不同應變速率下40crni2mo鋼低溫力學性能研究

不同應變速率下40crni2mo鋼低溫力學性能研究

我國北方露天礦開采和運輸機械在冬季使用低溫環(huán)境。冬季最低溫度可達到-40以下，部分機器零件較差，低溫可靠性高。低溫脆性是體心立方金屬材料的普遍特性,一般來說,溫度越低或應變速率越高,其脆化傾向也越嚴重。一些露天煤礦機械零件也會經(jīng)常承受低溫環(huán)境及各種動態(tài)載荷(如交變、沖擊等)極端條件的同時作用下發(fā)生早期斷裂,嚴重影響煤炭生產(chǎn)。國內(nèi)外雖然對金屬材料低溫脆性做過一些研究,但是目前對金屬材料發(fā)生低溫脆性現(xiàn)象的本質(zhì)始終缺乏深入研究。超高強度鋼(如40CrNi2Mo)通常用來制造工程機械中關(guān)鍵的零部件,在機械設(shè)計中主要以常溫下的靜態(tài)力學性能為設(shè)計依據(jù),而幾乎不考慮材料低溫下的性能變化;且目前也缺乏材料在低溫下的各類力學性能數(shù)據(jù)。因此,確定材料在低溫下的靜載和動載力學性能是一個重要的課題。國內(nèi)外采用不同手段對鋼在不同溫度下的動態(tài)形變及斷裂行為進行了研究,并試圖建立能夠反映材料自身特性的本構(gòu)方程,但這些研究主要是針對常溫及高溫狀態(tài)下來進行的[7,8,9,10,11,12,13,14]。分離式霍普金森壓桿(SHPB,SplitHopkinsonPressureBar)技術(shù)是研究高速應變速率下材料形變規(guī)律的重要手段,國內(nèi)外在測試手段、各類材料形變特性及微觀結(jié)構(gòu)等方面做了較多的研究,但在低溫狀態(tài)下的形變規(guī)律方面做的研究不多。因此,本文分別利用單向準靜態(tài)拉伸、系列缺口沖擊試驗和SHPB技術(shù),對調(diào)質(zhì)態(tài)40CrNi2Mo鋼在常溫和低溫狀態(tài)下及不同應變速率條件下的力學性能進行了研究,為該材料在相關(guān)條件下的應用和工程設(shè)計提供參考。1拉伸試驗和金相組織試驗將40CrNi2Mo鋼經(jīng)鍛造后采用850℃淬火+650℃回火進行調(diào)質(zhì)處理,平均硬度為HRC32.7,再加工成?5mm×25mm的靜拉伸試樣、10mm×10mm×55mmV型缺口的夏比沖擊試樣和?5mm×2.5mm的SHPB試樣。拉伸試驗在微機控制電子萬能試驗機INSTRON5582上進行,拉伸加載速度為1.2mm/min;系列沖擊試驗在JB-30A型沖擊試驗機完成。SHPB實驗采用的氣壓為0.5MPa,子彈深度為30~70cm,測得應變速率為(2.5~4.0)×103s-1,并獲得不同應變速率下鋼的動態(tài)應力-應變曲線,確定了其屈服強度。實驗溫度區(qū)間為-183~20℃,低溫溫度用液氮調(diào)節(jié)。采用蔡司200MAT型金相顯微鏡觀察金相組織,金相組織采用4%硝酸-酒精溶液侵蝕;斷口形貌用日立S-3400型掃描電子顯微鏡進行觀察。2結(jié)果與分析2.1顯微組織形貌調(diào)質(zhì)態(tài)的40CrNi2Mo鋼及經(jīng)過靜拉伸或SHPB高速沖擊前后的顯微組織形貌未見明顯改變(圖1),仍為典型的回火索氏體組織;也未發(fā)現(xiàn)高速沖擊下形成的絕熱剪切帶。40CrNi2Mo鋼具有較高的強度水平,塑性形變難以進行,也是絕熱剪切帶不易形成的主要原因。2.2調(diào)質(zhì)鋼屈服強度與拉伸性能的關(guān)系40CrNi2Mo鋼不同溫度下的強度和塑性如圖2所示,40CrNi2Mo鋼在常溫及低溫下大多會出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象;其屈服強度(YS)和抗拉強度(UTS)隨溫度有相似的變化規(guī)律,即隨著溫度的降低,屈服強度、抗拉強度逐漸增大;但是,塑性指標(伸長率和斷面收縮率)均有所降低。有文獻表明,在應變及應變速率不變的條件下,鋼的流變應力與溫度之間的關(guān)系滿足如下方程σΤ=σ0exp(QRΤ)|ε,˙ε(1)σT=σ0exp(QRT)∣∣ε,ε˙(1)其中,σT為溫度為T時的流變應力(或強度);σ0相當于溫度為無窮大時的流變應力;Q為塑性流變的激活能,J/mol;R為氣體常數(shù)。由上面的實驗數(shù)據(jù)可以得到40CrNi2Mo調(diào)質(zhì)鋼屈服強度和抗拉強度的相關(guān)系數(shù),見表1。