（机械设计及理论专业论文）多碰载荷下45钢的分层塑性响应及机理分析.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在l 月解密后适用本规定。 非涉密论划 论文作者签名： 乒魉一月 期： 丝! ! ：生：墨一 导师签名： 多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响心及机理分析摘要 摘要 在实际工程机械中，有许多零构件经常会受到冲击载荷的作用，经大量工程 试验研究表明，零件承受多碰载荷而失效的多种起因都可以归结为材料发生了宏 观塑性变形现象。利用分层塑性响应方法进行了4 5 钢低应力多碰试验，研究了4 5 钢试件在低应力冲击载荷作用下的宏观塑性累积变形规律，建立了其宏观塑性累 积数学模型，并对发生此现象的微观机理进行了探讨。 利用自制多碰试验机，选取了工程中常用的4 5 钢为实验材料，进行了低应 力多碰实验研究。试验结果表明，即使在远低于材料屈服强度的多碰应力作用下， 一定冲击次数后试样靠近冲击表面的一段区域内也可产生足够大的宏观塑性变 形；在低应力冲击载荷作用下，塑性变形速率从开始到一定次数碰撞后塑性变形 终止不是恒定的，而且整个试样的变形分布也不是均匀的；从试验数据还可以看 出，试样大约在碰撞2 5 6 1 0 3 次后，试样变形趋于停止，达到安定状态，此后试 样能在原载荷作用下稳定地运行1 0 6 1 0 7 循环以上而基本不产生新的形变；试样硬 度会随着塑性变形的产生而发生变化，且硬化规律符合趋表效应。对4 5 钢多碰阈 值进行了研究；冲击力加载顺序不同也会对塑性累积变形产生影响。 基于位错理论分析了多碰失效机理，初步得出了低应力多碰失效的实质是金 属试样内部晶体位错发生了萌生、增殖、运动、塞积和缠结等现象，多碰失效是 位错组态和位错密度变化的结果。 对碰撞前后4 5 钢试件进行x r d 图谱分析后可得，冲击过程前后，试样中并没 有发生相变，低应力冲击只是使试样晶粒尺寸减小，发生了再结晶现象；随着冲击 能量的不同，试样金相组织发生了显著变化。通过金相照片的对比可以发现4 5 钢 中的铁素体和珠光体均发生了一定程度的织构现象，珠光体被压缩成长细条状； 随着冲击能量的增加，4 5 钢内部珠光体变形程度也随之增大，并且呈细化趋势； 在珠光体内部可以观察到平行的细条纹，很有可能发生了晶体孪生现象。对冲击 后样品的断面进行扫描分析可得，试样经过低应力冲击后，s e m 图谱上可以看到大 量的非常细小的颗粒，并且有些晶粒发生了变形或被拉伸现象，同时也观察到试 摘要多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析 样在冲击后形成的裂纹。 关键字：4 5 钢；低应力多碰；分层塑性响应；阈值；数学模型 n 作者：卢华强 指导老师：傅戈雁 t h el a y e r e dp i a s t i cr c s p o n s e 卸dm e c h a n i s mf o rm u l t i - t o u c hi o a do f 4 5s t e e l a b s t r a c t t h e l a y e r e dp l a s t i cr e s p o n s ea n dm e c h a n i s mf o r m u l t i t o u c hl o a do f45s t e e l a b s t r a c t i np r a c t i c a le n g i n e e r i n gf i e l d ，t l l e r ea r cm a n y p a r t so r e ne n d u r el o w s t r e s sr e p e a t e d i m p a c t ，t l l es u r f a c eo fa f r e c t e dp 矾sw o u l db e c o m ei n v a l i de a s i l y l o t so fe n g i n e e r i n g e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o 、e dt l l a tm a c r op l a s t i cd e f o 肌a t i o nc o u l db et ob l 锄ef o rt l l e f a i l u r eo fm o s tp 矾s a c c o r d i n gt ot h i sp h e n o m e n o n ，w eh a sc o n d u c t e dt h el o ws 仃e s s r e p e a t e di m p a c tt e s t so f4 5s t e e l i nl a y e r e dp l a s t i cr e s p o n s em e t h o d ，锄di n t r o d u c e dt h e l a wo fm a c r o s c o p i cc 啪u l a t i v ep l 