温度循环对30CrMnSiNi2A钢力学性能的影响_徐建新.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023材料与成形性能温度循环对 30CrMnSiNi2A 钢力学性能的影响徐建新1,崔勇志2,刘兵飞3(1.中国民航大学 科技处,天津 300300;2.中国民航大学 航空工程学院,天津 300300;3.中国民航大学 科技创新研究院,天津 300300)摘要:运用 LRP500 自控式温度循环疲劳仪研究了 30CrMnSiNi2A 超高强度钢在不同循环次数、不同温度区间处理后的屈服强度、抗拉强度等参数的变化规律。通过实验测试、理论计算和有限元仿真相结合的方法,研究了温度循环处理对30CrMnSiNi2A 钢力学性能的影响。结果表明:温度循环处理会降低 30CrMnSiNi2A 钢的屈服强度和抗拉强度,且温度循环区间越高、循环次数越多,材料力学性能下降越明显。基于实验数据,给出了考虑温度区间和循环次数下 30CrMnSiNi2A 钢的修正本构模型和有限元数值仿真结果。结果表明:保持循环次数为 100 次,温度区间在上限超过 100 后,温度每增加 20,抗拉强度衰减 0.65%,屈服强度衰减 1.67%;保持温度区间为 1080,循环次数在 600 次以上时,循环次数每增加 100 次,抗拉强度衰减 0.95%,屈服强度衰减 1.94%。关键词:30CrMnSiNi2A 钢;温度循环;本构模型;屈服强度;抗拉强度DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.029中图分类号:TG142.33 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0201-10Influence of temperature cycle on mechanical properties of 30CrMnSiNi2A steelXu Jianxin1,Cui Yongzhi2,Liu Bingfei3(1.Technology Department,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;2.School of Aeronautical Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;3.Science and Technology Innovation Research Institute,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)Abstract:The change rules of yield strength and tensile strength for 30CrMnSiNi2A ultra-high strength steel after treatment with different cycle times and different temperature ranges were studied by using LRP500 self-controlled temperature cycle fatigue tester,and the influ-ences of temperature cycling treatment on the mechanical properties of 30CrMnSiNi2A steel were studied by experimental test,theoretical calculation and finite element simulation.The results show that the yield strength and tensile strength of 30CrMnSiNi2A steel decreases by temperature cyclic treatment.The higher the temperature cycle range is,the more the number of cycles is,the more obviously the mechani-cal properties of materials decrease.Based on the experimental data,the modified constitutive model and the finite element numerical simu-lation results of 30CrMnSiNi2A steel are given considering temperature range and cycle times.The results show that the tensile strength de-cays by 0.65%and the yield strength decays by 1.67%for every 20 increase in temperature when the number of cycles keeps 100 and the upper limit of the temperature range exceeds 100,while the tensile strength decays by 0.95%and the yield strength decays by 1.94%for every increase in the number of cycles by 100 when the temperature range is 10-80 and the number of cycles is more than 600.Key words:30CrMnSiNi2A steel;temperature cycle;constitutive model;yield strength;tensile strength收稿日期:2022-05-10;修订日期:2022-08-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(11502284);中科院重点部署项目(KFZD-SW-435)作者简介:徐建新(1967-),男,博士,教授E-mail:jxxu_cauc 通信作者:刘兵飞(1985-),男,博士,教授E-mail:bingfeiliu2 30CrMnSiNi2A 钢是一种常见的超高强度合金钢,因具有较好的延展性及韧性,被广泛应用于飞机起落架、机翼主梁和平尾大轴等关键承力结构1-4。