姜志宏１,２,王寶雨１,龔姚騰２,黃信建２

(１．北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京 １０００８３;２．江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,贛州 ３４１０００)

摘 要:利用振動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)對 Q２３５A(chǔ) 鋼在不同頻率、不同激振力下進(jìn)行了振動(dòng)拉伸試驗(yàn),研究了頻率和激振力對該鋼平均載荷和屈服強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明:與常規(guī)拉伸相比,振動(dòng)拉伸時(shí)試驗(yàn)鋼的平均載荷和屈服強(qiáng)度均減小,表現(xiàn)出明顯的體積效應(yīng);隨激振力的增大,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和在不同變形階段的平均載荷均呈線性減小;隨頻率的減小,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和在不同變形階段的平均載荷先增大后減小,在９０Hz時(shí)達(dá)到最大.

關(guān)鍵詞:低頻振動(dòng);拉伸試驗(yàn);屈服強(qiáng)度;體積效應(yīng)

中圖分類號:TH１１７;TH４０４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００１４Ｇ０３

TensileDeformationBehaviorofQ２３５A(chǔ)SteelunderLowＧFrequencyVibrationJIANGZhihong

１,２,WANGBaoyu１,GONGYaoteng

２,HUANGXinjian２

(１．SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing１０００８３,China;

２．SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou３４１０００,China)

Abstract:Usingavibrationtensiletester,thevibrationtensiletestsunderdifferentfrequencyandexcitationforcewereconductedonQ２３５A(chǔ)steel．Theeffectsoffrequencyandexcitationforceontheaverageloadandyieldstrengthofthesteelwerestudied．Theresultsshowthatcomparingtothoseinregulartensile,boththeaverageloadandyieldstrengthofthetestedsteeldecreaseinthevibrationtensile,indicatinganobviousvolumeeffect．Withtheincreaseofexcitationforce,theyieldstrengthandaverageloadindifferentdeformationstagesofthetestedsteel

decreaselinearly．Withthefrequencydecreasing,theyieldstrengthandaverageloadindifferentdeformationstages

firstincreasesthendecreasesandreachesthelargestvalueat９０Hz．

Keywords:lowＧfrequencyvibration;tensiletest;yieldstrength;volumeeffect

０ 引 言

在金屬材料的塑性成形加工中引入適當(dāng)?shù)恼駝?dòng),可以極大地改善其加工質(zhì)量和效率[１Ｇ２],這主要是源于振動(dòng)對材料內(nèi)部應(yīng)力的體積效應(yīng)和對模具與被加工件之間摩擦的表面效應(yīng)[３].

自１９５５年 BLAHA 和 LANGENEEKER 在測試鋅晶體屈服強(qiáng)度時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)體積效應(yīng)后,國內(nèi)外研究者從超聲振動(dòng)或高頻振動(dòng)入手,對振動(dòng)在塑性成形方面的應(yīng)用做了大量的研究工作.LIU 等

發(fā)現(xiàn)在超聲振動(dòng)作用下,金屬材料的成形力會減小,殘余應(yīng)力發(fā)生松弛,摩擦因數(shù)降低,成形極限增加;WEN 等[５]在１５kHz頻率下分析了 AZ３１合金的拉伸行為,發(fā)現(xiàn)該高頻振動(dòng)對 AZ３１合金的成形性能、成形載荷與失效形式有較大影響,并且指出振幅直接影響體積效應(yīng)與表面效應(yīng)的效果;在低頻振動(dòng)方面,何勍等[６]基于應(yīng)變疊加原理,解釋了金屬在振動(dòng)作用下塑性加工平均應(yīng)力減小的原因,初步給出了體積效應(yīng)的數(shù)學(xué)描述;韓清凱等[７]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),低頻振動(dòng)亦能降低金屬在塑性變形過程中的平均應(yīng)力;蔡改貧等[８]從黏彈塑性本構(gòu)模型出發(fā),利用數(shù)值模擬定量分析了低頻振動(dòng)作用下塑性成形中體積效應(yīng)的形成條件,并進(jìn)行了振動(dòng)擺輾成形試驗(yàn)研究.在上述研究中,研究者均指出振動(dòng)會使金屬材料在塑性變形時(shí)表現(xiàn)出變形抗力降低的體積效應(yīng),但體積效應(yīng)的影響因素,以及激振力與振動(dòng)頻率對塑性成形過程的影響均未進(jìn)行詳細(xì)分析.為了揭示低頻振動(dòng)塑性成形中體積效應(yīng)的影響。

規(guī)律,作者以 Q２３５A(chǔ) 鋼為研究對象,在正弦波激勵(lì)振動(dòng)條件下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),通過與常規(guī)拉伸數(shù)據(jù)的對比,分析了低頻振動(dòng)下 Q２３５A(chǔ) 鋼的拉伸變形行為特點(diǎn),為振動(dòng)塑性成形加工中體積效應(yīng)的分析與利用提供試驗(yàn)支撐。

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為 Q２３５A(chǔ) 鋼,退火態(tài),化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)為０．１４~０．２２C,０．３０~０．６５Mn,≤０．０３０Ni,

≤０．３０Si,≤０．０４５P,≤０．０５０S,≤０．０３０Cr,≤０．０３０Cu.

