XM-12 不锈钢试样高温拉伸试验解析

XM-12 不锈钢因其优异的材料性能，广泛应用于石油开采机械。XM-12 材料锻造过程中的真实应力-应变曲线可以为锻造工艺编制提供有效的数据支持，然而高温检测过程中，试样有效加热部分随试样延长率变化而变化，且拉伸过程以颈缩变形为主，为真实应力-应变曲线的测试带来很大难度，且通过伸长率计算的应力-应变曲线与实际存在较大的偏离。因此，真实应力-应变曲线的准确修正在XM-12 不锈钢锻造工艺优化过程中非常重要。
 

XM-12 铜沉淀硬化型马氏体不锈钢，广泛应用于石油开采机械制造，执行ASTM A705-2017《Standard Specification for Age-Harding Stainless Forging》标准(含)。通过合金元素Cr、Ni、Cu、Nb 等合金元素的加入，XM-12 不锈钢拥有良好的耐腐蚀性和良好的机械性能，低温断裂韧度非常好，其化学成分要求如表1 所示。
 

表1 XM-12 化学成分要求(wt%)

XM-12 不锈钢材料，因其合金含量较高，锻造过程中存在热态变形抗力大，锻造温度区间窄，表面易开裂等特点。因此材料在高温过程中的真实应力-应变曲线的测试在其锻造工艺优化过程中非常重要。
 

XM-12 材料高温拉伸试验检测温度范围：900 ～1200℃。普通的试验机无法满足，因此此次试验选择Gleeble-3500 热模拟试验机进行光滑圆棒试样的拉伸试验。拉伸试样图如图1 所示。
 

图1 拉伸试样尺寸

高温拉伸测试
本文以1050℃拉伸结果为分析对象，对检测数据进行修正分析，试样实测直径 φ9.98mm。
 

试验时，先将试样以10℃/s 的加热速度加热至1180℃，保温120s；以5℃/s 的冷却速度将试样降温至1050℃，以3mm/s 的速度进行拉伸试验。为确保试样拉断，夹块位移选择15mm(试样有效加热区20mm)。过程记录加载力、位移、试样温度等。
 

试验结束后，提取数据进行分析，按长度变化进行应力-应变曲线绘制，如图2 所示，最大伸长量10.15mm，最大应变ε max=ln[(20+10.15)/20]=0.41；而断后最小直径2.38mm，断面收缩率94.31%，则与伸长量计算真实应变反馈相差较大。
 

图2 1050℃应力-应变曲线(按长度L 变化)

图解法修订应力-应变曲线
1050℃拉伸试样如图3 所示，拉伸试验过程中以颈缩变形为主，颈缩开始后为集中变形阶段，因此真实应力-应变曲线以直径变化计算最为贴近实际变化。
 

图3 1050℃高温拉伸试样

如上，如果需要获取颈缩截面的截面直径，但是配备类似引伸计的实验室非常少。本文选择刘秉余在《真实应力-应变曲线的一种图解求法—缩颈过程分析》中计算分析得到的一种针对缩颈过程的图解求法，来进行高温拉伸过程中的真应力-应变曲线修正。
 

图解求法如图4 所示，认为试样的最小缩颈截面在拉伸过程中，所扫过的区域是一个锥面向外凸的虚拟圆锥体，此虚拟圆锥体与圆柱形光滑拉伸试样，拉伸断裂后获得的圆锥形缩颈体是完全不同的两个圆锥体。在计算圆柱形光滑拉伸试样拉伸断裂后的真实应力-应变曲线时，选用外凸的虚拟圆锥体参与计算，这个虚拟圆锥体由最小缩颈截面与缩颈最上端母线交点的轨迹线来确定。
 

图4 断裂试样的轮廓线与轨迹线

在图解法求解过程中，只需计算和测量断裂处试验材料的抗拉强度σ b 时变形量△L 和试样断裂时的伸长L 断和半径r 断，把两点的坐标连成直线作为轨迹线，进而求取圆柱形光滑拉伸试样在拉伸过程中的真实应力-应变曲线。
 

试验结果：1050℃光滑圆柱拉伸试样检测，断裂处伸长量为2.34mm，断裂后伸长量为10.15mm，断后半径r 断为2.38mm。按图解法进行近似求解，试样在颈缩开始至结束，半径的变化式为r=-0.8594×△L+4.721，式中r 为试样缩颈处瞬时半径，L 为颈缩开始后试样圆锥面伸长量。修正后真实应力-应变曲线如图5 所示。
 

图5 1050℃应力-应变曲线(按截面积A 变化)

修正后的应力-应变曲线显示，在试样颈缩开始后初始阶段，应力值会随着应变的增加而增加。因为颈缩阶段，试样的塑性变形由均匀变形转变为集中塑性变形阶段，虽然夹头的速度不变，但是集中变形部位的变形速率是随长度的增大而增加，导致变形抗力增加。当达到一定变形量后，集中变形部分孔洞体积增加，参与变形的部分减小，但仍然保持较好的塑性，导致变形抗力减小，直至试样拉断。对比图2 曲线，更接近光滑圆柱形试样拉伸过程中真实情况，具有很好的参考意义。
 

圆柱拉伸试样的有限元分析

将修订后的曲线数据导入Abaqus 有限元分析软件，对拉伸试样的韧性损伤阀值D 进行分析，如图6所示。可以看出圆柱形光滑拉伸试样在拉伸至断裂过程中，试样中心区域的DUCTILE 值最先达到1。
 

图6 拉伸试样有限元韧性损伤D 值

分析表明：对于XM-12 材质圆柱形光滑拉伸试样，在其拉伸过程中最先发生材料失效的区域是试样截面的中心部位；并且分析结果也体现了材料在1050℃时良好的塑韧性，这与图5 真实应力应变的修订曲线结果相一致。
 

总结

XM-12 材料真实应力-应变曲线修订总结：

⑴高温拉伸试验中，由于光滑圆柱形试样的有效加热部位会随试样的长度变化而产生波动，因此按长度变化进行绘制的真实应力应变曲线存在较大的误差；
 

⑵利用图形法，对光滑圆柱形试样变形过程中直径变化规律的分析和数据修订，可以获得较为准确真实的应力-应变曲线；
 

⑶利用Abaqus 有限元分析，光滑圆柱形试样拉伸变形过程中，颈缩部位的中心首先达到损伤D 值，断裂由心部扩展到颈缩截面，对真实应力-应变过程中曲线的变化形成较好的理论支持；
 

⑷修订后的真实应力-应变曲线较好地描述了材料拉伸过程中的变化规律，对锻造工艺编制具有很好的指导意义。
 

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删