吳志煜,李 靜,鄭曉蘭,陳海濱,王時越
(1.云南省計量測試技術(shù)研究院,云南 昆明 650228; 2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650500)
35CrMo鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,是工業(yè)生產(chǎn)特別是汽車行業(yè)中常用的一種合金結(jié)構(gòu)鋼。由于其在加工成型及使用過程中會有不同程度的拉伸預(yù)應(yīng)變過載,例如汽車傳動軸、剎車制動桿等在啟動及停機的瞬間,這些構(gòu)件往往會產(chǎn)生拉伸預(yù)應(yīng)變過載,這些過載會對材料的力學(xué)性能帶來一定的影響。目前,已有許多科研工作者研究了預(yù)應(yīng)變或過載對材料力學(xué)性能的影響,如胡漢生等[1]研究了預(yù)應(yīng)變對TRIP鋼力學(xué)性能及硬化行為的影響,曾宇卓等[2]研究了拉伸預(yù)應(yīng)變對TRIP鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。
為了進一步研究拉伸預(yù)應(yīng)變及過載對35CrMo鋼扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能的影響,本文將試件分別預(yù)拉伸至不同的應(yīng)變,在ND-2000C微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機上進行扭轉(zhuǎn)試驗[3]并比較不同預(yù)拉伸應(yīng)變對其扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能的影響,以便為工業(yè)機械設(shè)計、檢測等相關(guān)部門提供參考。
試驗所用材料為35CrMo鋼,無熱處理,由西寧特殊鋼股份有限公司生產(chǎn),其化學(xué)成分如表1所示。
表1 35CrMo鋼化學(xué)成分(%)
參照GB/T 10128-2007對試件尺寸的要求,本試驗試件尺寸如圖1所示。
圖1 試件尺寸
試件先在MTS810材料試驗機上進行預(yù)拉伸變形,預(yù)應(yīng)變?yōu)?%、2%、3%、4%、5%,使試件產(chǎn)生塑性變形,然后再在ND-2000C微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機上做扭轉(zhuǎn)試驗,直至試件扭斷,每一種預(yù)拉伸應(yīng)變下各3根試件。試驗時轉(zhuǎn)速為60°/min,試驗的采樣頻率為10Hz。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)點繪制扭轉(zhuǎn)試驗的扭矩-轉(zhuǎn)角即Me-φ曲線,比較不同預(yù)拉伸應(yīng)變下試件剪切屈服強度和抗扭強度的變化。
先將試件在MTS810材料試驗機上進行預(yù)拉伸,其預(yù)拉伸應(yīng)變及對應(yīng)的載荷見表2。
表2 試件的拉伸預(yù)應(yīng)變數(shù)值
試件在預(yù)拉伸應(yīng)變作用下發(fā)生塑性變形,試件的標距增加,根據(jù)體積不變原理可知,試件橫截面直徑將變小,這與表2中測得的結(jié)果一致。
將預(yù)拉伸試件在ND-2000C微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機上進行扭轉(zhuǎn)試驗,根據(jù)采集的扭矩-轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)繪制Me-φ曲線,如圖2所示。
圖2 不同預(yù)拉伸應(yīng)變下試件的Me-φ曲線
由圖2可以看出,35CrMo鋼試件經(jīng)預(yù)拉伸后,其能夠承受最大扭矩即承載能力有所下降,且隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而逐漸下降;扭轉(zhuǎn)角φ變化不大,也就是說,預(yù)拉伸對試件的切應(yīng)變影響不大。
由圖2可以看出,35CrMo鋼試件扭矩-轉(zhuǎn)角曲線沒有明顯的屈服平臺,按照文獻[4]中剪切屈服扭轉(zhuǎn)角的計算方法來確定試件屈服時對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φs,用下式計算:
(1)
式中,φp為比例切應(yīng)力τp對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角,也就是Me-φ曲線中直線與曲線過渡區(qū)所對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角;l0為試件工作部分的標距;d0為試件工作部分的直徑。
從式(1)可以看出,試件扭轉(zhuǎn)試驗中橫截面最外層開始屈服時對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φs等于Me-φ曲線中直線與曲線過渡區(qū)所對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φp再加上0.006l0/d0,與屈服扭轉(zhuǎn)角φs對應(yīng)的扭矩即為屈服扭矩Ms。
為了試驗結(jié)果相互之間的可比性,根據(jù)中華人民共和國國家標準GB/T 10128-2007規(guī)定,金屬材料扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度τs和抗扭強度τb采用下式計算:
(2)
根據(jù)上述分析,可以求出35CrMo鋼試件不同預(yù)拉伸強化后再扭轉(zhuǎn)試驗中的屈服扭矩Ms、屈服強度τs、最大扭矩Mb和抗扭強度τb,其值如表3所示。
表3 不同預(yù)拉伸應(yīng)變下試件的屈服強度和抗扭強度
從表3可以看出,35CrMo鋼試件經(jīng)預(yù)拉伸強化后再扭轉(zhuǎn),其屈服扭矩Ms和剪切屈服強度τs比沒有預(yù)拉伸強化試件的數(shù)值均有提高,且在本試驗中隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而增加,但預(yù)拉伸強化試件的抗扭強度τb的變化幅度很小。文獻[5,6]研究了907A鋼在拉伸-扭轉(zhuǎn)作用下的力學(xué)性能,結(jié)果和本試驗中的現(xiàn)象一致,且預(yù)拉伸應(yīng)變到達一定程度后試件的剪切屈服強度不再提高,即試件的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能將不受預(yù)拉伸強化的影響。因此,在工程實際應(yīng)用中,根據(jù)對35CrMo鋼材料的扭轉(zhuǎn)承載能力的要求,選擇合適的預(yù)拉伸應(yīng)變(低于試件抗拉強度對應(yīng)的應(yīng)變)對材料進行預(yù)拉伸強化,提高材料的使用價值。
Tresca和Mises屈服條件[7]認為材料的靜載拉伸屈服強度σs與扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度τs之間的關(guān)系為:
τs/σs=0.5
(3)
(4)
式(3)為Tresca屈服條件;式(4)為Mises屈服條件。
用試件(無拉伸預(yù)應(yīng)變)進行單一拉伸試驗,其靜載拉伸屈服強度σs=540.86MPa,可得無拉伸預(yù)應(yīng)變試件剪切屈服強度τs=317.85MPa,表4列出了由上述方法求出的扭轉(zhuǎn)剪切屈服條件與Tresca和Mises屈服條件的比較。
表4 不同扭轉(zhuǎn)剪切屈服條件的比較
從表4可以看出,本試驗采用確定扭轉(zhuǎn)剪切屈服條件的方法與Mises屈服條件很接近,誤差很小。因此,可以通過靜載拉伸屈服強度和Mises屈服條件來近似地計算其扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度。
(1)試件經(jīng)預(yù)拉伸后,其能夠承受的最大扭矩即承載能力有所下降,且隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而逐漸下降,而扭轉(zhuǎn)角變化不大。
(2)預(yù)拉伸強化可以提高試件扭轉(zhuǎn)時的剪切屈服強度,且隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而逐漸增大,但對試件抗扭強度的影響很小。
(3)可通過試件的靜載拉伸屈服強度和Mises屈服條件來近似地計算其扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度。