SCM 435钢的拉伸实验研究

徐 东，朱苗勇，唐正友，王壮飞，张素萍，姜 涛

1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.邢台钢铁有限责任公司，河北 邢台 054027）

SCM 435钢的拉伸实验研究

徐 东1，朱苗勇1，唐正友1，王壮飞1，张素萍2，姜 涛1

1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.邢台钢铁有限责任公司，河北 邢台 054027）

用拉伸法研究了SCM435钢的室温变形，拉伸结果显示SCM435钢的塑性较好，断口为典型的杯锥状断口.在拉伸法测得SCM435钢的拉伸曲线的基础上，根据数据分析，求解出SCM435钢真实应力－应变曲线，分别回归得到弹性阶段及塑性阶段的应力应变模型，得到SCM435钢的弹塑性参数及最大均匀塑性变形点，得出形成颈缩的条件，求解出SCM435钢的应变应力与断面收缩率之间的关系.

拉伸实验;SCM435钢;应力－应变;弹塑性

SCM435钢是一种典型的中碳合金结构钢，由于碳和铬的含量增高，它的淬透性较好，调质后具有较强的疲劳强度和抗冲击能力，低温冲击韧性良好，且无明显的回火脆性.汽车用12.9级高强、超高强级别的螺栓基本上以SCM435冷镦钢钢种系列为主，国内轿车发动机用钢一直依赖日本进口，属于有特殊要求的高级冷镦钢［1］.

以往的研究者多是利用已知文献或热模拟仪测出应力应变曲线，代入有限元中，以研究塑性变形过程［2］、本构模型的建立［3］、动静态再结晶过程［4］等，而对于弹性和塑性的变形过程、真应力应变的取值范围、最大均匀塑性变形点的求导，特别是颈缩对应力应变和横截面收缩率的影响等，较少进行深入的讨论和分析.对SCM435钢而言，以往的研究者［5－7］进行了很多方面的研究，但是也很少涉及弹性和塑性变形过程的详细求解.本文使用拉伸法研究SCM435钢的室温变形，得到了SCM435钢的断口形貌.并在拉伸法测得SCM435钢的拉伸曲线的基础上，根据数据分析求解出SCM435钢真实应力－应变曲线，分别回归了弹性阶段及塑性阶段的应力应变模型，求出了SCM435钢的弹塑性参数，研究了颈缩对应力应变取值的限制，并求解出了SCM435钢的最大均匀塑性变形点，并推导出不受颈缩影响的应变应力与断面收缩率之间的关系.

1 实验材料

试样采用工业生产的SCM435热轧线材，其化学成分如表1所示.

表1 SCM435钢的化学成分（质量分数）Table1 Chem ica l com position（mass fraction）of SCM435 steel %

2 拉伸曲线的测试

拉伸试样尺寸按标准样加工，具体尺寸如图1所示.试样按GB/T228－2002标准，保持温度、应力状态和加载速度恒定.此外，试样表面光滑以避免因缺口而造成的应力集中，同时在实验过程中夹紧试样时，应当保证试样轴线方向与载荷方向一致，不能倾斜或产生偏心.实验在大气压力及室温下进行，夹头移动速率为2 mm/min.

图1 拉伸试样尺寸（mm）Fig.1 Size of tensile samples

3 SCM435钢的弹塑性计算

3.1 SCM435钢的拉伸实验结果

拉伸实验共有3组试样，拉伸结果相近，图2为其中一组拉伸试样的颈缩照片，表明试样在拉伸的过程中存在明显的颈缩现象，塑性变形较好.

图2 拉伸试样的颈缩Fig.2 The necking of tensile samp le

图3（a）为拉伸试样断口扫描电镜低倍形貌，可以看出，断口为典型的杯锥状断口，中心区为杯部，中心所示区域具有纤维状特征，为韧性断口的宏观形貌.由于材料韧性好，故断口三要素中无放射区出现.

图3（b）为断口边部的高倍形貌.从图3（b）可以看出，该区为在剪切应力作用下发生的快速断裂，微观形貌为呈方向性的拉长韧窝.

图3 试验样拉伸断口的扫描照片Fig.3 Fracture scanning photos of the test sam ple

图3（c）为断口中心区的高倍形貌，可以看出，中心断口形貌为等轴状韧窝，纤维区是在正应力作用下塑性变形.以微孔聚集并长大的机理发生断裂，未发现夹杂导致断裂，断口微观上均为等轴韧窝.

在拉伸过程中，测得拉力－伸长量关系曲线，由于工程应力σ=F/A0，即载荷F除以原始截面积A0，工程应变ε=Δl/l0，即伸长量Δl除以原始标距l0，因此可以转化为工程应力－应变曲线.图4（a）为拉伸过程中的工程应力应变曲线，图4（b）为拉伸过程中的真应力应变曲线.

图4 拉伸过程中的应力应变曲线Fig.4 Curve of stress－strain in tensile process

在实际过程中的应力应变要进行修正，转化为真应力－真应变.考虑塑性变形的不可压缩性，且变形为均匀塑性变形时，根据体积不变，当前面积与原始面积的关系为l0A0=lA.真实应力为S=F/A，即载荷除以瞬时截面积A，将A的定义代入到真实应力的定义式中，得到真实应力与工程应力间的关系为

真实应变和工程应变间的关系推导如下:

3.2 弹性变形阶段

理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状，因此，只要在弹性变形的范围内，其应力应变都保持单值线性函数关系，即服从胡克定律:

式中，S为正应力，E为弹性模量，e为真应变.

