316L不锈钢箔应变不均匀性研究

胡建华,尚 磊,单志航,杨军恒

河北工程大学机械与装备工程学院,河北 邯郸 056038

0 引言

316L不锈钢在航空航天、医疗器械以及化工设备等领域中被广泛应用。在实际应用中,它经常需要承受复杂的加载条件,因此,深入了解其力学行为变得至关重要。特别是当存在诸如孔、角、间隙等几何特征时,这些设计上的考虑通常旨在满足减轻重量的需求,但在复合载荷作用下,局部应变场往往呈现出高度不均匀的特性[1]。

数字图像相关(DIC)技术是光学和非接触方法中应用最广泛的一种方法,被广泛用于深入了解材料的应变不均匀性。相较传统的应变片测量方法,DIC技术可提供2D和3D的全局位移和应变场数据。任春影 等[2]使用DIC技术生成高强度钢板的应变云图,揭示了在静态和动态拉伸试验中,应变分布随时间和空间演化的不均匀性,尤其是在颈缩和断裂阶段的应变局部化过程。Kang et al.[3]利用DIC技术研究了AZ31合金板材在单轴拉伸试验中的应变分布。研究结果显示,板材表面的应变呈非线性变化,产生较大的应变梯度,但在厚度方向上变形较小,表现出明显的不均匀性变形。Tarigopula et al.[4]使用DIC技术研究了在不同加载速率下,DP800钢板从开始塑性变形到断裂的应变云图,揭示了其应变演化过程,结果表明,材料早期应变呈现局部化现象,并逐渐从均匀应变过渡到严重局部化应变。

目前对于316L不锈钢箔应变不均匀性的研究十分有限,特别是在基于DIC技术的试验研究方面较少。因此,为研究该问题,设计了一种试件结构,其中试件中心含有孔洞且两端凸起,并基于DIC技术进行拉伸试验。通过这项研究,旨在探讨316L不锈钢箔在不同应力状态下的应变不均匀性。

1 试验材料与方法

试验选用的材料为冷轧316L奥氏体不锈钢,厚度为100 μm,其生产的不锈钢符合ASTM A240标准。其化学成分如表1所示,试件尺寸如图1所示。

单位：mm

表1 316L不锈钢化学成分质量分数 单位：%

采用电火花线切割技术加工该拉伸试样,其孔洞通过台钻进行钻孔。为了在台钻加工试件孔洞时保持精确性,应确定圆心位置,避免孔洞偏移。同时使用夹紧装置固定试件,确保稳定加工。加工完成后,在试件表面喷涂白色底漆并等待干燥。随后,在白色底漆上喷涂黑色斑点来制作人造斑点图案。散斑的演变被认为是样品变形的结果。拉伸过程中应变率设置为0.1%,利用digital image correlation engine(DICe)软件对样品的变形过程进行分析。

使用3200型拉伸试验机进行单轴拉伸试验。材料的变形通过二维DIC装置进行测量,该装置由LED光源、工业相机、变焦镜头和控制计算机组成,如图2所示。工业相机的帧率设置为1 fps/s。子集大小设置为17×17像素,并采用6像素的步长进行DIC分析。

(a)DIC系统及万能试验机 (b)喷涂散斑的试样

2 试验结果与分析

含孔试样的拉伸载荷位移曲线如图3所示。在拉伸试验的不同阶段,观察到试样上的圆孔逐渐沿着试件的长轴方向拉伸,最终形成椭圆形。

图3 含孔试样载荷位移曲线和工业相机在试验不同阶段拍摄的3幅图像

基于DIC技术对316L不锈钢箔含孔试样拉伸试验过程进行监测,以便量化其塑性变形过程。试样在不同拉伸阶段(t1～t5)的全场应变如图4所示,图中不同灰度代表不同应变水平,图例为不同灰度代表的具体应变数值。

图4 试验初期(t1=0 s)、中期(t2=31 s、t3=66 s和t4=81 s)和断裂前(t5=127 s)二维应变图

结果表明,在试验的不同阶段,试样的应变分布呈现出明显的变化。在试验初期(t1阶段),试样表面应变分布相对均匀。然而,随着时间推移至t2阶段,应变局部化现象开始显现。部分区域经历更大的应变,而其他区域受影响较少,这种趋势一直加剧至试验的t5阶段,即试样的宏观破坏阶段。在这一阶段,应变不均匀性达到顶峰,试样的表面形变分布变得十分不均匀,最终导致试样整体破坏。

在t5时刻观察材料表面应变云图,显示出明显的应变集中现象。部分区域的应变数值明显低于其他区域,这是由于样品内部分布不均匀特性或测量的不准确所导致。具体来说,在横向应变分量εxx上,孔的左上方和右下方的应变略高于右上方和左下方的应变。在孔洞左上方,纵向应变分量εyy的空间分布比右下方更为密集。在加载初期时,最小纵向应变和最大纵向应变的绝对值近乎相同,然而随着载荷的增加,最小纵向应变的绝对值与最大纵向应变的绝对值相差0.08。此外,剪切应变分量εxy的空间分布表现出明显的集中现象,主要集中在孔洞的左上方和右下方,形成了一个呈现“”形状的区域,最终导致试样从这些区域断裂。这种现象表明,应变局部化似乎更适合按照45°角模式进行发展。

3 结束语

本文针对316L不锈钢箔含孔试样中的变形不均匀性进行深入分析。通过拉伸加载试验,探讨了试样在不同应力状态下的变形行为;通过DIC技术获得的应变云图,从时间和空间的角度直观揭示了应变分布的不均匀性和应变局部化的演化过程。

拉伸试验结果显示,在试验过程中,应变局部化呈逐渐发展的趋势。基于DIC技术获得的应变云图观察到316L不锈钢箔表面应变在试验的早期阶段应变分布相对均匀,然而随着试验的进行,应变局部化现象逐渐显现。这种趋势持续到试验的最后阶段,最终导致试样的颈缩和破坏。这些局部化区域在纵向、横向和剪切应变上均十分清晰,表明试样在不同方向上均存在应变不均匀性。

材料的应变不均匀性源于其多晶体内晶粒的随机取向。尽管在宏观尺度上,变形似乎是均匀的,但在微观层面,不同晶粒的取向差异导致应变分布的不均匀性。这种不均匀性可能会对材料的力学性能和使用寿命产生显著影响。

为减轻应变不均匀性对工件使用寿命的负面影响,确保变形金属的成分和组织尽可能均匀是至关重要的。通过优化工件的形状设计,可减少局部应变的集中程度,从而降低材料在特定区域的应力集中。此外,在实际工作中,须注意环境因素对材料性能和变形的潜在影响。环境条件的变化可能导致材料的腐蚀、疲劳等问题,从而加剧应变不均匀性对工件的损伤程度。因此,在合适的环境条件下进行工作并采取必要的预防措施,是确保材料长期稳定工作和延长工件寿命的重要步骤。

通过优化材料的组织结构、合理设计工件形状以及在适宜的环境条件下进行工作,可最大程度地减少材料的应变不均匀性对工件使用寿命的潜在影响,从而提高工件的耐久性和性能表现。