嬲t i cd e f o n n a t i o na n ds e tu pi t sm a t h e m a t i c a lm o d e l ， 锄dd i s c u s s e dm er e a s o n so ft h j sp h e n o m e n o n t bp r e p a r ef o rt h i se x p e r i m e n t ，w ed e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s ，锄ds e l e c t e d 4 5s t e e l 豁t h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dm a t ，e v e ni i lt l l e 陆 b e l o wm em a t e r i a ly i e l ds t r e n 西ho fs t r e s s ，t h ea r e at 1 1 a t 印p r o a c h e dt ot h es t r i c ks u r f a c e e n d u r e di o t so fs t r i k ew o u l dg e n er a l 【e de n o u g hm a c r 0p l a s t i cd e f o 珊a t i o n ；i nc e n a i nl o w 劝r e s si m p a c tl o a d i n g ，i i lt 1 1 ep e r i o do fp l a s t i cd e f o n n a t i o n ，t l l ed e f o n i l a t i o nr a t ew a u sn o t c o n s t a l l t ，a l l dt i l ee n t i r es p e c i m e nd e f 0 册a t i o nd i s t r i b u t i o nw 弱n o tu i l i f o m ；t h e e x p e r i m e n td a t 勰s h o w e d 也a t ，m es 锄p l ee n d u r e dc o l l i s i o n2 5 6xlo t i n l e so rm o r e ， t l l ed e f o m a t i o nt e n d e dt os t o p ，锄da t t a c h e dt o 虹b l i 吼t 1 1 e ns 锄p l ec o u l dn o tp r o d u c e m wd e f o 册a t i o n a g a i ne v e nm o u 曲s t r i c l ( i n g l0 0 1o 7 t i m e s ；t h e h a r d n e s so f s p e c i m e nw o u l da c c o m p a i l y 州t l lp l a s t i cd e f 0 咖a t i o nt 0c h a n g e ，锄dv a r i a t i o no f h a r d n e s sc o m p l i e dw i t l lp a r t i c u l 2 l rd i s c i p l i n e ，n a m e l yt h es u r f a c eh a r d n e s sd i 行e r e n c e ， t l l ev a 叫o fh a r d n e s sw a sd i 行e r e n c e 、 r i t l ld e p t ho ft h el a y e rg r a d u a l l yd e c r e 嬲e s ；4 5s t e e l m a t e r i a lh a dc e n a i nm r e s h o l de q u a t i o l l s 锄dt h eo r d e ro fl o a di m p a c ta l s oc o u l dt oe 毹c t p l a s t i cd e f o 咖a t i o n u t i l i z i n gt l l ed i s l o c a t i o nt l l e o d rt oa n a l y s et h i sf a i l u r em e c h 锄i s m ，r e s u l t ss h o w e d t l l a tm ee s s e n c eo ff a i l u r ep r o c e s sw 觞t h ed i s l o c a t i o no fm e t a ls 锄p l ei n t e m a i c d ，s t a l l i n eh a dt a k e dp l a c ei n i t i a t i o n ，m u l t i p l i c a t i o n ，s p o r t s ，p l u ga 1 1 dt a l