SCM435钢的回归曲线如图5所示.可以看出，SCM435钢比例极限为341.77 MPa，对应的真应变为0.214%，从回归方程的系数可以得到其弹性模量E为162.77 GPa.弹性模量与切变模量、体弹性模量之间的关系［8］为

式中，G为切变模量;K为体弹性模量;ν为泊松比，表示材料侧向收缩的能力，大多数的钢的泊松比 ν在0.26～0.33之间［8］.

根据 SCM435钢的室温泊松比［9］为0.286，可以算出切变模量G为113.98 GPa;体弹性模量K 为128.05 GPa.

图5 弹性过程中的应力应变及回归曲线Fig.5 Curve of stress-strain and regression curve in elastic process

3.3 塑性变形阶段

随着进一步的变形，金属开始由弹性变形转变为塑性变形，便产生了屈服，如图4所示，SCM435钢没有出现明显的屈服现象，根据国标［10］采用非比例延伸率Rp=0.2%时的应力为屈服应力，SCM435钢的屈服应力Rp0.2=605 MPa，对于均匀塑性变形阶段的真应力－应变曲线有很多公式可以拟合，其中 Hollomon公式［11］对金属拉伸均匀塑性变形阶段符合得较好，本文采用Hollomon公式对SCM435钢进行拟合.

式中:S为真应力，MPa;e为真应变，%;K为硬化系数;n为应变硬化指数，反映了材料抵抗继续塑性变形的能力.金属材料的n值的大小与层错能的高低有关.层错能低的n值就大，层错能高的n值就小.

对式（5）两边取对数，其Hollomon公式拟合的结果如图6所示，硬化系数K为705.5，应变硬化指数n为0.15907.从图6可以看出，当应变值较小时，由于弹性变形阶段的硬化系数为1，这时受弹性变形影响较大.该硬化系数和硬化指数与实测值有一定的偏差，达到拉力最大值时，即要发生颈缩时，开始了不均匀变形，拟合曲线开始再次偏离实测值.

拉伸样的断后标距为28.3 mm，断后直径为3.4 mm，可以得到断后伸长率δ为13.2%，断面收缩率ψ为53.8%.

图6 塑性过程中的应力应变及回归曲线Fig.6 Curve of stress-strain andregression curve in plastic process

3.4 最大均匀塑性变形点

在拉伸过程中，随着伸长量的增加，将发生局部塑性变形，形成颈缩，出现不均匀塑性变形，也意味着失效.因此，确定和提高材料的最大塑性应变量具有重要的意义.利用真应力、真应变定义和Hollomon公式，可以计算材料的最大均匀塑性应变量.

在试样变形的瞬间，由F=AS对伸长求导得

3.5 截面变化率的求解

在拉伸的过程中，随着伸长率的不断增加，其标距的横截面不断缩小［12］，在颈缩产生之前，

根据体积不变条件及式（3），可以得到应变与横截面变化率之间的关系［9］，即

将式（10）代入式（3）及式（5）可得，在弹性变形区与塑性变形区，应力与横截面变化率之间的关系式，根据式（10）可求出应力与横截面变化率之间的关系，其曲线图如图7所示.

图7 真应力－横截面变化率曲线Fig.7 Curve of true stress-shrinkage ratio of cross-section

颈缩生产后，Hollomon公式已不再适用，但真应变与横截面收缩率关系仍然满足式（10），由于断面直径不容易随时测量，导致无法知道从颈缩到断裂这段的真实塑性变化，只能通过断后测量直径来求其真实极限塑性.因此对于真实极限塑性ef，仍然可以通过断面收缩率Ψ求得.

4 结论

（1）SCM435钢主要以塑性变形为主，断口为典型的杯锥状断口，并形成颈缩，中心断口形貌为等轴状韧窝，为韧性断口的宏观形貌，边部呈方向性的拉长韧窝;

（2）SCM435钢弹塑性变形分别服从胡克定律及Hollomon公式，并分别求解回归出了一系列弹塑性参数;

（3）推导出SCM435钢的最大均匀变形点，最大均匀真塑性应变为12.4%，从而明确了拉伸法得到真应力应变的取值范围，并推导出SCM435钢截面变化率与应力应变的关系.

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Tensile experiment research of SCM 435 steel

XU Dong1，ZHUMiao-yong1，TANG Zheng-you1，WANG Zhuang-fei1，ZHUANG Su-ping2，JIANG Tao1
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Xingtai Iron and Steel Company Limited，Xingtai054027，China）

The tensile test was applied to research room temperature deformation of SCM435 steel.Tensile results show that plastic of SCM435 steel is good，and the fracturemorphology is typical cup cone fracture.On the tensile test of the SCM435 steel，the real stress － strain curve was calculated through the data analysis.The stress-strain models for the elastic and plastic stages were established.The elastic-plastic parameters，the biggest even plastic deformation point and the conditions of necking forming were obtained.Relationship between stress-strain and cross-section shrinkage percentage was determined by the data analysis.

tensile test;SCM435 steel;stress-strain;elastoplasticity

TG 142

A

1671-6620（2012）03-0192-05

2012－06－14.

徐东 （1984—），男，东北大学博士研究生，E－mail:xudong_xyz@163.com;朱苗勇 （1965—），男，东北大学教授，博士生导师.