基于應力三軸度的鑄態42CrMo鋼高溫拉伸斷裂行為分析

張在陽,齊會萍,李永堂,陳園園,張晉輝,劉慧玲

(1.晉中職業技術學院機電工程系,晉中 030600;2.太原科技大學材料科學與工程學院,太原 030024;3.晉中學院機械系,晉中 030600)

0 引 言

鑄態42CrMo鋼具有強度高、韌性好、耐磨性好、淬火變形及回火變形小等特點,被廣泛應用于制造齒輪、軸承、法蘭等環形零件,尤其是大型環形零件。在高溫變形過程中,鑄態42CrMo鋼晶粒大小發生變化,同時其應力三軸度和損傷斷裂行為也在不斷相互影響,因此基于應力三軸度研究鑄態42CrMo鋼的高溫斷裂行為具有重要工業價值。研究[1-8]發現,隨著應力三軸度在一定范圍內增大,材料的斷裂應變均減小。李貴軍[9]研究發現,應力三軸度提高使16MnR鋼斷裂應變降低。徐文福等[10]研究發現,應力三軸度越大,6063鋁合金塑性變形越困難,屈服強度和峰值應力越高,斷裂驅動力越強,最終導致材料提前斷裂。蒲吉斌[11]研究發現,鋼和鋁合金材料的斷裂應變隨應力三軸度的增大而減小。劉德政等[12]采用有限元模擬研究了7050鋁合金拉伸變形過程中損傷斷裂演變與應力三軸度之間的關系,發現隨應力三軸度的增加,鋁合金的臨界損傷值逐步增大。一些研究[13-16]通過壓縮試驗系統分析了晶粒細化機制、工藝參數、設備參數等對42CrMo鋼環件高溫輾擴成形、環件質量及環件壽命的影響。王五星[17]研究發現,由于未考慮拉伸試樣缺口對應力三軸度的影響,Bridgeman公式[18]估算的應力三軸度值比有限元模擬結果小;有限元模擬可以精確、實時得到整個拉伸過程中的應力與應變,從而得到相對準確的應力三軸度。然而,目前關于應力三軸度對鑄態42CrMo鋼高溫斷裂行為影響的研究較少。

為此,作者使用Gleeble-3500型熱模擬試驗機對鑄態42CrMo鋼進行高溫拉伸試驗,采用DEFORM-2D有限元軟件進行熱拉伸數值模擬,得到拉伸斷口附近的應力三軸度,分析了應力三軸度與斷裂應變及斷口組織間的關系,以期為鑄態42CrMo鋼高溫塑性成形工藝及環件鑄輾復合工藝制造提供指導。

1 試驗方法與結果

1.1 試驗方法

試驗材料為鑄態42CrMo鋼,由沈陽某研究所提供,化學成分(質量分數/%)為0.4C,0.23Si,0.6Mn,0.98Cr,0.18Mo,0.019P,0.012S,符合GB/T 3077—1999標準要求。在鑄態試驗鋼上取樣,經切割、鑲嵌、磨制及飽和苦味酸溶液在384 K下腐蝕后,采用DM4M/DMC4500型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖1可見:鑄態42CrMo鋼組織為珠光體和沿晶界分布的先析出相鐵素體,出現晶粒不均勻以及晶粒粗大的現象。在鑄態試驗鋼上制取尺寸如圖2所示的拉伸試樣,缺口半徑R分別為0.5,1.0,2.0,4.0 mm,采用Gleeble-3500型熱模擬試驗機進行熱拉伸試驗。首先將試樣以10 K·s-1的速率加熱至1 473 K,保溫120 s后以5 K·s-1的速率冷卻到變形溫度,保溫60 s后進行應變速率為0.1 s-1的拉伸試驗,變形溫度分別為1 223(僅作形貌對照),1 273,1 373 K,拉伸斷裂后水冷。在拉伸斷口處截取金相試樣,經鑲嵌、研磨、拋光、沖洗、烘干、飽和苦味酸腐蝕后,采用DM4M/DMC4500型光學顯微鏡觀察顯微組織。

