姜麗華，賴運(yùn)金，劉曉梅，張利軍

(1．陜西省航空材料工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018;2．西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，西安710016)

0 引言

16Mn鋼由于具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性，因而被廣泛用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，如建筑工程、壓力容器、橋梁等．16Mn鋼和其他鋼一樣，在鋼的冶煉和澆鑄過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜物主要是鐵、錳、鉻、鋁、鈦等金屬元素與氧、硫、氮等形成的化合物［1－2］．16Mn鋼在實(shí)際的使用過(guò)程中，常常需要經(jīng)歷熱處理，其作用是提高16Mn鋼的機(jī)械性能、消除殘余應(yīng)力和改善金屬加工的切削性能．鋼中的夾雜物對(duì)鋼的力學(xué)影響十分巨大［3］．MnS夾雜物為鋼中的主要夾雜物［4－6］，在鋼材的實(shí)際使用過(guò)程中，MnS夾雜物容易與基體產(chǎn)生剝離，從而破壞鋼基體的均勻連續(xù)性，造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，并在一定條件下加速了裂紋的擴(kuò)展速率，因而加速了工程結(jié)構(gòu)破壞的過(guò)程．熱處理通過(guò)改變16Mn鋼的微觀組織從而對(duì)16Mn鋼的力學(xué)性能，如在拉伸載荷作用下MnS夾雜物的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)分布產(chǎn)生影響［7－9］．近幾年，隨著有限元軟件分析方法的發(fā)展和完善，ABAQUS有限元分析方法被推廣應(yīng)用到金屬材料加載過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變模擬與預(yù)測(cè)．然而，當(dāng)前采用ABAQUS有限元軟件對(duì)鋼中夾雜物在拉伸載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布模擬方面的研究非常少．

本文基于ABAQUS有限元分析方法，對(duì)兩種熱處理工藝下的16Mn鋼中MnS夾雜物在拉伸載荷作用下其應(yīng)力和應(yīng)變分布進(jìn)行模擬，以預(yù)測(cè)16Mn熱軋鋼的晶粒尺寸大小對(duì)MnS夾雜物引起的應(yīng)力和應(yīng)變集中程度的影響，為工程化應(yīng)用過(guò)程中16Mn鋼的熱處理工藝方案的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)．

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本研究所使用材料為16Mn熱軋鋼，其化學(xué)成分如表1所示．該批16Mn鋼原始組織為條帶狀鐵素體加珠光體并具有較多的長(zhǎng)條形MnS夾雜物．

本研究對(duì)16Mn鋼采取兩種不同的熱處理工藝，具體如表2所示．由表2可見(jiàn)，兩種熱處理工藝均得到鐵素體和珠光體組織，只是材料B(16Mn鋼950℃保溫7 h，爐冷)的鐵素體晶粒平均尺寸約為材料A(900℃保溫2 h，空冷)鐵素體晶粒平均尺寸的2倍．將A、B兩種材料的拉伸試樣在SHIMADZU AG－10TA萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為1 mm/min．試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄加載時(shí)的載荷—位移曲線，而后將其轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力 真應(yīng)變曲線

表1 16Mn鋼化學(xué)成分(wt%)

表2 16Mn鋼的熱處理工藝及顯微組織

2 有限元模擬

創(chuàng)建部件:在ABAQUSCAE軟件［10－11］中構(gòu)建了單個(gè)人造半橢球體MnS夾雜物(長(zhǎng)軸為50μm，短軸為30μm)三維實(shí)體模型．

創(chuàng)建材料屬性:在本次有限元模擬分析中，將拉伸試驗(yàn)得到的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線進(jìn)行離散化后作為有限元模擬時(shí)采用的材料參數(shù)．

定義邊界條件和載荷:邊界和載荷條件示意圖如圖1所示，即模型的左端面沿X方向的位移固定為0，沿Y和Z方向則自由移動(dòng)．在模型的右端面施加了一個(gè)單軸均勻拉伸應(yīng)力300 MPa．加載方向平行于MnS夾雜物的長(zhǎng)軸(X方向)．

圖1 有限元模型的邊界條件和載荷

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分:有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示．采用的是20節(jié)點(diǎn)的二次減縮積分的六面體單元(C3D20R)，網(wǎng)格單元尺寸為2μm．

后處理:有限元模擬輸出結(jié)果為整體和沿特定路徑的應(yīng)力—應(yīng)變圖．

3 結(jié)果分析和討論

3．1 整體應(yīng)力和應(yīng)變圖

兩種熱處理工藝下16Mn鋼中同尺寸的MnS夾雜物整體應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D3和圖4所示．

