徐 東，朱苗勇，唐正友，王壯飛，張素萍，姜 濤

1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司，河北 邢臺 054027）

SCM 435鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)研究

徐 東1，朱苗勇1，唐正友1，王壯飛1，張素萍2，姜 濤1

1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819;2.邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司，河北 邢臺 054027）

用拉伸法研究了SCM435鋼的室溫變形，拉伸結(jié)果顯示SCM435鋼的塑性較好，斷口為典型的杯錐狀斷口.在拉伸法測得SCM435鋼的拉伸曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，求解出SCM435鋼真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線，分別回歸得到彈性階段及塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變模型，得到SCM435鋼的彈塑性參數(shù)及最大均勻塑性變形點(diǎn)，得出形成頸縮的條件，求解出SCM435鋼的應(yīng)變應(yīng)力與斷面收縮率之間的關(guān)系.

拉伸實(shí)驗(yàn);SCM435鋼;應(yīng)力－應(yīng)變;彈塑性

SCM435鋼是一種典型的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，由于碳和鉻的含量增高，它的淬透性較好，調(diào)質(zhì)后具有較強(qiáng)的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，且無明顯的回火脆性.汽車用12.9級高強(qiáng)、超高強(qiáng)級別的螺栓基本上以SCM435冷鐓鋼鋼種系列為主，國內(nèi)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)用鋼一直依賴日本進(jìn)口，屬于有特殊要求的高級冷鐓鋼［1］.

以往的研究者多是利用已知文獻(xiàn)或熱模擬儀測出應(yīng)力應(yīng)變曲線，代入有限元中，以研究塑性變形過程［2］、本構(gòu)模型的建立［3］、動(dòng)靜態(tài)再結(jié)晶過程［4］等，而對于彈性和塑性的變形過程、真應(yīng)力應(yīng)變的取值范圍、最大均勻塑性變形點(diǎn)的求導(dǎo)，特別是頸縮對應(yīng)力應(yīng)變和橫截面收縮率的影響等，較少進(jìn)行深入的討論和分析.對SCM435鋼而言，以往的研究者［5－7］進(jìn)行了很多方面的研究，但是也很少涉及彈性和塑性變形過程的詳細(xì)求解.本文使用拉伸法研究SCM435鋼的室溫變形，得到了SCM435鋼的斷口形貌.并在拉伸法測得SCM435鋼的拉伸曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)分析求解出SCM435鋼真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線，分別回歸了彈性階段及塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變模型，求出了SCM435鋼的彈塑性參數(shù)，研究了頸縮對應(yīng)力應(yīng)變?nèi)≈档南拗疲⑶蠼獬隽薙CM435鋼的最大均勻塑性變形點(diǎn)，并推導(dǎo)出不受頸縮影響的應(yīng)變應(yīng)力與斷面收縮率之間的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)材料

試樣采用工業(yè)生產(chǎn)的SCM435熱軋線材，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 SCM435鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table1 Chem ica l com position（mass fraction）of SCM435 steel %

2 拉伸曲線的測試

拉伸試樣尺寸按標(biāo)準(zhǔn)樣加工，具體尺寸如圖1所示.試樣按GB/T228－2002標(biāo)準(zhǔn)，保持溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度恒定.此外，試樣表面光滑以避免因缺口而造成的應(yīng)力集中，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中夾緊試樣時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證試樣軸線方向與載荷方向一致，不能傾斜或產(chǎn)生偏心.實(shí)驗(yàn)在大氣壓力及室溫下進(jìn)行，夾頭移動(dòng)速率為2 mm/min.

圖1 拉伸試樣尺寸（mm）Fig.1 Size of tensile samples

3 SCM435鋼的彈塑性計(jì)算

3.1 SCM435鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

拉伸實(shí)驗(yàn)共有3組試樣，拉伸結(jié)果相近，圖2為其中一組拉伸試樣的頸縮照片，表明試樣在拉伸的過程中存在明顯的頸縮現(xiàn)象，塑性變形較好.

圖2 拉伸試樣的頸縮Fig.2 The necking of tensile samp le

圖3（a）為拉伸試樣斷口掃描電鏡低倍形貌，可以看出，斷口為典型的杯錐狀斷口，中心區(qū)為杯部，中心所示區(qū)域具有纖維狀特征，為韌性斷口的宏觀形貌.由于材料韌性好，故斷口三要素中無放射區(qū)出現(xiàn).

