超聲振動(dòng)下結(jié)構(gòu)鋼Q345GJC 冶金板拉伸性能分析

汪新麗

（鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 451100）

0 引言

高層橋梁的快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)，需要滿足優(yōu)異的力學(xué)性能及成形性能[1-2]。超聲振動(dòng)輔助成形可以在板加工期間沿特定方向?qū)ζ涫┘犹囟l率與振動(dòng)幅度的超聲波，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度調(diào)控的效果，獲得更強(qiáng)變形能力，同時(shí)還可以減緩材料變形過(guò)程的殘余應(yīng)力，大幅降低成形件回彈程度[3]。在超聲振動(dòng)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(yōu)的鈑金件表面質(zhì)量，且可提升尺寸控制精度[4]。楊楓[5]對(duì)TA1 鋼板進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助拉伸測(cè)試發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)施加超聲振動(dòng)的方式減小材料流動(dòng)應(yīng)力。Fartashvand[6]在超聲振動(dòng)條件下對(duì)TC4 鋼板進(jìn)行拉伸測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置超聲振動(dòng)的狀態(tài)下，可以使材料的伸長(zhǎng)率增大12.8%。國(guó)內(nèi)學(xué)者Liu[7]在超聲振動(dòng)輔助作用下，對(duì)Q345GJC 進(jìn)行微沖裁測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在Q345GJC 裁斷口區(qū)域形成了更多的韌窩，表現(xiàn)出了更強(qiáng)的塑性變形能力。Obikawa[8]對(duì)錐形零件進(jìn)行超聲輔助漸進(jìn)微成形測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置超聲振動(dòng)條件下，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的零件加工性能，避免零件在成形過(guò)程中產(chǎn)生皺紋。

本文通過(guò)超聲振動(dòng)輔助拉伸測(cè)試方法分析了超聲振動(dòng)引起的鋼板力學(xué)特性變化，深入探討了超聲振動(dòng)因素引起的鋼板拉伸件拉伸強(qiáng)度與試樣回彈性能差異。由此通過(guò)材料超聲振動(dòng)效應(yīng)促使鋼板獲得更寬的室溫成形使用范圍[9]。

1 超聲振動(dòng)下試樣拉伸性能分析

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

拉伸件外徑為15 mm，壁厚為0.5 mm，高8 mm。根據(jù)Q345GJC 冶金板變形特性，并結(jié)合拉伸件尺寸，以26 mm 外徑的坯料開(kāi)展超聲振動(dòng)輔助拉伸測(cè)試，再與常規(guī)拉伸方式進(jìn)行比較分析。控制凸模拉伸速度為0.000 1 m/s，選擇坯料定間隙壓邊的形式，將壓邊間隙設(shè)定為和鋼板板料厚度一致的狀態(tài)，該裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，拉伸試樣如圖2 所示。

圖1 超聲振動(dòng)輔助拉伸試驗(yàn)裝置

圖2 拉伸試樣照片

為了便于完成操作過(guò)程，測(cè)試時(shí)沿凹模的縱向設(shè)置超聲振動(dòng)[10]，具體方案如表1 所示。

表1 超聲振動(dòng)輔助拉伸方案

1.2 拉伸力分析

進(jìn)行拉伸測(cè)試時(shí)，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(jù)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(dòng)條件下Q345GJC 鋼板拉伸件拉伸力和凸模行程之間的測(cè)試結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)獲得最大值，之后拉伸力持續(xù)減小；設(shè)置超聲振動(dòng)時(shí)，Q345GJC 鋼板拉伸件獲得了更小拉伸力，并且隨著振動(dòng)振幅與頻率的提高，這種變化趨勢(shì)更明顯，當(dāng)頻率為20 kHz、振幅為14 μm 時(shí)獲得了8.1%的最大降幅。此時(shí)超聲振動(dòng)經(jīng)凹模對(duì)坯料造成載荷作用，坯料受到超聲振動(dòng)后強(qiáng)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(dòng)還可以進(jìn)一步降低板料和模具摩擦系數(shù)，最終獲得更小拉伸應(yīng)力。

1.3 拉伸件回彈分析

回彈指金屬板料發(fā)生彈塑性變形時(shí)，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。考慮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(fā)生回彈，產(chǎn)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(cè)試結(jié)果。其中，沒(méi)有施加超聲振動(dòng)的情況下，相對(duì)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(dá)到0.4 mm；設(shè)置超聲振動(dòng)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(dòng)狀態(tài)。

2 結(jié)論

1）設(shè)置超聲振動(dòng)時(shí)，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(dá)到0.4 mm；設(shè)置超聲振動(dòng)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(dòng)狀態(tài)。

3）該研究有助于提高高層建筑結(jié)構(gòu)鋼的承載性能，具有很廣的應(yīng)用價(jià)值。