l g l e s ，e t c ，t h e f a i l u r ew 嬲t h er e s u l to fc h 柚g e si nd i s l o c a t i o nc o n f i g u r a t i o n 锄dd e n s i t y f i n i s h i n g t h e e x p e r i m e n t ，w ea n a l y s e d t h ex r dp h o t o so f m u l t i - g r o u p h i a b s t m c t t h ei a y e r e dp l a s t i cr e s p o n s e 锄dm e c h 狮i s mf o rm u l t i t o u c hl o a do f4 5s t e e i o 唱a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e ，r e s u l t s s h o 、v e dm a t ，f r o mb e g i 疵n gt oe n do ft h ei m p a c t p r o c e s s ，s p e c i m e nh a dn op h a s ec h a i l g e ，g r a i ns i z ew a sd e c r e a s e s ，l o ws n e s si m p a c tj u s t m a d et h es 锄p l er e c 巧s t a l l i z a t i o n ；t h em i c m s 劬c t l l r eo fi m p a c ts 锄p l ew a sd i 仃e r e n t 丹o mt 1 1 eo r i g i n a ls 锄p l es i g 啦幽t l y t h r o u 曲t h ei m p a c ts 锄p l ep h o t o s 、v ea l s oc o m 正一一 f o u l l dt h a tt 1 1 ef e 盯i t ea n dp e a r l i t ei nt t l ec o m p a r i s o no f4 5s t e e lp r o d u c e dac e r t a i n d e g r e eo fp l a s t i cd e f o 咖a t i o n ，t h ep e 2 u r l i t ec o m p r e s s e di n t ot i l 洫s t r i p s ；a l o n g 、v i t l lt h e i n c r e a s eo fi m p a c te n e 瑁y ，t l l ei n t e m a lp e a r l i t eo f4 5s t e e ld e f o m a t i o ni l lac e r t a i ne x t e n t ， a n da l s o 谢t i lt h er e f i l l i n g 臼e n d ；i i lt h ei n t e n l a lo fp e a r l i t ew ec a i lo b s e r v e dt h ep a r a l l e l p i n s t r i p e ，a l l di tw o u l dl i k e l yb eah a l f c u r l e dc r y s t a lp h e n o m e n o n s c a n i n gt l l es e c t i o n o ft t l ei m p a c ts 锄叩l ea v a i l a b l e ，r e s u l t ss h o wt i l a tt l l e r e 、e r eal a r g en u m b e ro ft l l ev e 叫 s m a l lp a r t i c l e so nt l l es e mp h o t o e s ，a 1 1 ds o m e 伊a j nh a db e e nm a l f o 衄e do rd r a w e d ， a n dm a n yi m p a c tc r a c l ( sh a db e e nf o u i l d e d k e yw o r d s ：4 5s t e e l ； l o ws 卸e s sr e p e a t e di m p a c t ； l a y e r e dp l 嬲t i cr e s p o l l s e ； t h r e s h o l d ； m a t l l e m a t i c a lm o d e l i n g w r i t t e n b yl uh u a q i a n g s u p e n ，i s e db yf ug e y 锄 目录 第一章绪论1 1 1 选题的依据和意义l 1 2 课题的国内外背景3 1 3 冲击载荷下材料力学性能的变化7 1 4 低应力多碰塑性累积变形特点9 