張慶玲，張榮強(qiáng)，金 淼

(燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著對材料性能研究的深入，在工程領(lǐng)域，人們不僅關(guān)心結(jié)構(gòu)承載能力和使用安全等問題，而且對金屬材料的本構(gòu)研究也從原來的彈性范圍和單調(diào)加載擴(kuò)展到對循環(huán)載荷作用下彈塑性能的關(guān)注。但當(dāng)前對循環(huán)載荷作用下的本構(gòu)研究多集中于不銹鋼、鎂合金、鋁合金、普通結(jié)構(gòu)鋼等金屬材料，而對于工程領(lǐng)域廣泛采用的鑄鋼的循環(huán)塑性本構(gòu)研究卻甚少。金屬材料的應(yīng)變循環(huán)特性是循環(huán)塑性變形的重要現(xiàn)象，同時也是循環(huán)塑性本構(gòu)研究必須加以考慮的因素。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對循環(huán)載荷作用下材料的變形行為進(jìn)行了大量的研究。萬明珍和張再強(qiáng)等[1]對熱循環(huán)作用下2A12鋁合金進(jìn)行了研究，得到了材料的變形行為與循環(huán)周次有關(guān)的結(jié)論。LAKHDAR T ，ZHOU Feng和MASAYUKI K等[2-4]研究了不同加載方式下304L和316L不銹鋼的循環(huán)加載曲線，發(fā)現(xiàn)304L和316L不銹鋼存在循環(huán)硬化現(xiàn)象。鄭松林和程悅蓀等[5]對中碳調(diào)質(zhì)鋼在低幅交變載荷作用下屈服強(qiáng)度增長規(guī)律進(jìn)行了分析，得到了屈服強(qiáng)度與交變載荷大小和循環(huán)周次之間的關(guān)系。錢立和和劉帥等[6]研究了轍叉用高錳鋼的循環(huán)變形與硬化現(xiàn)象，得到隨著應(yīng)變幅增大，轍叉鋼循環(huán)硬化速率越快的結(jié)論。張慶玲和金淼等[7]研究了Q235材料的特性，得出了在小變形條件下Q235存在循環(huán)硬化現(xiàn)象和包申格效應(yīng)的結(jié)論。石寶東和彭艷等[8]對AZ31鎂合金各向異性力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得到軋制鎂合金板材具有明顯的各向異性力學(xué)性能和拉壓不對稱性的結(jié)論。施剛和王飛等[9]對Q460D進(jìn)行了循環(huán)加載試驗，得到了不同加載條件下Q460D的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。吳旗和陳以一等[10]研究了Q460C在大應(yīng)變條件下的循環(huán)加載試驗，得到了鋼材在大應(yīng)變情況下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和滯回環(huán)特征。羅云蓉和王清遠(yuǎn)等[11]采用橫向應(yīng)變控制方法，得到了循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征曲線。王建青和張兵等[12]對富鋯鋯鈦二元合金力學(xué)性能進(jìn)行研究，得到鋯含量在70%～80%的合金表現(xiàn)出良好力學(xué)性能的結(jié)論。劉迪輝和莊京彪等[13]研究了金屬薄板包申格效應(yīng)，解釋了試驗中出現(xiàn)反向屈服應(yīng)力減小和永久軟化現(xiàn)象的原因。劉大海和孟維金等[14]對DP780高強(qiáng)鋼板材進(jìn)行了研究，得到了不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。祝世強(qiáng)和楊微等[15]對TA15進(jìn)行了研究，獲得了在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。雖然上述諸多學(xué)者已經(jīng)對多種材料在不同循環(huán)加載條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，但是鮮有學(xué)者對鑄鋼材料進(jìn)行相關(guān)研究。

ZG270-500材料是許多大型設(shè)備機(jī)架的常用材料，如液壓機(jī)的橫梁等。本文通過不同應(yīng)變控制下的循環(huán)加載試驗，對應(yīng)變控制下ZG270-500材料的循環(huán)變形特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，深入了解此材料的循環(huán)特性，從而為研究其本構(gòu)描述提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試樣制取與試驗設(shè)備

