基于小试样的304不锈钢薄板单向拉伸试验研究

尚 磊,胡建华,单志航,晁 爽

河北工程大学机械与装备工程学院,河北 邯郸 056038

0 引言

在机械、航空航天等领域的工业发展过程中,从在役结构和设备中割取大尺寸试样进行试验测试十分困难,因此对于获取困难或价格昂贵的特殊材料,小尺寸试样为增加测试选择、获得更多测试数据提供了可能[1]。从取样方便和有效降低试验成本进行考虑,实现小尺寸试样获取材料及设备性能的研究具有重要理论意义和工程应用价值[2]。

本文对304不锈钢薄板小试样在不同条件下进行单向拉伸试验,采取与标准试样尺寸相似缩小的原则,设计了进行单向拉伸试验和有限元分析的哑铃状小试样,研究取向和厚度对其力学性能的影响,并对影响机理进行讨论;通过有限元对标准试样与小型试样进行分析比较,得到小型试样与标准试样之间的联系,为小试样试验技术应用提供参考。

1 试验内容与方法

1.1 材料及试样设计

试验选用冷轧所制的厚度分别为20、50、100、200 μm的304不锈钢薄板,其部分化学成分质量分数：C为0.05%,Mn为0.97%,S为0.07%,Si为0.6%,Cr为16.59%,Ni为8.75%,P为0.028%。试验所用试样为小型板状试样,采用与标准试样尺寸相似缩小的原则设计成如图1所示的哑铃状。

单位：mm

1.2 单向拉伸试验

采用高精度动静态生物力学试验机(ElectroForce 3200 Series Ⅲ,ElectroForce Systems Group,美国bose公司)进行单轴拉伸试验(见图2)。为探究厚度对试样尺寸效应的影响,在应变速率为0.001/s条件下,分别对20、50、100 μm的沿轧制方向成0°取向的试样进行拉伸试验。试样厚度定为100 μm,应变速率选用0.001/s,对沿轧制方向不同取向的试样进行试验,进而探究各向异性对薄板力学性能的影响。试验在室温下进行,每类拉伸试验重复次数不少于3次,并取多次试验结果的平均值。

图2 ElectroForce 3200 Series Ⅲ试验机

2 试验结果与讨论

2.1 取向对力学性能的影响

在室温下,对厚度为0.1 μm沿轧制方向不同取向的冷轧304不锈钢薄板小试样进行单向拉伸试验,试验获得的真实应力应变曲线如图3所示。不同取向试样的力学性能参数,如表1所示。

表1 沿轧制方向不同取向试件的力学性能参数

图3 沿轧制方向不同取向试件的力学性能参数

通过曲线图和参数表可得,对于冷轧所制的304不锈钢薄板,沿轧制方向不同取向可影响力学性能,材料存在各向异性。当试样取向与轧制方向夹角由0°增加至90°时,试样屈服强度表现出先减小后增大的趋势,60°除外。试样与轧制方向成45°时,其屈服强度值最小。伸长率随着试样取向与轧制方向夹角的增加呈先增大后减小趋势,试样与轧制方向成90°时,其伸长率最小。

2.2 尺寸效应现象分析

对沿轧制方向取向为0°,厚度分别为20、50、100、200 μm的不锈钢薄板进行单向拉伸试验,所得真实应力应变曲线如图4所示。分析得出,厚度尺寸对应力应变曲线的影响较为明显,厚度为20、50 μm的试样其总变形过程基本为弹性变形,几乎未出现塑性变形,表现为屈服即断裂;厚度为100、200 μm试样的拉伸过程有明显塑性变形阶段。从100～20 μm,随着板料厚度的减小,屈服强度和抗拉强度均表现出越来越大的现象,但从200 μm减少到100 μm,结果与之相反。试验结果表明,不锈钢薄板拉伸力学性能在厚度尺寸上具有尺寸效应。

图4 不同厚度试样试验数据

由图4(a)和图4(b)得出：厚度对不锈钢薄板的屈服强度和断后伸长率均有显著影响,表现为板料厚度从200μm减小到100μm时屈服极限随之减小;板料厚度从100μm减小到20μm时,屈服极限随之增大,断后伸长率随之减小。板料厚度为100 μm时,屈服极限数值最小。

可将此现象分成2个阶段解释。

首先试样厚度位于100～200 μm时,可根据表面层模型解释屈服极限随尺寸减小而降低的现象[3]：因试样表面层晶粒相对于内部晶粒而言为自由表面,则位错会以较小的约束力滑移出自由表面,表面层晶粒较内层晶粒有较低的屈服强度。若材料的厚度下降至一定的区间,表层晶粒会与内部晶粒具有相当的占比,此时,表层晶粒占比的提升造成屈服强度的随之下降。

