行為的影響。

關(guān)鍵詞：16MnR鋼 初始損傷 夾雜物 有限元分析

1 概述

鋼中夾雜物主要以非金屬化合態(tài)存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，這些夾雜物的存在會造成鋼的組織不均勻[1]。由于夾雜物與基體的變形程度不同，這樣就會在夾雜物及其基體接合面上產(chǎn)生一定的應(yīng)力、應(yīng)變集中，從而導(dǎo)致夾雜物與基體剝離，萌生了裂紋，導(dǎo)致材料不能承擔(dān)外加載荷，甚至導(dǎo)致材料失效[2]。夾雜物的幾何形狀、化學(xué)成分、物理性能等不僅影響鋼的冷、熱加工性能和理化性能，而且影響鋼的力學(xué)性能和疲勞性能，主要表現(xiàn)對鋼的強(qiáng)度、延性、韌性、疲勞等諸方面的影響[3，4]。但由于鋼中夾雜物種類、大小、分布在實際中很難控制，因此在實際中，很難通過控制夾雜物種類、尺寸、分布來研究夾雜物對鋼的力學(xué)性能的影響。而有限元軟件通過建模的方式，可以人為地設(shè)置夾雜物的種類、尺寸和分布[5]，從而用有限元軟件來研究夾雜物對鋼初始損傷行為的影響是很有意義的。

2 原材料的選擇

16MnR鋼原始組織為條帶狀鐵素體加珠光體[6]，其化學(xué)成分如表1所示。通過分析，16MnR鋼中夾雜物有單個長條形MnS（橢圓），單個細(xì)小球形SiC和細(xì)小密集分布的Al2O3夾雜物，如圖1所示。

表1 16MnR鋼化學(xué)成分（wt%）

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（a） （b） （c）

圖1 16Mn鋼中夾雜物的SEM照片

3 拉伸試驗

熱處理：試樣毛坯加熱到900℃，保溫2小時后，空氣冷卻。拉伸試驗于室溫下在島津AG-10TA萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸實驗，拉伸速度為1mm/min。通過拉伸實驗采樣得到16MnR鋼的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，計算出16MnR鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變、真實應(yīng)力-應(yīng)變和加工硬化系數(shù)K。這些數(shù)據(jù)作為16Mn鋼的宏觀力學(xué)參數(shù)，為有限元分析提供材料參數(shù)。

4 有限元模擬及分析

用有限元方法模擬16MnR鋼中夾雜物的類型分布，進(jìn)行有限元模擬計算分析，得到夾雜物引起的局部應(yīng)力和應(yīng)變分布。選取模擬夾雜物實體尺寸為200×200×50μm3，模型的左端固定，在模型的右端加載一個沿X軸方向300MPa的力，如圖2所示。夾雜物的分類如表2所示，彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3。

表2 16MnR鋼夾雜物的分類

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含不同夾雜物的模型的應(yīng)力應(yīng)變分析：用表2所述的數(shù)據(jù)，建立單個不同寬長比的橢圓MnS夾雜物、單個不同球徑的SiC夾雜物和密集（以四個夾雜物為例，兩兩夾雜物間的距離為2μm）的不同球徑的Al2O3夾雜物的模型，通過有限元方法模擬得到夾雜物的局部應(yīng)力和應(yīng)變分布圖，顏色越靠近紅色表示應(yīng)力應(yīng)變越大。

分析得到不同尺寸的橢圓形MnS夾雜物的局部最大應(yīng)力、應(yīng)變，見表3。

表3 不同尺寸的橢圓形MnS夾雜物的最大應(yīng)力應(yīng)變

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對不同夾雜物、不同尺寸、分布情況進(jìn)行有限元模擬計算，輸出得到特定路徑上各點的應(yīng)力、應(yīng)變值。然后分別計算輸出沿著路徑y(tǒng)和路徑x的應(yīng)力、應(yīng)變值，對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到以路徑的距離為X軸，應(yīng)力、應(yīng)變值為Y軸的分布曲線，并在單一變量的情況下做比較。（說明：路徑y(tǒng)是指沿Y軸方向（垂直于加載方向），經(jīng)過夾雜物底部的一條特殊路徑，路徑x是指沿著X軸方向（沿著加載方向），經(jīng)過夾雜物底部的一條特殊路徑。）