本次試驗的材料為ZG270-500，主要化學(xué)成分如表1所示，鑄坯尺寸400 mm×400 mm×180 mm，熱加工工藝曲線如圖1所示。

表1 ZG270-500鋼材化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of ZG270-500 steel %

圖1 熱加工工藝曲線

Fig.1 Heat treatment process curve

依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計并加工單向拉伸和循環(huán)加載試樣，其形狀與尺寸如圖2所示。

在室溫下進(jìn)行了應(yīng)變控制條件下的單向拉伸和循環(huán)加載試驗，試驗均在最大載荷為100 kN，加載精度為200 N的電液伺服疲勞試驗機(jī)(Instron8801)上進(jìn)行。單向拉伸試驗和循環(huán)加載試驗均采用精度為0.1 μm，標(biāo)距分別為25 mm 和12.5 mm的動態(tài)引伸計來測量軸向應(yīng)變。

圖2 試樣尺寸圖

Fig.2 Drawing of specimen size

2 單向拉伸材料性能研究

通過單向拉伸試驗，獲得了ZG270-500單向拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，同時也得到材料的彈性模量、屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能參數(shù)，參數(shù)見表2。

圖3 單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.3 Uniaxial tensile stress-strain curve

表2 單向拉伸試驗結(jié)果

Tab.2 Results of uniaxial tensile test

應(yīng)變速率/s-1彈性模量/GPa屈服應(yīng)力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa斷后伸長率/%斷面收縮率/%0.2%180.13270.65608.7521.7424.82

由圖3可知，ZG270-500在單向拉伸過程中雖然沒有明顯的屈服平臺，但在屈服點之后出現(xiàn)了一段塑性模量較小，相對平緩的類平臺區(qū)，類平臺區(qū)的應(yīng)變區(qū)間為0.27%～0.61%。試驗測得，ZG270-500的屈服極限約為270.65 MPa，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.27%；強(qiáng)度極限約為608.75 MPa，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?5.5%。材料具有較高的伸長率和斷面收縮率，表明其具有良好的塑性。

根據(jù)試驗所得的數(shù)據(jù)，可以得到ZG270-500在單向拉伸塑性段(類平臺區(qū)之后)力學(xué)模型表達(dá)式為

σ=900ε0.2，

(1)

其中，ε為總應(yīng)變，總應(yīng)變范圍為0.61%～15.5%。

3 循環(huán)加載材料性能研究

依據(jù)單向拉伸試驗獲得的材料性能參數(shù)，設(shè)計對稱應(yīng)變控制的循環(huán)加載試驗。設(shè)定應(yīng)變載荷值大于材料屈服時對應(yīng)的應(yīng)變，共進(jìn)行了6組加載試驗，每組試驗均測試3次，取平均值作為測試結(jié)果，試驗方案中YB-01～YB-04為單級對稱應(yīng)變循環(huán)加載試驗，YB-05和YB-06分別為應(yīng)變幅值遞減和應(yīng)變幅值遞增的多級對稱應(yīng)變循環(huán)加載試驗，加載波形采用三角波，試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案

Tab.3 Testing program

試驗名稱應(yīng)變加載制度加載速率/s-1循環(huán)周次N/CYB-010.3%0.2%200YB-020.4%0.2%200YB-030.6%0.2%200YB-040.8%0.2%200YB-050.6%→0.4%→0.3%0.2%200/100/100YB-060.3%→0.4%→0.6%0.2%200/100/100

3.1 單級對稱應(yīng)變循環(huán)加載條件下材料性能研究

試驗方案中YB-01～YB-03所施加的應(yīng)變載荷均在類平臺區(qū)，YB-04所施加載荷大于類平臺區(qū)結(jié)束時的應(yīng)變值，其對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線如圖4所示。由圖4可知，材料在循環(huán)第一周加載段與單向拉伸曲線形態(tài)基本一致，類平臺區(qū)只出現(xiàn)在第一個循環(huán)周次的正向拉伸段，且第一周的應(yīng)力值明顯低于其他循環(huán)周次，即表示材料發(fā)生了循環(huán)硬化行為，并且循環(huán)硬化行為較明顯。