在該鋼上 截 取 拉 伸 試 樣,尺 寸 如 圖 １ 所 示.根 據(jù)GB/T２２８．１－２０１０,在 WB１０００型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),加載速率為kN??min－１.測得試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度σb 為３７０~５００ MPa,則其斷裂拉力為１０~１４kN。

根據(jù)振動(dòng)拉伸試驗(yàn)要求,參照高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu),在 GPS１００型試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)制造了電磁諧振振動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī),結(jié)構(gòu)如圖２所示。

力采用電磁諧振加載,平均載荷采用直流伺服電機(jī)加載.按照文獻(xiàn)[７]的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,以試驗(yàn)鋼最小斷裂拉力的５％~３０％作為激振力,在自制的電磁諧振。

振動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)拉伸試驗(yàn).拉伸速度、試樣尺寸等與上述常規(guī)拉伸試驗(yàn)的相同,激振力和頻率如表１所示,記錄得到平均載荷Ｇ時(shí)間關(guān)系曲線。

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 激振力對平均載荷和屈服強(qiáng)度的影響在頻率

１２０Hz、激振力３kN 作用下,試樣在振動(dòng)拉伸時(shí)設(shè)備報(bào)警,未能完成試驗(yàn).而其他試驗(yàn)條件下,振動(dòng)拉伸試驗(yàn)均順利完成。

由圖３和表２可知:在頻率１２０Hz的不同激振力作用下,試樣的振動(dòng)拉伸平均載荷均小于常規(guī)拉伸時(shí)的平均載荷,這充分體現(xiàn)出振動(dòng)拉伸過程中體積效應(yīng)的存在;在常規(guī)拉伸過程中,試樣沒有出現(xiàn)明顯的屈服階段,而在振動(dòng)作用下,試樣表現(xiàn)出明顯的屈服階段(５０~３００s),且隨著激振力的增大,試樣屈服的時(shí)間縮短且屈服強(qiáng)度依次下降;在拉伸時(shí)間分別為２００,１０００s,即屈服和塑性變形階段,試樣的振動(dòng)拉伸平均載荷隨激振力的增加呈線性下降.由圖３ 和 表 ２ 還 可 以 看 出,在 塑 性 變 形 階 段(１０００s),平均載荷的變化服從疊加原理,即常規(guī)拉伸時(shí)試樣的平均載荷等于振動(dòng)拉伸時(shí)的激振力與平均載荷之和。

在循環(huán)載荷拉伸過程中,金屬在塑性變形時(shí)由于位錯(cuò)的短程效應(yīng)、應(yīng)變時(shí)效而導(dǎo)致其林位錯(cuò)密度增加[９].在振動(dòng)拉伸過程中,低頻振動(dòng)會使晶界滑移而造應(yīng)力松馳,同時(shí)在低頻振動(dòng)任一周期中,反向變形時(shí)的位錯(cuò)阻力小于繼續(xù)正向變時(shí)的位錯(cuò)阻力.當(dāng)在振動(dòng)正半周期金屬進(jìn)行正向變形時(shí),位錯(cuò)沿某滑移面進(jìn)行,遇林位錯(cuò)而彎曲;若在振動(dòng)負(fù)半周期時(shí)施加反向力,位錯(cuò)被迫做反向運(yùn)動(dòng),由于在反向

路徑上,林位錯(cuò)障礙數(shù)量較少,故位錯(cuò)可以在較低應(yīng)力下移動(dòng)較大距離,最終表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和平均載荷的下降.

２．２ 頻率對平均載荷和屈服強(qiáng)度的影響

由圖４和表３可知,在３kN激振力、不同頻率振動(dòng)拉伸時(shí),試樣的拉伸平均載荷均小于常規(guī)拉伸時(shí)

的,同樣表現(xiàn)出體積效應(yīng),但從平均載荷數(shù)值上看,并不服從疊加原理;隨著頻率的增加,試樣更早進(jìn)入屈服階段,其屈服強(qiáng)度為常規(guī)拉伸時(shí)的６３％~７０％;其屈服強(qiáng)度和振動(dòng)拉伸時(shí)間分別為２００,１０００s時(shí)的平均載荷均隨頻率的增加先增后降,當(dāng)頻率為９０Hz時(shí)達(dá)到最大,分別為２６２MPa和７．４１,１０．０９kN。

３ 結(jié) 論

(１)在頻率為７０~１２０Hz,激振力為０~３kN振動(dòng)下拉伸時(shí),Q２３５A(chǔ) 鋼表現(xiàn)出明顯的體積效應(yīng),即相對于 常 規(guī) 拉 伸 時(shí) 的 平 均 載 荷 減 小,屈 服 強(qiáng) 度降低。

(２)在頻率為 １２０ Hz,隨激振力 從 ０ 增 大 至３kN,Q２３５A(chǔ) 鋼的屈服強(qiáng)度和不同變形階段的平均載荷均呈線性降低;在塑性變形階段,常規(guī)拉伸下的平均載荷為振動(dòng)拉伸下激振力和平均載荷之和,服從疊加原理。

(３)在激振力為３kN,隨頻率從１００ Hz遞減到７０Hz,試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度和在不同變形階段的平均載荷均先增大后減小,且均在９０Hz時(shí)達(dá)到最大。