若材料厚度位于20～100 μm区间,由于应变梯度效应的存在,材料的屈服强度会因厚度降低而有所增强。相关研究证明,不锈钢类材料一般具备表面钝化膜[4],且出现屈服变形的微观机制主要为晶粒的位错滑移,但由于强度更高的钝化膜存在,在拉伸过程中,对于表层晶粒的位错滑移形成限制,从而在一定程度上强化材料的拉伸性能[5]。

根据图4(b)曲线所示,随着板料厚度的增加,不锈钢薄板的断后伸长率呈现递增的趋势,表明其塑性性能得到明显提升。试样厚度的大小明显影响着板料的断后伸长率,尤其是当厚度小于100 μm时。20 μm和50 μm厚的板料断后伸长率分别为1.96%和2.85%,100 μm板料为7.59%,200 μm板料为12.96%。当试样的厚度为20 μm时,只有1～2个晶粒可在厚度方向上储存。当取向不合适的晶粒发生塑性变形时,周围的晶粒数量太少,无法协调其变形[6],因此容易导致断裂情况发生,最终宏观上表现为20 μm厚的薄板试样的断后伸长率远低于100 μm及以上厚度的板料。当试样厚度超过100 μm时,断裂后的伸长率的尺寸效应不再明显,而在100、200 μm厚度的薄板上,断裂后的伸长率相对较高且差异趋于减小。因薄板平面内的晶粒数量较多,当发生变形时,不利于变形的晶粒和有利于变形的晶粒之间相互协调,从而导致断裂后的伸长率提高。

3 有限元数值模拟

3.1 材料模型

采用动力显式算法,输入304不锈钢的密度7.93×10-9t/mm3,弹性模量193 GPa,泊松比0.29。在塑性设置中输入试验应力塑性应变曲线,选择延性金属损伤中的柔性损伤,断裂应变为0.23,三轴应力为0.33,应变比为0.5,破坏位移为0.01。

3.2 分析步及网格设置

由于采用准静态单向拉伸仿真,并且动态显式算法采用动力学方程的一些差分格式(例如广泛使用的中心差分法、线性加速度法、newmark法和wilson法等),不用直接求解切线刚度,不需要进行平衡迭代,计算速度快,若时间步长取值足够小,一般不存在收敛性问题[7]。因此需要的内存也比隐式算法少,所以分析步采用动态显式分析。时间长度为1 s,对模型进行目标时间增量设置,系数为1×10-4。在场输出中勾选损伤初始准则(dmicrt)、材料体积分数和状态。并对参考点建立集,在历程输出中对集进行沿拉伸方向的位移和力输出。

划分网格全部采用六面体结构单元,整体网格尺寸为0.35,因模型厚度仅为0.5 mm,为方便计算及避免不收敛问题,在模型厚度方向布置6个种子,并将标距段种子尺寸改为0.1,实现局部网格细化。

3.3 仿真结果

使用有限元软件ABAQUS对本文所设计的小型拉伸试样进行单向拉伸模拟。有限元模拟结果如图5所示,仿真过程完整模拟出弹性、塑性阶段(硬化、颈缩断裂失效)的变形过程。经分析,试样断裂位置较好,且断裂所需载荷位移位于试验机范围之内。

图5 拉伸过程仿真云图

3.4 对比分析

为探究数值模拟小试样单向拉伸与标准试样单向拉伸的区别或一致性,按国标GB/Z 38434—2019《金属材料 力学性能试验用试样制备指南》在ABAQUS中绘制了单向拉伸标准试样,对其施加的拉伸位移为20,其他参数条件均与小试样单向拉伸模拟一致,并将0°小试样的试验曲线加入,三者的应力应变曲线如图6所示。

图6 3种条件下的拉伸曲线对比

由图6分析可知,小试样的试验数据与数值模拟中小试样单向拉伸和标准试样单向拉伸的屈服应力和抗拉强度等力学性能基本相等,应力应变状态具有相似性。

4 结论

本文首先对304不锈钢薄板小试样在不同条件下进行拉伸试验,获得了材料在各条件下的力学性能,并就差异化结果从微观角度进行分析;其次,应用ABAQUS对标准试样和小试样进行拉伸仿真模拟,并联系试验结果进行分析。主要结论如下。

1)试样材料的屈服应力沿轧制方向从0～45°逐渐减小,从45～90°逐渐增大。在45°方向屈服应力达到最小值。且试样材料的伸长率与板料轧制方向具有相关性,即从0～90°,伸长率总体呈先增大后减小的趋势。发现材料存在明显的各向异性,生产、研究上可利用此特性进行性能整改与优化。

2)试样厚度大于200 μm时,表面层晶粒对屈服强度变化起主要作用。厚度小于200 μm时,表层晶粒的减少与应变梯度效应共同作用。从微观角度解释了304不锈钢板的尺寸效应现象,对本材料的尺寸效应类研究提供了依据。

3)仿真与试验结果表明：小型拉伸试样一定程度上可代替传统割取标准试样对容器设备等进行检测分析。为采用小试样技术对容器设备等进行性能检测提供了可能。