圖4 對稱應(yīng)變幅值0.8%作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.4 Stress strain curve under the action of symmetrical strain amplitude 0.8%

圖5描述了響應(yīng)應(yīng)力幅值隨循環(huán)周次的變化規(guī)律，可以看出，四組試驗均發(fā)生了循環(huán)硬化現(xiàn)象。將每個循環(huán)周次下的應(yīng)力增長量稱為材料的循環(huán)硬化速率。在初始10周內(nèi)循環(huán)硬化現(xiàn)象非常明顯，但循環(huán)硬化速率在不斷降低，大約在經(jīng)歷50個循環(huán)后，循環(huán)硬化速率逐漸穩(wěn)定于一個常數(shù)值。循環(huán)硬化速率與加載應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線如圖6所示，可以認(rèn)為兩者之間具有良好的線性度。

圖5 響應(yīng)應(yīng)力幅值與循環(huán)周次曲線

Fig.5 Response stress amplitude and cycle curve

由以上分析可知，ZG270-500在小變形載荷作用下的循環(huán)硬化行為與外加應(yīng)變載荷大小及循環(huán)周次有關(guān)，應(yīng)變幅值越大，循環(huán)硬化行為越顯著。循環(huán)硬化程度越高，意味著材料的動態(tài)承載能力越強(qiáng)。對于承受對稱小應(yīng)變量循環(huán)載荷的設(shè)備本體結(jié)構(gòu)，這一特性可以一定程度上提高材料的許用強(qiáng)度極限。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到ZG270-500鋼對稱應(yīng)變控制下響應(yīng)應(yīng)力幅值的表達(dá)式為

σ= [2 300εexp(N/14)+σNi]H(50-Ni)+

6(εN-σNi),

(2)

其中，ε為應(yīng)變載荷值，N為循環(huán)周次，Ni為循環(huán)硬化速率穩(wěn)定起始周次，這里取Ni=50；H(x)為Heaviside函數(shù)，當(dāng)x≥0時，H(x)=1；當(dāng)x<0時，H(x)=0。

圖6 循環(huán)硬化速率與加載應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線

Fig.6 Relationship between cycle hardening rate and load strain amplitude

3.2 多級對稱應(yīng)變循環(huán)加載條件下材料性能研究

圖7給出了兩組試驗中響應(yīng)應(yīng)力幅值隨循環(huán)周次的變化曲線。從圖中可以看出，未經(jīng)歷應(yīng)變循環(huán)歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨循環(huán)周次的增加而增大，表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象；經(jīng)歷先前較小的應(yīng)變歷史，后續(xù)加載應(yīng)變逐級增加會使材料繼續(xù)產(chǎn)生循環(huán)硬化，而經(jīng)歷先前較大應(yīng)變歷史，后續(xù)加載應(yīng)變逐級減小會使其響應(yīng)應(yīng)力幅值減小材料呈現(xiàn)出軟化現(xiàn)象。但比較經(jīng)歷了先前大應(yīng)變歷史以后，后續(xù)0.6%和0.4%循環(huán)時的響應(yīng)應(yīng)力幅值比未經(jīng)歷應(yīng)變歷史或經(jīng)歷較小應(yīng)變歷史條件下的相應(yīng)的響應(yīng)應(yīng)力幅值有所增加。因此，對于受多級循環(huán)載荷作用的設(shè)備本體結(jié)構(gòu)來說，在使用時可以通過先施加相對較大的載荷，然后再按要求施加工作載荷，人為提高其承載能力，以此來保護(hù)設(shè)備。

在應(yīng)變載荷變化的初始50個循環(huán)周次內(nèi)，ZG270-500的循環(huán)硬化和軟化速率都較大，在50周以后逐漸穩(wěn)定于非零的常值。循環(huán)硬化速率穩(wěn)定值和循環(huán)軟化速率穩(wěn)定值如表4所示。