圖3（b）為斷口邊部的高倍形貌.從圖3（b）可以看出，該區(qū)為在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的快速斷裂，微觀形貌為呈方向性的拉長韌窩.

圖3 試驗(yàn)樣拉伸斷口的掃描照片F(xiàn)ig.3 Fracture scanning photos of the test sam ple

圖3（c）為斷口中心區(qū)的高倍形貌，可以看出，中心斷口形貌為等軸狀韌窩，纖維區(qū)是在正應(yīng)力作用下塑性變形.以微孔聚集并長大的機(jī)理發(fā)生斷裂，未發(fā)現(xiàn)夾雜導(dǎo)致斷裂，斷口微觀上均為等軸韌窩.

在拉伸過程中，測得拉力－伸長量關(guān)系曲線，由于工程應(yīng)力σ=F/A0，即載荷F除以原始截面積A0，工程應(yīng)變ε=Δl/l0，即伸長量Δl除以原始標(biāo)距l(xiāng)0，因此可以轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線.圖4（a）為拉伸過程中的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖4（b）為拉伸過程中的真應(yīng)力應(yīng)變曲線.

圖4 拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Curve of stress－strain in tensile process

在實(shí)際過程中的應(yīng)力應(yīng)變要進(jìn)行修正，轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力－真應(yīng)變.考慮塑性變形的不可壓縮性，且變形為均勻塑性變形時(shí)，根據(jù)體積不變，當(dāng)前面積與原始面積的關(guān)系為l0A0=lA.真實(shí)應(yīng)力為S=F/A，即載荷除以瞬時(shí)截面積A，將A的定義代入到真實(shí)應(yīng)力的定義式中，得到真實(shí)應(yīng)力與工程應(yīng)力間的關(guān)系為

真實(shí)應(yīng)變和工程應(yīng)變間的關(guān)系推導(dǎo)如下:

3.2 彈性變形階段

理想的彈性變形是可逆變形，加載時(shí)變形，卸載時(shí)變形消失并恢復(fù)原狀，因此，只要在彈性變形的范圍內(nèi)，其應(yīng)力應(yīng)變都保持單值線性函數(shù)關(guān)系，即服從胡克定律:

式中，S為正應(yīng)力，E為彈性模量，e為真應(yīng)變.

SCM435鋼的回歸曲線如圖5所示.可以看出，SCM435鋼比例極限為341.77 MPa，對應(yīng)的真應(yīng)變?yōu)?.214%，從回歸方程的系數(shù)可以得到其彈性模量E為162.77 GPa.彈性模量與切變模量、體彈性模量之間的關(guān)系［8］為

式中，G為切變模量;K為體彈性模量;ν為泊松比，表示材料側(cè)向收縮的能力，大多數(shù)的鋼的泊松比 ν在0.26～0.33之間［8］.

根據(jù) SCM435鋼的室溫泊松比［9］為0.286，可以算出切變模量G為113.98 GPa;體彈性模量K 為128.05 GPa.

圖5 彈性過程中的應(yīng)力應(yīng)變及回歸曲線Fig.5 Curve of stress-strain and regression curve in elastic process

3.3 塑性變形階段

隨著進(jìn)一步的變形，金屬開始由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危惝a(chǎn)生了屈服，如圖4所示，SCM435鋼沒有出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，根據(jù)國標(biāo)［10］采用非比例延伸率Rp=0.2%時(shí)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，SCM435鋼的屈服應(yīng)力Rp0.2=605 MPa，對于均勻塑性變形階段的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線有很多公式可以擬合，其中 Hollomon公式［11］對金屬拉伸均勻塑性變形階段符合得較好，本文采用Hollomon公式對SCM435鋼進(jìn)行擬合.

式中:S為真應(yīng)力，MPa;e為真應(yīng)變，%;K為硬化系數(shù);n為應(yīng)變硬化指數(shù)，反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力.金屬材料的n值的大小與層錯(cuò)能的高低有關(guān).層錯(cuò)能低的n值就大，層錯(cuò)能高的n值就小.