隨著溫度的降低,鋼的靜載強度提高而塑性降低的現(xiàn)象起源于位錯在低溫狀態(tài)下開動困難所致,在位錯克服能壘發(fā)生滑移的過程中,熱激活起到至關(guān)重要的作用,低溫狀態(tài)下原子的熱激活動受到了抑制。2.3韌脆轉(zhuǎn)變溫度值通常以韌脆轉(zhuǎn)變溫度來評價材料發(fā)生“冷脆”的難易程度。如圖3所示,為調(diào)質(zhì)40CrNi2Mo鋼沖擊韌度及脆性斷口比例隨溫度的變化曲線。在低溫時,沖擊韌度較低,出現(xiàn)低階能平臺,而隨著溫度的升高,存在一個能量迅速上升的階段,到常溫時達到最高;同時伴隨著沖擊斷口中脆性斷口形貌的比例逐漸減小。根據(jù)低階能和高階能平均值對應的溫度(FTE)和50%結(jié)晶區(qū)斷口所對應的溫度(50%FATT)來評價韌脆轉(zhuǎn)變溫度,分別得到-51℃和-40℃,兩種方法所獲得的數(shù)據(jù)并不一致。40CrNi2Mo鋼系列沖擊后微觀斷口如圖4所示。在溫度高于-50℃斷口微觀形貌為韌窩斷口,-80℃時出現(xiàn)結(jié)晶斷口,微觀形貌表現(xiàn)為準解理花樣;當達到-150℃時為準解理+解理斷口。通常認為,金屬材料在低溫狀態(tài)下的靜載強度升高和塑性降低,是其韌性下降的決定因素。這對于解釋靜載破壞裂紋體的韌性變化是合適的,但是,對于沖擊韌性在一定溫度范圍的“突變”卻缺乏依據(jù)。低溫對鋼的“強化”作用雖然顯著降低裂紋擴展的阻力,卻有助于提高裂紋形成功。2.4熱效應分析圖5(a)為不同溫度條件下,40CrNi2Mo鋼屈服強度與應變速率的關(guān)系曲線。在常溫狀態(tài)下,屈服強度隨應變速率在680~760MPa之間變化,并在3000s-1附近時出現(xiàn)最大值,低溫狀態(tài)與之類似。圖5(b)反映了不同溫度條件下壓縮率與應變速率的關(guān)系,壓縮率隨著應變速率的提高而增大,但與試驗溫度的關(guān)系不明顯。圖5(c)為不同應變速率條件下溫度對屈服強度的影響。在相同應變速率下,隨著溫度的降低,屈服強度呈下降趨勢。這一現(xiàn)象同準靜態(tài)加載條件下的強度和塑性隨溫度的變化規(guī)律明顯相悖。材料在塑性變形過程中,伴有應變強化和絕熱剪切(AdiabaticShear)效應引起軟化的共同作用。對于本文所采用的單向加載狀態(tài),樣品所受的載荷Ρ=sA(2)P=sA(2)其中,s為應力,s=s(e,˙e,Τ)?ss=s(e,e˙,T)?s和e分別為真應力、真應變;A為試樣截面積。且˙ee˙恒定,則dΡAdΤ=-sdedΤ+dsdΤ(3)dsdΤ=?s?Τ+?s?ededΤ(4)考慮絕熱剪切所引起的加熱效應dΤde=scρ(5)合并后得dΡAdΤ=cρ(1s?s?e-1)+?s?Τ(6)其中,c和ρ分別為比熱及密度。由式(6)可知,如果出現(xiàn)所加載荷(或者工程應力)隨溫度的降低而降低時,則需要滿足如下條件:?s?e≥s-scρ?s?Τ(7)在低溫狀態(tài)下,金屬材料的比熱降低,絕熱剪切引起的加熱效應更加顯著,引起式(7)的條件更加容易滿足。因此,溫度降低使得絕熱剪切效應更為突出,并使得鋼的流變應力或強度降低。材料的加工硬化指數(shù)是反映材料形變強化能力的力學性能參量。根據(jù)簡化的Johnson-Cook模型:s=Κen(8)可以求得加工硬化指數(shù)n與溫度及應變速率的關(guān)系如圖6所示。加工硬化指數(shù)隨溫度的降低而呈升高趨勢,盡管在某些溫度上有所反復,但在20~-183℃區(qū)間內(nèi),加工硬化指數(shù)在0.45~0.55之間變化。在低溫狀態(tài)時,金屬中的位錯運動能力的降低,增大了塑性變形的阻力,這是加工硬化指數(shù)提高的重要原因。但是,由于存在高速應變速率下的絕熱剪切效應,加工硬化指數(shù)存在一定波動。由上述結(jié)果可知,與靜載力學性能不同,由于存在絕熱剪切效應,高速沖擊載荷下,溫度降低并不能引起強度提高及塑性下降,反而會使得屈服強度降低。因此,在沖擊韌性試驗中,強度降低導致裂紋形成功及彈-塑性變形功減小,使得溫度降低后沖擊功發(fā)生急劇下降。3微觀斷裂帶的拉拔試驗(1)40CrNi2Mo調(diào)質(zhì)鋼低溫靜拉伸屈服強度和抗拉強度均隨著溫度降低而提高,塑性則隨溫度降低而下降;系列沖擊試驗表明,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)在-40~-51℃,微觀斷裂機制從韌窩斷裂過渡到準解理斷裂。(2)40