圖1 鑄態42CrMo鋼顯微組織Fig.1 Microstructure of as-cast 42CrMo steel

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile sample

1.2 缺口試樣的應力-應變曲線

由圖3可知:在更高溫度下拉伸時缺口試樣流變應力更小,與文獻[19]相符,這是因為溫度提升增大了原子擴散熱驅動力,激發了動態再結晶,產生的軟化作用抵消了加工硬化作用并占據主導地位,使得流變應力減小;隨著缺口半徑減小,試樣的流變應力和峰值應力增加,這是因為缺口半徑越小,對試樣塑性變形的約束能力越強,產生塑性變形需要的應力越大;此外,隨著缺口半徑減小,應力在變形后期的減小速率越大,試樣的斷裂應變越小,這是因為缺口越尖銳,應力集中越顯著,材料內部越容易發生損傷斷裂,因此斷裂應變越小。由圖4可見,拉伸試樣在缺口處斷裂,斷口處發生了頸縮。這是因為在熱拉伸試驗中,當應力超過材料屈服強度時,由材料加工硬化行為導致的強度增加無法抵消缺口的收縮效應,最終在缺口處發生頸縮,產生微裂紋,微裂紋聚集導致宏觀斷裂。

圖3 不同溫度下不同缺口半徑試樣的真應力-真應變曲線Fig.3 True stress-ture strain curves of specimens with different notch radiuses at different temperatures

圖4 拉伸斷裂試樣宏觀形貌Fig.4 Macromorphology of tensile fracture samples

2 應力三軸度獲取方法

2.1 光滑試樣在拉伸過程中的應力三軸度

應力三軸度是最常見的內部應力狀態參數,用于表征金屬材料內部復雜應力狀況下的應力情況,計算公式如下:

(1)

建立鑄態42CrMo鋼熱拉伸試驗光滑試樣的1/2有限元模型,如圖5所示,模擬拉伸時本構方程采用考慮應變補償的本構模型[19],網格模型采用四面體單元,模型共計5 800個單元,對試樣中部變形區域做網格加密處理,光滑試樣與拉伸模具之間的摩擦因數為0.7,傳熱系數為5 W·m-2·K-1,與環境之間的傳熱系數為0.02 W·m-2·K-1。由圖6可見,光滑試樣的應力三軸度最大值Rσmax出現在試樣最小橫截面的圓心位置,距離該位置越遠,應力三軸度越小。

圖5 光滑試樣拉伸斷裂前后的有限元模型Fig.5 Finite element model of smooth sample before and after tensile fracture

圖6 模擬得到溫度1373 K下光滑試樣頸縮處最小截面半徑為2.5 mm時的應力三軸度分布Fig.6 Simulation stress triaxial distribution on necking of smooth sample under 1373 K when mininum cross-section radius is 2.5 mm

模擬可得光滑試樣在標距內發生頸縮,該區域內的應力三軸度發生變化。可以將該區域劃分,并確定其相應的應力三軸度值,從而得到應力三軸度變化規律。試樣頸縮示意見圖7,其中a表示頸縮處最小橫截面半徑,r表示到橫截面中心的距離,R表示最小橫截面的缺口半徑。取r分別為0,a/2,a時分析,由圖8可知:應力三軸度隨著r值的增大而減小,隨應變的增加而增大;r為0時應力三軸度最大,即光滑試樣最小橫截面圓心部位的應力三軸度最大,該位置應力三軸度隨應變增加而增幅較大,致使損傷演變行為加速[10],因此光滑試樣在拉伸過程中首先于拉伸試樣最小橫截面的圓心部位萌生空洞;當r為a時,即在試樣頸縮部位的外表面處,應力三軸度增幅較小,說明表面應力三軸度在整個變形過程中變化較小。

圖7 頸縮示意Fig.7 Schematic of necking

圖8 模擬得到1 373 K下距橫截面中心不同距離處光滑試樣應力三軸度與應變關系曲線Fig.8 Simulation relationship curves of stress triaxiality vs strain of smooth samples at different distances from cross section center under 1 373 K

2.2 缺口試樣在拉伸過程中的應力三軸度

拉伸斷裂前后不同缺口半徑缺口試樣有限元模型如圖9所示,模擬尺寸與試驗用缺口試樣尺寸保持一致,其他參數不變。由圖10可知:R分別為0.5,1.0,2.0,4.0 mm時,缺口試樣拉伸開始的Rσmax分別出現在距試樣最小橫截面圓心約2.0,1.5,0,0 mm處。

圖9 1 373 K下拉伸斷裂前后不同缺口半徑試樣的有限元模型Fig.9 Finite element models of notch samples with different notch radiuses before and after tensile fracture under 1 373 K

