奥氏体不锈钢塑性变形过程中的应力分布_付殿禹.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023奥氏体不锈钢塑性变形过程中的应力分布付殿禹1,蒋 鹏1,孙 勇1,凌云汉1,孙伟领1,邓晓婷2(1.中国机械总院集团北京机电研究所有限公司,北京 100083;2.沈阳理工大学 材料科学与工程学院,辽宁 沈阳 110168)摘要:为了研究奥氏体不锈钢形变后的应力分布规律,以及与马氏体相变行为的关系,对形变后的奥氏体不锈钢板材进行残余应力测试分析,并在相应变形区域进行组织观测。测试中,对奥氏体不锈钢板材进行了单向拉伸试验,并采用无损检测法 X 射线衍射(XRD)对不同变形条件下的应力值进行分析;最后,通过有限元模拟进行验证分析,得到了不同变形条件下的应力分布规律。结果表明,变形程度、变形温度、组织相变等因素均对变形后的应力分布规律有一定的影响;随着拉伸载荷的增加,变形复杂度增加,残余应力分布不均匀性增加,测得的应力值增大;随着温度升高,材料本身组织变化,应力值随之减小。关键词:不锈钢;应力分布;组织相变;变形程度;变形温度DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.035中图分类号:TG113 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0255-06Stress distribution on austenitic stainless steel during plastic deformationFu Dianyu1,Jiang Peng1,Sun Yong1,Ling Yunhan1,Sun Weiling1,Deng Xiaoting2(1.Beijing Mechanical and Electrical Research Institute Co.,Ltd.CAM,Beijing 100083,China;2.Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China)Abstract:In order to study the stress distribution laws of austenitic stainless steel after deformation and the relationship with martensitic transformation behavior,the residual stress of deformed austenitic stainless steel plate was measured and analyzed,and the microstructure was observed in the corresponding deformation area.During the test,the uniaxial tensile test of austenitic stainless steel plate was carried out,and the stress values under different deformation conditions were analyzed by non-destructive testing method of X-ray diffraction(XRD).Finally,the verification analysis was carried out by finite element simulation,and the stress distribution laws under different de-formation conditions were obtained.The results show that the deformation degree,deformation temperature,microstructure phase transition and other factors have certain influence on the stress distribution laws after deformation.Furthermore,with the increasing of tensile load,the deformation complexity increases,the unevenness of residual stress distribution increases,and the measured stress value increases.In addition,with the increasing of temperature,the microstructure of the material itself changes,and the stress value decreases.Key words:stainless steel;stress distribution;organization phase transition;deformation degree;deformation temperature收稿日期:2022-05-17;修订日期:2022-08-24作者简介:付殿禹(1978-),男,博士,工程师E-mail:romhand_fdy 通信作者:蒋 鹏(1964-),男,博士,研究员级高级工程师E-mail:jp1964 在材料加工行业,构件成形精准度的要求与标准越来越高。在加工过程中,构件变形后内部对应存在的残余应力会在装配以及日后的使用过程中,起着至关重要的作用。在实际应用中,该应力的出现使构件在成形后的一段时间内出现起皱、开裂和滞后变形等工艺缺陷1-5。然而在成形后的自然释放过程中,应力的释放也会影响工件精度并降低构件的使用性能6。