超高強度鋼G31的動態力學性能及斷裂閾值

許浩翔,姚文進,李文彬

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

超高強度鋼在軍工領域應用廣泛,其應用于深侵徹彈體,超高的強度和較好的韌性可以提高侵徹過程中彈體的抗侵蝕性能。通常彈體侵徹時,彈體材料的應變率在103～104s-1之間,而G31的力學性能在高應變率下與靜載下有顯著差異。因此為了能夠在動載條件下應用G31進行力學結構設計,對G31進行動態力學性能研究十分重要。目前國內外不少學者對各類超高強度鋼進行了研究。Rahmaan等[1]研究了應變率10 s-1,100 s-1,1 000 s-1時,應變率對DP600、Trip780和AA5182-O的流動應力及各向異性特性的影響。Rohr等[2]對35NiCrMoV109高強度鋼進行了平板沖擊試驗,得到了在沖擊壓力高于13 GPa時會發生面心立方晶體向密堆六方晶體相變的結論。Ren等[3]對超高強度低合金馬氏體鋼35CrMnSiA進行了動態力學研究,得到了35CrMnSiA的絕熱剪切破壞閾值,同樣利用平板沖擊試驗分析了35CrMnSiA發生面心立方晶體向密堆六方晶體相變與沖擊壓力之間的關系,并發現壓力在17.57～19.19 GPa范圍內時,該相變是可逆過程。Niu等[4]對超高強度鋼30CrMnSiNi2A在高溫下的動態力學性能進行了研究,并分析了溫度對材料應變強化和應變率強化的影響,得出應變強化效應隨溫度的升高而降低,以及材料的應變率強化效應隨溫度的升高而降低的結論。Odeshi等[5]通過熱處理對AISI4340鋼在高應變率過程中形成的絕熱剪切帶的硬度和顯微組織的影響進行了分析,認為熱處理可以將白色脆性的絕熱剪切帶轉化為低脆性材料,剪切帶硬度降低是由于帶內納米碳化物顆粒的粗化引起的。

國內外學者對超高強度鋼的本構模型也進行了較多的相關研究。Singh等[6]進行了SHPB試驗,研究了低碳鋼在應變率125～2 350 s-1時的應變率敏感性,確定了Cowper-Symonds(CS)和Johnson-Cook(JC)模型的參數。Lu等[7]研究了42CrMo亞共析鋼在應變率10-3～4 500 s-1范圍內的壓縮行為,提出了基于晶體塑性理論的本構模型。Roth等[8]對DP590和Trip780鋼進行了動態力學性能研究,并利用Hosford-Coullomb模型描述材料,該模型將溫度視為一個內部變量,因此可以在不求解熱場方程的情況下,近似地解釋熱軟化效應。Yang等[9]對S690鋼動態力學性能進行了研究,利用新的CS模型描述材料,得到了相較于JC模型更高的預測精度。目前對G31鋼的動態力學性能及本構方程的研究相對較淺,本文將結合JC本構模型及材料的絕熱剪切現象對G31的動態力學性能進行深入的分析和研究。

本文通過動、靜態力學實驗得到G31的動、靜態力學性能,擬合得到G31的JC本構方程,為G31力學結構設計提供了力學依據。通過金相顯微分析與理論計算得到其絕熱剪切斷裂閾值范圍,為G31在高應變率下的斷裂預測提供了依據。

1 實驗材料及方法

本文研究的材料為超高強度鋼G31,其熱處理工藝為:在680 ℃下退火處理2 h后空冷,經930 ℃保溫1 h后油淬,再經過260 ℃保溫2 h回火。材料的化學成分見表1。在G31鋼的準靜態壓縮實驗和動態壓縮實驗中,試件形狀為圓柱形,設計尺寸分別為φ6 mm×10 mm和φ4 mm×2 mm。準靜態壓縮實驗的加載速率為1 mm/min,故其應變率為1.667×10-3s-1。G31動態壓縮實驗的應變率在1 000～4 000 s-1范圍內。

表1 G31鋼化學成分質量分數 %

準靜態壓縮實驗中試驗機采用CSS44300型電子萬能材料試驗機。由于試驗材料強度很高,為了防止試驗時局部應力過大導致試驗臺被壓潰,采用在試件上、下兩端加裝墊塊并將引伸計夾持在墊塊上的方法來測得試件在受載過程中的軸向形變量,試件夾持如圖1所示,圖中左側引伸計為實驗所用,右側引伸計僅為了方便夾持,無數據輸出。

圖1 試件夾持圖

G31的動態壓縮實驗所用實驗裝置為分離式霍普金森壓桿(SHPB),壓桿材料為彈簧鋼,直徑為14.5 mm,其示意圖如圖2所示。其工作原理為:由氣槍發射的子彈經過測速儀后撞擊入射桿,入射桿中產生向試件傳播的一維壓縮應力波,經過試件和透射桿后,入射桿和透射桿中分別產生反射波和透射波。通過兩桿上的電阻應變片采集信號,得到入射波、反射波和透射波的電壓信號,最后使用二波法處理數據并得到實驗結果。

圖2 SHPB裝置示意圖

2 結果與分析

通過G31的動、靜態力學實驗,分別得到了G31在準靜態壓縮和動態壓縮條件下的真實應力-應變曲線,分析實驗曲線特點并分析溫升對實驗曲線的影響,對實驗曲線進行本構擬合,比較實驗曲線與擬合曲線并發現兩者之間的差異,結合仿真對比分析得出造成這種差異的主要原因是熱軟化。通過金相顯微觀察到材料在較高應變率下發生絕熱剪切,根據相關的理論計算得到其發生絕熱剪切斷裂的閾值范圍。