由圖3和圖4可以清楚地看出，兩種熱處理工藝下的16Mn鋼中MnS夾雜物的整體應(yīng)力和應(yīng)變分布相似，在長(zhǎng)條形MnS夾雜物附近存在著垂直于加載方向的X形狀的Mises應(yīng)力和PEEQ集中區(qū)．在MnS夾雜物長(zhǎng)軸的兩個(gè)端點(diǎn)附近存在應(yīng)力釋放區(qū)．這一點(diǎn)與Turnbull研究結(jié)果類似．［12］從整體來(lái)看，材料A(900℃保溫2 h，空冷)中MnS夾雜物引起的應(yīng)力和應(yīng)變集中程度要明顯大于材料B(950℃保溫7 h，爐冷)中MnS夾雜物引起的應(yīng)力和應(yīng)變集中．

3．2 沿特定路徑上應(yīng)力應(yīng)變曲線

在圖3和圖4的MnS夾雜物整體應(yīng)力和應(yīng)變圖中沿X軸路徑取出應(yīng)力和應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖5和圖6所示．

圖3 材料A(900℃保溫2 h，空冷)的MnS夾雜物

圖4 材料B(950℃保溫7 h，爐冷)的MnS夾雜物

由圖5可見(jiàn)，不論是材料A，還是材料B中的MnS夾雜物沿X軸路徑的應(yīng)力曲線基本相似．在沿X軸的路徑上，MnS夾雜物應(yīng)力以短軸為中心對(duì)稱分布．在MnS夾雜物長(zhǎng)軸嘴處(A點(diǎn)和B點(diǎn))的應(yīng)力最低，而在MnS夾雜物內(nèi)，隨著離開(kāi)長(zhǎng)軸嘴點(diǎn)距離的增加，其應(yīng)力值迅速增加．材料A中的MnS夾雜物長(zhǎng)軸和短軸中心處的應(yīng)力達(dá)到最大值，而材料B中的MnS夾雜物在接近長(zhǎng)軸和短軸中心附近趨向于飽和．從應(yīng)力大小來(lái)看，材料A中的MnS夾雜物沿X軸方向的應(yīng)力值明顯大于材料B的相應(yīng)值．如材料A中的MnS夾雜物沿X軸方向的最大應(yīng)力值為453．3 MPa，而材料B中的相應(yīng)值僅為375．2 MPa，前者是后者的1．21倍．

圖5 MnS夾雜物沿X軸路徑的應(yīng)力曲線

圖6 MnS夾雜物沿X軸路徑的應(yīng)變曲線

由圖6可見(jiàn)，不論是材料A，還是材料B的MnS夾雜物沿X軸路徑的應(yīng)變曲線也基本相似．在MnS夾雜物外，隨著距離MnS長(zhǎng)軸嘴的變小，其應(yīng)變值迅速增加．而在MnS夾雜物內(nèi)，沿X方向的應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定．類似地，從大小來(lái)看，材料A的MnS夾雜物沿X軸方向的應(yīng)變值明顯大于材料B的相應(yīng)值．如材料A的MnS夾雜物沿X軸方向的最大應(yīng)變值為7．51%，而材料B中的相應(yīng)值僅為0．26%，前者是后者的28．9 倍．

由此可見(jiàn)，在同一加載條件下，材料A中MnS夾雜物的應(yīng)力和應(yīng)變集中程度均明顯高于材料B．加載過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變值越大，則基體材料越容易萌生微裂紋，在后續(xù)加載過(guò)程中，這些微裂紋也越容易長(zhǎng)大、匯合形成宏觀裂紋．宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度持續(xù)降低，最終失去承載能力，結(jié)構(gòu)完全被破壞．因此在同一加載條件下，材料A(900℃保溫2 h，空冷)比材料B(16Mn鋼950℃保溫7 h，爐冷)更容易產(chǎn)生裂紋 從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命 其原因可能為材料 在熱處理結(jié)束后 其鐵素體晶粒尺寸明顯小于材料B的鐵素體晶粒尺寸．眾所周知，細(xì)晶(材料A)與粗晶(材料B)相比，具有強(qiáng)化效應(yīng)．

4 結(jié)論

(1)900℃保溫2 h空冷和950℃保溫7 h爐冷兩種熱處理工藝下的16Mn鋼中MnS夾雜物的整體應(yīng)力和應(yīng)變分布相似，在長(zhǎng)條形MnS夾雜物附近存在著垂直于加載方向的X形狀的Mises應(yīng)力和PEEQ集中區(qū)．

(2)無(wú)論從整體還是特定路徑(沿X軸方向)來(lái)看，細(xì)晶材料A中MnS引起的應(yīng)力和應(yīng)變集中程度要明顯大于粗晶材料B中MnS引起的應(yīng)力和應(yīng)變集中．這會(huì)導(dǎo)致在同一加載條件下，材料A比材料B更容易產(chǎn)生裂紋，從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，其原因與細(xì)晶強(qiáng)化有關(guān)．

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