所以,变形后应力的出现是引起材料疲劳断裂、失稳破坏和变形的主要原因。而对于实际应用中的构件来说,如果存在这些缺陷,则会造成很大的损失7-9。为了避免应力所带来的弊端,有效利用其积极作用,研究成形后残余应力的分布和控制有着非常重要的意义。本文主要研究奥氏体不锈钢在成形后的残余应力分布,揭示变形后应力分布的影响因素,从而找到有效的控制方法。通过试验测试和模拟验证的研究方法,得到更加准确的分布规律。1 试验方法本文以 AISI304 奥氏体不锈钢为研究对象,该材料的化学成分如表 1 所示。表 1 304 不锈钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 304 stainless steel(%,mass fraction)CMnPCuSSiNiCrFe0.051.120.0340.1120.0010.478.0818.3余量1.1 拉伸试验在室温以及 150 下进行单向拉伸试验,初始应变速率为 0.001 s-1。拉伸试样的形状和尺寸如图1 所示。拉伸载荷分别选取为 450、350 和 250 MPa。图 1 拉伸试样尺寸Fig.1 Dimensions of tensile specimen图 2 为通过试验测试得到的 304 不锈钢的应力-应变曲线,测得屈服强度为 350 MPa,抗拉强度为680 MPa,选定测试载荷值为 250、350 和 450 MPa来分别进行试验。图 2 304 不锈钢的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of 304 stainless steel1.2 残余应力测试1.2.1 测试原理X 射线衍射方法技术成熟,应用广泛,其主要优点是能够实现无损检测,且测量速度快、测量精度高。所以,选择 X 射线衍射方法作为应力测试的一种无损方法,其原理为:对于理想的晶体,不同方位的同族间距是相同的。当存在残余应力时,不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位即应力大小发生有规律的变化,从而使 X 射线衍射谱线发生位偏移,根据位偏移的大小可计算出残余应力。X 射线衍射的依据是布拉格方程,X 射线衍射不同于晶面反射,X 射线仅在特定的晶面进行反射,所以,在这个晶面间距有变化时能够检测出来。如图 3 所示,入射线入射时,会在广衍射晶面上进行衍射,产生衍射线 C。=E2(1+v)180cot02sin2(1)式中:为残余应力;E 为弹性模量;v 为泊松比;0为所选晶面在无应力情况下的衍射角;为入射线夹角,并与衍射线夹角相等;为样品表面法线与所选晶面法线的夹角;2为样品表面入射线与衍线的夹角10-12。图 3 X 射线衍射原理图Fig.3 Principle diagram of X-ray diffraction1.2.2 测试方法采用 X 射线衍射技术测量试件变形后的残余应力分布。不同变形方式下的测试点选取如图 4 所示。试件 1-1、1-2、1-3 的拉伸载荷为分别 250、350和 450 MPa。位置 1 为中心点,位置 2 距离中心点10 mm,位置 3 距离中心点 20 mm。没有选择以中心对称的方式选定测试点,避免了选点两侧的测试点重复,在一侧选点能够说明不同变形位置的残余应力分布。图 4 为一组对照组的标点位置。图 4 试件残余应力测试的位置与方向Fig.4 Positions and directions for residual stress test of specimen652锻压技术 第 48 卷2 试验结果与分析2.1 应力测试结果由测试结果可知,试件中心位置的残余应力值均为最大的,随着应力值的增大,应力分布显现出规律性的变化,如表 2 所示,1-1 试件的 1、2、3点标记为 1-1-1、1-1-2、1-1-3;1-2 试件的 1、2、3 点标记为 1-2-1、1-2-2、1-2-3;1-3 试件的 1、2、3 点标记为 1-3-1、1-3-2、1-3-3。表 2 室温下测得的试件应力值Table 2 Stress values of specimens measured at room temperature试件取点编号应力值/MPa1-1-11601-1-2971-1-3801-2-11401-2-2941-2-3711-3-12201-3-22101-3-3176从表 2 中的应力测试值的变化规律可发现:试件中心位置的变形程度较大,与之对应的形变量就较大,试件变形的不均匀性增加,形变不均匀性导致试件形成的应力值就会越大;当试件中心的变形程度增加时,组织也会产生变化,不再是单一奥氏体相,此时测得的应力值也随之增大。2.2 金相组织2.2.1 试样 1-1 在位置 1 处的金相组织304 不锈钢在 250 MPa 的载荷下拉伸后的金相组织如图 5 所示,可以隐约看到极少量的针状马氏体组织出现,整体的组织形貌由针状马氏体和奥氏体组成。图 5 中还有部分孪晶存在。2.2.2 试样 1-2 在位置 1 处的金相组织304 不锈钢在 350 MPa 载荷下拉伸后的金相如图 6 所示,从上往下组织分别为马氏体、孪晶、奥氏体,也可以清晰地看到晶界。2.2.3 试样 1-3 在位置 1 处的金相组织304 不锈钢在 450 MPa 载荷下拉伸后的金相如图 7 所示,组织为马氏体、奥氏体(看到明显的晶界)、孪晶。图 7 中可以较明显地观察到各部分组图 5 250 MPa 载荷下拉伸后的金相组织Fig.5 Metallographic structure after tension under load of 250 MPa图 6 350 MPa 载荷下拉伸后的金相组织Fig.6 Metallographic structure after tension under load of 350 MPa图 7 450 MPa 载荷下拉伸后的金相组织Fig.7 Metallogra