2.1 動、靜態力學性能及本構方程

2.1.1 動、靜態應力-應變曲線

圖3 動、靜態壓縮實驗真實應力-應變曲線

圖4 實驗屈服點的確定

表2 室溫下G31的動、靜態壓縮實驗屈服點

ε/s-1σy/MPa0.001 6671 9481 1002 1151 7002 0992 2002 1412 7002 2233 3002 2204 0002 312

2.1.2 G31鋼的動態本構模型及參數擬合

G31鋼的本構模型選擇Johnson-Cook本構模型。該本構模型能夠表征應變、應變率和溫度對材料力學性能的影響,其方程表達式如下[10]:

(1)

A,B,n可以通過準靜態壓縮實驗獲得。在參考應變率(1.667×10-3s-1)和參考溫度(293 K)下,式(1)后兩項等于1,則

(2)

對式(2)進行數學變換得到:

ln(σe-A)=lnB+nlnεe,p

(3)

式中:A值取表2中準靜態屈服強度。將準靜態壓縮曲線的塑性變形段的應力-應變曲線轉化為ln(σe-A)-lnεe,p曲線,所得直線截距為lnB,斜率為n,從而確定了參數B和n。由圖3中的準靜態實驗結果進行計算,得到結果:A=1 948 MPa,B=793.0 MPa,n=0.654。將A,B,n帶入式(1)中,可以得到非參考應變率下材料的應力-應變關系:

(4)

將塑性應變取0,由式(4)可得:

(5)

動、靜態實驗曲線與擬合結果對比如圖5所示,可以看出準靜態壓縮實驗曲線與擬合結果比較一致。動態實驗曲線與擬合結果在小變形階段比較一致,在大變形階段則有較大誤差。

圖5 動、靜態實驗曲線與擬合曲線對比

2.1.3 動態實驗中熱軟化的仿真分析驗證

為了能夠驗證動態實驗曲線與擬合曲線在大變形階段的誤差確實是由熱軟化引起的,本文使用Ls-dyna仿真軟件對SHPB實驗過程進行仿真計算,子彈速度設置為同一速度,試件夾持如圖6所示。SHPB實驗裝置的材料模型均選擇彈性體,試件材料模型選擇JC模型,分別設置m值為1[10]和0,本構參數設置為前文中的值,其余參數設置均相同,進行2次仿真計算。計算完成后提取結果中入射桿和透射桿中間位置單元的軸向應變,經過數據處理后得到2次仿真的實驗結果,如圖7所示。

圖6 仿真實驗中試件夾持的四分之一模型

圖7 仿真實驗結果對比

結合式(1)對圖7的實驗曲線分析可得,m值設置為0時,仿真計算中不考慮溫度對材料力學性能的影響,則其實驗曲線與擬合結果匹配性較好;而m值設置為1時,仿真計算中考慮了溫度的影響,則實驗曲線與圖5的動態實驗曲線較為一致。由此可知,大變形階段材料的溫度已經明顯脫離參考溫度,并且溫升明顯影響了材料的力學性能,因此在對動態實驗曲線進行擬合時,可以對大變形階段實驗曲線與擬合曲線的差異予以忽略。

2.2 絕熱剪切現象及斷裂閾值

2.2.1 微觀組織觀察與分析

分別對原試件、準靜態壓縮后和動態壓縮后的試件進行研磨拋光,并使用三氯化鐵鹽酸酒精溶液作為腐蝕劑進行侵蝕。使用AFT-DC500蔡司金相顯微鏡對侵蝕后的材料進行微觀組織觀察,如圖8(a)～8(c)所示。圖8(a)為未受載試樣;圖8(b)所示材料為準靜態壓縮后的試件,其最大真實應變為0.75,未發生斷裂;圖8(c)、8(d)所示材料為動態壓縮后的試樣,其最大真實應變為0.4,材料發生韌性斷裂。由于在準靜態壓縮條件下材料變形產生的熱量會及時消散,不會引起材料的溫度變化,因此可視為等溫變形過程,所以對比圖8(a)、8(b)可以觀察到材料的金相組織變形均勻,無局部絕熱剪切斷裂現象;而材料在動態壓縮條件下變形產生的熱量無法及時消散,熱量積聚引起材料溫度升高,因此可視為絕熱變形過程。所以對比圖8(b)、8(d)可以觀察到材料呈現出絕熱剪切現象,金相中出現白亮的絕熱剪切帶[5]。

圖8 3種加載條件下材料顯微組織

2.2.2 絕熱剪切破壞閾值

在斷裂力學中,應變能密度因子理論(S準則)是一種基于局部應變能密度場的斷裂理論,可以用于處理復合型斷裂問題[11]。由圖8(b)、8(c)結果可知,對于材料的斷裂行為,僅以斷裂應變作為材料的斷裂閾值是不能夠滿足動態條件下使用的,因此,采用應變能密度理論展開對動態條件下的斷裂閾值的研究。相較于在準靜態條件下以塑性應變能密度作為材料的斷裂閾值,Ren等[3]在對35CrMnSiA的絕熱剪切斷裂進行研究時,以塑性應變能密度上升率作為材料在動態條件下的絕熱剪切斷裂閾值,并得到了合理的結論。塑性應變能密度計算公式如下:

(6)

表3 動態壓縮下G31的塑性應變能密度

圖9 動態壓縮實驗后試件樣貌

圖10 動態壓縮下G31塑性應變能密度上升率

3 結論

G31鋼在SHPB實驗曲線上表現為變形初期的應變強化階段和變形后期的溫度軟化階段。由實驗數據對G31的本構方程進行擬合,得到本構參數。對比擬合曲線與實驗曲線發現,溫度軟化階段2條曲線有較大差異,仿真對比分析驗證了熱效應是產生該差異的主要原因。