對式（5）兩邊取對數(shù)，其Hollomon公式擬合的結(jié)果如圖6所示，硬化系數(shù)K為705.5，應(yīng)變硬化指數(shù)n為0.15907.從圖6可以看出，當(dāng)應(yīng)變值較小時(shí)，由于彈性變形階段的硬化系數(shù)為1，這時(shí)受彈性變形影響較大.該硬化系數(shù)和硬化指數(shù)與實(shí)測值有一定的偏差，達(dá)到拉力最大值時(shí)，即要發(fā)生頸縮時(shí)，開始了不均勻變形，擬合曲線開始再次偏離實(shí)測值.

拉伸樣的斷后標(biāo)距為28.3 mm，斷后直徑為3.4 mm，可以得到斷后伸長率δ為13.2%，斷面收縮率ψ為53.8%.

圖6 塑性過程中的應(yīng)力應(yīng)變及回歸曲線Fig.6 Curve of stress-strain andregression curve in plastic process

3.4 最大均勻塑性變形點(diǎn)

在拉伸過程中，隨著伸長量的增加，將發(fā)生局部塑性變形，形成頸縮，出現(xiàn)不均勻塑性變形，也意味著失效.因此，確定和提高材料的最大塑性應(yīng)變量具有重要的意義.利用真應(yīng)力、真應(yīng)變定義和Hollomon公式，可以計(jì)算材料的最大均勻塑性應(yīng)變量.

在試樣變形的瞬間，由F=AS對伸長求導(dǎo)得

3.5 截面變化率的求解

在拉伸的過程中，隨著伸長率的不斷增加，其標(biāo)距的橫截面不斷縮?。?2］，在頸縮產(chǎn)生之前，

根據(jù)體積不變條件及式（3），可以得到應(yīng)變與橫截面變化率之間的關(guān)系［9］，即

將式（10）代入式（3）及式（5）可得，在彈性變形區(qū)與塑性變形區(qū)，應(yīng)力與橫截面變化率之間的關(guān)系式，根據(jù)式（10）可求出應(yīng)力與橫截面變化率之間的關(guān)系，其曲線圖如圖7所示.

圖7 真應(yīng)力－橫截面變化率曲線Fig.7 Curve of true stress-shrinkage ratio of cross-section

頸縮生產(chǎn)后，Hollomon公式已不再適用，但真應(yīng)變與橫截面收縮率關(guān)系仍然滿足式（10），由于斷面直徑不容易隨時(shí)測量，導(dǎo)致無法知道從頸縮到斷裂這段的真實(shí)塑性變化，只能通過斷后測量直徑來求其真實(shí)極限塑性.因此對于真實(shí)極限塑性ef，仍然可以通過斷面收縮率Ψ求得.

4 結(jié)論

（1）SCM435鋼主要以塑性變形為主，斷口為典型的杯錐狀斷口，并形成頸縮，中心斷口形貌為等軸狀韌窩，為韌性斷口的宏觀形貌，邊部呈方向性的拉長韌窩;

（2）SCM435鋼彈塑性變形分別服從胡克定律及Hollomon公式，并分別求解回歸出了一系列彈塑性參數(shù);

（3）推導(dǎo)出SCM435鋼的最大均勻變形點(diǎn)，最大均勻真塑性應(yīng)變?yōu)?2.4%，從而明確了拉伸法得到真應(yīng)力應(yīng)變的取值范圍，并推導(dǎo)出SCM435鋼截面變化率與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系.

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Tensile experiment research of SCM 435 steel

XU Dong1，ZHUMiao-yong1，TANG Zheng-you1，WANG Zhuang-fei1，ZHUANG Su-ping2，JIANG Tao1
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Xingtai Iron and Steel Company Limited，Xingtai054027，China）

The tensile test was applied to research room temperature deformation of SCM435 steel.Tensile results show that plastic of SCM435 steel is good，and the fracturemorphology is typical cup cone fracture.On the tensile test of the SCM435 steel，the real stress － strain curve was calculated through the data analysis.The stress-strain models for the elastic and plastic stages were established.The elastic-plastic parameters，the biggest even plastic deformation point and the conditions of necking forming were obtained.Relationship between stress-strain and cross-section shrinkage percentage was determined by the data analysis.

tensile test;SCM435 steel;stress-strain;elastoplasticity

TG 142

A

1671-6620（2012）03-0192-05

2012－06－14.

徐東 （1984—），男，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:xudong_xyz@163.com;朱苗勇 （1965—），男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.