采用有限元模擬不同缺口半徑試樣拉伸開始、出現峰值應變、拉伸斷裂時距圓心0,0.25a,0.50a,0.75a及a處的應力三軸度,結果如圖11所示。可知當R為0.5 mm時,Rσmax在拉伸變形中出現的位置是持續變化的,隨著拉伸過程進行,應力三軸度最大值位置由距圓心0.75a處向圓心方向移動,拉伸斷裂時圓心處的應力三軸度最大;當R為1.0 mm時,應力三軸度最大值位置的變化與R為0.5 mm的相似,不同之處在于其拉伸初始時的最大值位于距圓心0.5a處;當R為2.0,4.0 mm時,整個拉伸過程中試樣最小橫截面圓心部位的應力三軸度均最大;隨著缺口半徑增加,試樣內部應力三軸度值總體呈降低趨勢。因此,在鑄態42CrMo鋼熱變形中,要充分考慮材料各部分應力狀態的變化對損傷斷裂的影響,通過改變熱變形工藝參數來調整應力狀態的變化。

圖11 模擬得到1 373 K下不同缺口半徑試樣在拉伸不同時刻下的應力三軸度分布Fig.11 Simulation stress triaxiality distribution at different tensile moments of notch samples with different notch radiuses under 1 373 K

3 基于應力三軸度的高溫拉伸斷裂行為分析

結合上文可知,試驗鋼的高溫斷裂應變明顯依賴于應力三軸度,當缺口半徑由4.0 mm減小至0.5 mm,應力三軸度增大,斷裂應變減小。這是因為試樣缺口處存在應力集中,缺口根部材料變形能力被約束,缺口半徑越小,約束塑性變形的能力越強,損傷斷裂越容易發生,斷裂應變越小。

由圖12可見:拉伸試驗溫度越高,缺口試樣拉伸斷口處的平均晶粒尺寸越大,符合溫度對動態再結晶行為影響的普遍規律;較小缺口半徑下的平均晶粒尺寸也較小,這是因為缺口半徑小,應力三軸度大,動態再結晶驅動力增大,再結晶晶粒形核率高,產生的動態再結晶晶粒數目多,晶粒尺寸相對較小;試樣拉伸斷口處出現很多尺寸不一的微空洞,并沿拉伸方向拉長,空洞相互連接生長,應力至臨界狀態后產生微裂紋,微裂紋擴展聚集導致宏觀斷裂;較小缺口半徑下斷口上的空洞尺寸及面積分數較大,這是因為當應力三軸度較大時,正應力分量較大,導致微空洞形核、長大、聚合的速度較大[20],加上此時缺口根部材料變形能力受到的約束作用較強,阻礙了其塑性變形,且應力三軸度較大時缺口部位應變速率較大,提高了動態再結晶臨界應變,使動態再結晶較遲發生、無法充分進行,導致動態再結晶對空洞萌生、長大及聚合的阻礙作用變小[21-24],最終在拉伸斷口出現尺寸及面積分數較大的空洞。因此,在鑄態42CrMo鋼高溫拉伸過程中要盡量降低應力三軸度,以便降低高溫拉伸變形過程中空洞的生長、減緩材料變形中的損傷。

圖12 不同溫度下不同缺口半徑試樣拉伸斷口處截面的顯微組織Fig.12 Cross-section microstructure of fracture of notch samples with different notch radius under different temperatures

4 結 論

(1)較高溫度拉伸時缺口試樣流變應力較小;隨著缺口半徑減小,缺口試樣拉伸時流變應力和峰值應力增加,變形后期的應力減小速率增大,斷裂應變減小。

(2)光滑試樣的應力三軸度最大值出現在其最小橫截面的圓心位置。缺口半徑為0.5,1.0 mm時,拉伸過程中應力三軸度最大值從近表面向最小橫截面圓心轉移;當R為2.0,4.0 mm時,在整個拉伸過程中最小橫截面圓心部位應力三軸度均最大;隨著缺口半徑增加,應力三軸度總體逐漸降低。

(3)較高溫度下拉伸斷裂后試樣斷口處平均晶粒尺寸較大;較大缺口半徑下的平均晶粒尺寸也較大;斷口處出現沿拉伸方向被拉長尺寸不一的微空洞,且缺口半徑越小空洞尺寸及面積分數越大。