①同一夾雜物，不同路徑的應(yīng)力應(yīng)變比較。取球徑為8μm的球形SiC夾雜物路徑y(tǒng)和路徑x，經(jīng)過模擬計算得到應(yīng)力、應(yīng)變值進(jìn)行比較，如圖3所示。

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圖3 SiC夾雜物不同路徑的應(yīng)力應(yīng)變比較

取球徑為3μm，兩夾雜物間的距離為2μm的密集型球形Al2O3夾雜物組成的夾雜長為8μm的路徑y(tǒng)和路徑x，經(jīng)過模擬計算得到應(yīng)力、應(yīng)變值進(jìn)行比較，分析比較中可以看出，在SiC和Al2O3夾雜物中，沿著路徑y(tǒng)上的應(yīng)力、應(yīng)變值普遍大于路徑x上的應(yīng)力、應(yīng)變值，且應(yīng)力、應(yīng)變值在夾雜物中間段上的值較大，也就是在夾雜物底部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變值比較大，說明在垂直于加載方向上沿著Y軸方向的路徑上容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，也間接說明在路徑y(tǒng)上容易產(chǎn)生裂紋。

②相同路徑，不同夾雜物間的比較。取寬長比為0.2的長條形MnS夾雜物，球徑為8μm的球形SiC雜物，球徑為3μm、兩夾雜物間的距離為2μm的密集型球形Al2O3夾雜物組成的夾雜長為8μm的Al2O3夾雜物，相同路徑上應(yīng)力、應(yīng)變值進(jìn)行比較。

從數(shù)據(jù)比較分析中可以看出，長條形MnS夾雜物在相同載荷下的應(yīng)力應(yīng)變值最小，在路徑y(tǒng)上，密集型球形Al2O3夾雜物底部產(chǎn)生的應(yīng)力集中比較復(fù)雜明顯，單個球形SiC夾雜物底部產(chǎn)生的應(yīng)力值也較大。而單個球形SiC夾雜物底部產(chǎn)生的應(yīng)變值明顯高于長條形MnS夾雜物和密集型球形Al2O3夾雜物。

5 結(jié)論

①夾雜物作為獨(dú)立相存在于16MnR鋼中，夾雜物的尺寸，種類和分布破壞了鋼基體的連續(xù)性，加大了鋼中組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各種使用性能。并在外載荷的作用下，由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的缺陷（夾雜物的存在），導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使缺陷擴(kuò)展，容易引起疲勞斷裂。

②通過有限元分析可知，16MnR鋼的應(yīng)力和應(yīng)變集中在夾雜物底部，并且，隨著夾雜物尺寸的增大，應(yīng)力、應(yīng)變就越明顯和集中，產(chǎn)生裂紋的幾率也就越大。

③通過同一夾雜物不同路徑的應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較可知，在夾雜物底部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變值較大，在垂直于加載方向上沿著Y軸方向的路徑上容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，也間接說明在該路徑上容易產(chǎn)生裂紋。

④相同路徑、不同夾雜物間的應(yīng)力應(yīng)變比較可知，長條形MnS夾雜物引起的應(yīng)力應(yīng)變值最小，密集球形Al2O3夾雜物底部產(chǎn)生的應(yīng)力集中比較復(fù)雜明顯，而應(yīng)變值相對較小，單個球形SiC夾雜物底部產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變值均較大。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王國珍，楊偉順等.初始損傷對鋼的延性起裂韌性影響的細(xì)觀力學(xué)分析[J].蘭州：蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2006，8，32（4）.

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[5]屠立群，劉寶劍等.基于ANSYS的16MnR鋼疲勞裂紋擴(kuò)展分析[J].輕工機(jī)械，2010（3）.

[6]張賀全.初始損傷對后續(xù)損傷演化和斷裂的影響及機(jī)理[D].蘭州理工大學(xué)，2007，6.