圖7 響應(yīng)應(yīng)力幅值與循環(huán)周次曲線

Fig.7 Response stress amplitude and cycle curve

表4 循環(huán)硬化速率和循環(huán)軟化速率穩(wěn)定值

Tab.4 Stable values of cyclic hardening rate and cyclic softening rateMPa/C

應(yīng)變幅值/%無加載歷史應(yīng)變幅值逐級減小應(yīng)變幅值逐級增大0.30.008 9-0.001 10.008 90.40.021-0.002 40.0310.60.0300.0300.042

分析表4中數(shù)據(jù)可以看出，在多級應(yīng)變循環(huán)加載試驗中，較大的應(yīng)變幅值加載歷史改變了后續(xù)較小應(yīng)變幅值下材料的循環(huán)硬化行為；在應(yīng)變幅值逐級增大的試驗中，有加載歷史的比相同應(yīng)變幅無加載歷史的循環(huán)硬化速率的穩(wěn)定值有明顯的增大，前期較小的應(yīng)變幅值加載歷史對后期較大應(yīng)變幅值下的循環(huán)硬化速率穩(wěn)定值具有提升作用。

3.3 對稱應(yīng)變下材料包申格效應(yīng)研究

金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量的塑性變形后，卸載再同向加載，規(guī)定殘余應(yīng)力增加；反向加載，規(guī)定殘余應(yīng)力降低的現(xiàn)象，稱為材料的包申格效應(yīng)[16]。引入包申格應(yīng)力參數(shù)對包申格效應(yīng)的大小進(jìn)行表征[17]，其表達(dá)式為

(3)

其中，σs,i是表示第i個加載分支時對應(yīng)的屈服應(yīng)力。當(dāng)B>0時，材料表現(xiàn)出包申格效應(yīng)；并且B越大，材料的包申格效應(yīng)越明顯。

各循環(huán)周次內(nèi)的屈服應(yīng)力均取σ0.2時對應(yīng)的應(yīng)力值，如圖8所示。并依據(jù)式3計算出ZG270-500在不同拉壓條件下的包申格系數(shù)。不同應(yīng)變下ZG270-500鋼材的包申格系數(shù)如表5所示。

圖8 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖

Fig.8 Schematic diagram of cyclic stress-strain curve

表5 ZG270-500鋼棒材在不同應(yīng)變幅值下的包申格系數(shù)

Tab.5 Bauschinger coefficient of ZG270-500 steel bar under different strain amplitude conditions

應(yīng)變幅值/%第一次拉壓變載第一次壓拉變載0.40.520.050.60.210.030.80.020.007

由表5可以得出，ZG270-500鋼在所有應(yīng)變幅值情況下B>0，即材料表現(xiàn)出包申格效應(yīng)。在同一應(yīng)變幅值下加載時的包申格系數(shù)均大于反載時的包申格系數(shù)，即加載時的包申格效應(yīng)大于反載時的包申格效應(yīng)。應(yīng)變幅值越大，加載和反載的過程中包申格系數(shù)逐漸減小即包申格效應(yīng)越不明顯。

4 結(jié)論

通過對ZG270-500進(jìn)行小應(yīng)變控制下的循環(huán)加載試驗，在試驗條件范圍內(nèi)，得出以下結(jié)論：

1)在室溫下的單向拉伸試驗中，ZG270-500鋼出現(xiàn)類平臺區(qū)，平臺區(qū)應(yīng)變范圍0.27%～0.61%。

2)ZG270-500表現(xiàn)出較明顯的循環(huán)硬化現(xiàn)象，循環(huán)硬化速率與加載應(yīng)變幅值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

3)在多級應(yīng)變循環(huán)加載時，前期較大的應(yīng)變加載歷史可以提高后期較小應(yīng)變載荷下的響應(yīng)應(yīng)力幅值，即提高了后續(xù)的承載能力，對工作在此類條件下的設(shè)備使用具有指導(dǎo)意義。

4)在小變形量對稱應(yīng)變控制的循環(huán)加載情況下，ZG270-500表現(xiàn)出包申格效應(yīng)，且隨應(yīng)變載荷的增加而減弱。