30CrMnSiNi2A 钢在飞机服役过程中,会受到多种不同环境因素的影响,作为装备的关键承力材料,其受环境影响而导致的材料性能的下降、损伤等会严重影响航空装备的安全可靠服役。其中,部件所处环境温度的高低交替变化对材料性能的影响不可忽视。所以,有必要对其在温度循环载荷下的力学性能进行研究和探讨。对于 30CrMnSiNi2A 钢力学性能的研究,周义清等5对其在不同应变率下的力学性能进行了研究;花峰、刘宪民等6研究了化学成分对 30CrMnSiNi2A 钢力学性 能 的 影 响;刘 天 琦7研 究 了 回 火 温 度 对30CrMnSiNi2A 钢组织和性能的影响;许泽建、李玉龙等8研究了过加载速率对 40Cr 高强钢和 30CrMnSiNi2A钢 I 型 动 态 断 裂 韧 性 的 影 响;武 海 军 等9对30CrMnSiNi2A 钢的动态力学性能进行了实验研究;许良等10研究了超声波冲击对30CrMnSiNi2A 钢疲劳性能的影响;刘建华等11研究了30CrMnSiNi2A 超高强度钢在氯化钠溶液中的腐蚀的前期表现;罗来正等12研究了海 洋 大 气 环 境 与 拉 伸 疲 劳 载 荷 耦 合 作 用 下 30CrMnSiNi2A 钢的腐蚀损伤行为;刘宪民等13研究了热处理对 30CrMnSiNi2A 钢力学性能的影响;张勇等14研究了预腐蚀对 30CrMnSiNi2A 钢力学性能的影响;李磊等15研究了不同硬度下30CrMnSiNi2A 钢的动态本构与损伤参数;郑修麟等16研究了循环冷处理对30CrMnSiNi2A 钢力学性能的影响;余万千等17 研究了应力三轴度对 30CrMnSiNi2A 钢的韧性断裂特性的影响,并通过有限元迭代方法标定了材料的 Johnson-Cook动态 本 构 模 型 参 数,分 析 了 温 度 和 应 变 率 对 30CrMnSiNi2A 钢断裂行为的影响;陈跃良等18研究了冲击载荷下点蚀损伤对 30CrMnSiNi2A 钢应力集中的影响;焦明19对30CrMnSiNi2A 钢的热处理过程进行了数值模拟及实验研究,并通过仿真模拟和实验研究得出淬火后对材料进行 300 的回火可以平衡强度和塑性之间的关系,进而得到比较平衡的力学性能的结论。对于材料本构关系的研究,曹建国等20基于 Ar-rhenius 改进模型框架,建立了无取向电工钢热轧高温行为的统一本构关系模型;赵慧俊等21基于钛合金球化软化机理,建立了 TA15 钛合金的统一黏塑性本构模型;Zhu F H 等22 研究了基于Arrhenius 方程的Ti6Al4V合金的硬化和软化行为跟踪新流变应力模型。此外,杨合、詹梅编著的 材料加工过程实验建模方法23为本文数学模型的建立提供了理论指导。上述文献针对不同因素对 30CrMnSiNi2A 钢力学性能造成的影响以及基于不同模型对某种材料的本构关系的探索开展了相关的理论和实验研究工作,但是还未有对于温度循环载荷下 30CrMnSiNi2A 钢材料的本构模型的详细研究。由于实验条件的限制,很难通过大量的实验对不同温度区间和不同循环次数下的力学行为进行描述。因此,本文提出了一种考虑温度循环区间和温度循环次数的 30CrMnSiNi2A钢的本构模型,并将理论计算结果与实验测试结果和有限元仿真结果进行对比,验证模型的准确性,并在所建立的本构模型的基础上,讨论了不同温度循环区间和循环次数对于 30CrMnSiNi2A 钢的力学性能的影响。1 实验部分为了研究温度循环对 30CrMnSiNi2A 钢力学性能的影响,分别进行了不同温度区间和不同循环次数的温度循环实验,目的是利用控制变量的方法,分别讨论不同温度区间和不同循环次数对材料力学性能的影响,并对试件进行常温下的准静态拉伸实验,分别得到不同预处理后试件的应力-应变曲线。1.1 实验材料实验所用试件为标准 30CrMnSiNi2A 钢板状试件7 根,其几何参数和实物图如图 1 所示,其中试件总长度为 74.87 mm,夹持端宽度为 20 mm,中间段宽度为 10 mm,标距为 22.87 mm,厚度为 1 mm。材料的化学成分见表 1。图 1 标准 30CrMnSiNi2A 钢板材试件的尺寸图(a)和实物图(b)Fig.1 Dimension diagram(a)and physical diagram(b)of standard 30CrMnSiNi2A steel sheet specimen表 1 30CrMnSiNi2A 钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 30CrMnSiNi2A steel(%,mass fraction)CSiMnCrNiPSFe0.270.340.901.201.001.300.901.201.401.800.0200.020余量202锻压技术 第 48 卷1.2 实验仪器温度循环系统为 LRP500 自动温度循环疲劳实验机,如图 2a 所示,该实验机包括温度循环疲劳测试仪、数据处理器、数据显示器和电阻应变仪,可实现材料在不同应力幅值下的温度循环疲劳实验测试和数据处理,可用于进行航空用新型复合材料以及温度敏感材料的温度循环作用下的疲劳实验,以及材