三维打印GP1不锈钢动态拉伸力学性能研究*

赵志豪 付应乾 周刚毅 舒 旗

1.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室 浙江宁波 315211 2.宁波大学机械工程与力学学院 浙江宁波 315211

1 研究背景

自20世纪90年代三维打印技术发展以来,三维打印材料从高分子材料发展至金属粉末材料,使三维打印技术在航空航天、军事、汽车制造等领域有广泛应用[1-5]。这些领域对三维打印材料有着特殊要求,如零部件要具备耐冲击、挤压、变形等性能,由此三维打印材料的力学性能成为研究重点。

目前重点关注工艺参数优化对准静态力学性能的影响[6-8],在三维打印成型件动态加载方面的研究比较少。因此,有必要对三维打印成型件动态力学性能开展研究。

文献[9-10]对应变率为0.01～600 s-1的三维打印GP1不锈钢材料加载的平板试样动态拉伸性能进行测试,结果表明三维打印GP1不锈钢材料的流动应力存在明显应变强化效应。Song等[11]进行三维打印304L不锈钢材料在高应变率下的动态拉伸和动态压缩力学性能研究,结果表明,当应变小于30%时,三维打印制造的304L不锈钢试样在动态压缩和动态拉伸不同加载状态下都比传统技术制备的试样表现出更高的屈服强度和更大的流动应力,在应变率高于500 s-1时,得到明显的应变率效应。

三维打印成型件较高应变率下动态力学性能的研究较少,但是在高速成型及高速车削等应用领域,需要研究103～104s-1极高应变率条件下的材料力学性能。因此,有必要对三维打印成型件的超高应变率动态拉伸力学性能进行进一步研究。笔者采用M型拉伸试样,利用分离式霍普金森压杆进行动态加载,结合数字图像相关法对三维打印GP1不锈钢材料的动态拉伸力学性能进行试验研究,分析不同应变率下的材料动态力学性能。

2 试验方法

目前,材料的动态拉伸试验主要采用分离式霍普金森压杆试验装置。这一装置主要采用粘接、螺纹、销钉等方式将入射杆、透射杆与试样轴肩连接。粘接方式连接强度低,无法满足较高强度材料的性能测试需要。螺栓及销钉连接必须有极高的加工和安装精度,以保证测试结果的可靠性。对于霍普金森压杆试验技术存在的问题,Mohr等[12]设计采用霍普金森压杆对M型拉伸试样加载,将压缩应力波转变为对试样动态拉伸加载,这样可以避免试样与杆的连接问题,但是这一方法提出后未见采用及试验验证。文献[13]改进M型拉伸试样,获得了有效的高应变率拉伸应力应变曲线。笔者采用分离式霍普金森压杆动态拉伸试验方法,对三维打印GP1不锈钢材料动态拉伸力学性能进行试验研究。

▲图1 M型拉伸试样加载原理

▲图2 分离式霍普金森压杆动态拉伸试验

Up(t)=U(t)-Ue(t)

(1)

假设Ue(t)与试样的整体刚度相关,并与施加的载荷力成正比,有:

F(t)=KUe(t)

(2)

式中:K为试样刚度因数。

于是拉伸标段的塑性应变εp为:

εp(t)=Up(t)/l0=[U(t)-Ue(t)]/l0

=[U(t)-F(t)/K]/l0

(3)

拉伸标段的应力σl为:

σl(t)=F(t)/A

(4)

式中:A为拉伸标段的横截面积。

在试验过程中,使用超高速相机来记录试样的加载过程,应用数字图像相关法,可以计算试样在加载过程中的应变演化。笔者通过数字图像相关法对试样进行应变、位移测量记录,经后处理得到应变、位移时程数据。

3 试样

试验选用GP1不锈钢粉末,各化学成分中,Mn为0.61%,Cu为2.69%,Si为0.63%,C为0.05%,Cr为17.54%,Fe为74.54%,Ni为4.36%。原始GP1不锈钢粉末的扫描电子显微镜形貌如图3所示,平均粒径为35 μm。试样采用三维打印设备制备,制备过程采用振镜扫描,工艺参数中，扫描速度为1 000 mm/s,铺粉速度为80 mm/s,激光功率为400 W,层厚为20 μm,预热温度为80 ℃。试样制备过程中采用氮气保护,防止氧化[14]。

▲图3 GP1不锈钢粉末扫描电子显微镜形貌

▲图4 M型拉伸试样设计尺寸

成型后的试样如图5所示。M型拉伸试样横截面与纵表面的微观金相组织如图6所示。由图6可见,无论是横截面还是纵表面,材料致密性良好,无孔洞等明显缺陷。

▲图5 成型后试样

▲图6 M型拉伸试样微观金相组织

4 试验结果

▲图7 试验结果▲图8 试样拉伸标段应变云图

▲图9 试样应力应变曲线对比

M型拉伸试样和哑铃型拉伸试样不同应变率下的应力应变曲线如图10所示。M型拉伸试样在加载时应变率可达5 900 s-1及更高,相比传统哑铃型拉伸试样,可以获得更高的应变率。三维打印GP1不锈钢材料在1～5 900 s-1应变率范围内有明显的应变率效应。当应变率为1 s-1时,拉伸屈服强度为580 MPa左右。

▲图10 不同应变率下试样应力应变曲线

当应变率为5 900 s-1时,拉伸屈服强度为950 MPa左右。三维打印GP1不锈钢材料的屈服强度580 MPa高于传统铸造工艺制备试样的屈服强度(550 MPa)[15]。

三维打印GPI不锈钢材料在不同拉伸应变率下的动态强度增长因子如图11所示。动态强度增长因子DIF为:

▲图11 三维打印GP1不锈钢材料动态强度增长因子

(5)

由此可见,对于三维打印GP1不锈钢材料,在动态拉伸状态下,应变率为0.02～5 900 s-1,屈服强度随应变率的增大存在明显的应变率效应。不同应变率加载下的动态强度增长因子与应变率呈指数增大关系。

5 结束语

笔者对三维打印GP1不锈钢材料的动态拉伸力学性能进行试验研究,采用M型拉伸试样,应用霍普金森压杆技术加载,结合数字图像相关法,获得了三维打印GP1不锈钢材料高应变率拉伸力学性能。

M型拉伸试样可以获得有效的材料高应变率动态拉伸应力应变曲线。对于三维打印GP1不锈钢材料M型拉伸试样,应变率高达5 900 s-1,显著高于哑铃型拉伸试样的应变率。三维打印GP1不锈钢材料具有显著的应变率强化效应,其动态强度增长因子与应变率呈指数关系。