1 5 本文研究内容1 0 第二章低应力多碰试验方案设计”l2 2 1 试样制备1 2 2 1 1 试样及分层网格制备“1 2 2 1 2 试样材料选择13 2 2 多碰试验系统的研制1 3 2 2 1 多碰试验机”1 3 2 2 2 分层网格数据采集系统”1 6 2 3 低应力多碰试验应力加载方式1 7 2 4 冲头的限位设计17 2 5 试验方案设计”l8 2 6 试验设备仪器18 2 7 本章小结18 第三章4 5 钢的分层塑性响应规律研究“2 0 3 1 试样多碰分层塑性响应分析2 0 3 1 1 多碰试验条件2 0 3 1 2 多碰试验塑性累积变形结果分析2 0 3 1 3 多碰试验硬度变化结果分析2 6 3 1 4 调换加载顺序低应力多碰试验2 9 3 2 阈值求解3 2 3 3 本章小结3 5 第四章低应力多碰塑性累积数学建模及组织结构变化分析3 7 4 1 低应力多碰塑性累积数学建模3 7 4 1 1 经典冲击模型理论3 7 4 1 2 低应力多碰塑性累积模型的提出一3 8 4 1 3v y 数学模型的建立3 9 4 1 4o v y 数学模型的建扣4 0 4 1 5o v y 数学模型人机界面的建立一4 0 4 2 基于位错理论的低应力多碰塑性累积机理分析4 l 4 2 1 多碰载荷的能量性质4 1 4 2 2 残余应力的产生4 2 4 2 3 位错概念的引入”4 2 4 2 4 低应力变形微观机理_ 一4 3 4 2 4 1 位错萌生4 3 4 2 4 2 位错增殖4 4 4 2 4 - 3 位错运动4 4 4 2 4 4 位错滑移和塑性变形启动4 7 4 3 组织结构变化的研究一4 8 4 3 1x 射线衍射分析一4 8 4 3 1 1 物相分析4 8 4 3 1 2 晶粒尺寸分析4 9 4 3 2 金相显微分析“5 2 4 3 2 1 不同冲击应力对显微组织的影响5 2 4 - 3 2 2 不同冲击次数对显微组织的影响5 3 4 3 3 冲击表面形貌分析一5 4 4 4 结论5 6 第五章总结和展望- 5 8 5 1 总结5 8 5 2 研究局限及今后工作展望5 9 参考文献6 0 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 3 附录6 4 弱【谢6 6 多碰载衙下4 5 钢的分层塑性响心及机理分析 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百 v 匕 1 1 选题的依据和意义 一般认为：只有当外加载荷大于材料的屈服极限的情况下，材料才会发生宏 观塑性变形。但研究发现：材料在低应力( 远低于材料屈服极限) 多碰载荷作用 下仍会发生宏观塑性累积变形现象。在实际工程机械中，有许多零构件经常会受 到冲击载荷的作用，零构件的冲击表面容易出现各种形式的失效如开裂、凹陷与 墩粗、表面蚀坑、表面剥落、磨损及崩落等，严重时将导致零构件失效，进而影 响安全生产。例如氮肥厂尿素生产线上甲胺泵系统的进排液阀，其阀座和阀瓣用 不锈钢材料制造，其屈服强度约为3 1 0 m p a ，以3 0 m p a 碰撞力、l h z 的频率做反复 相对碰撞运动。虽然碰撞应力很小，但平均工作2 0 0 多个小时就发生了泄漏现象， 部件下线后发现碰撞部位出现了严重塌陷、墩粗变形等现象；另外发动机的进排 气阀门，在碰撞载荷下出现了表面龟裂和磨损；制药厂冲压药片的凸凹模，g c r l 5 材料制造，一般只能使用1 3 1 5 天，工作中冲头刃口发生塑性损伤，从而产生了 显微裂纹，等等。发生损坏的这些零构件一般都是机器中的重要关键件，除本身 价值昂贵以外，其失效后由于检修、停产而带来的间接经济损失往往更为巨大。 所以探讨多碰工况下零构件的低应力多碰塑性累积及失效的行为、规律、机理、 影响因素和控制方法，寻求有效的方法来强化或修复此类零构件的表面，从而提 高其使用寿命、降低生产成本、提高系统的可靠性和安全性有着重要的意义乜1 。 研究发现，零件承受多碰载荷而失效的起因都可以归结为材料发生塑性累积 变形，由此而引起的失效大部分起源于零件表面。零件在低应力多碰载荷下遭致 破坏时，它的损坏过程往往是由于多碰损伤积累，并引起裂缝的产生和扩展所造 成的乜】。多碰属于疲劳范畴，但判断材料在多碰应力下是否发生失效也不能简单的 用疲劳强度和疲劳过负荷持久值来代替。疲劳抗力主要取决于金属材料的强度而 不是宏观塑性。多碰载荷却是一个能量载荷，它会受到加载速度、体积因素和加 载中引起的振动等多种因素的影响，以致金属材料对多碰抗力的承受还必须考虑 其塑性变形功。因此，多碰抗力除了主要取决金属材料的强度外，还取决于金属 材料的宏观塑性口，。 第一章绪论多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析 本文所论述的多碰塑性累积是指在远低于材料屈服极限的多次碰撞应力作用 下，零构件沿应力方向产生的累积塑性变形现象。由实验室前期试验研究可知， 在多次碰撞载荷下，能导致试样发生塑性累积的应力很小，大约比静屈服极限低 一个数量级i 多碰塑性累积变形还具有如下时空演化特征广堤应变只发生在表 层及附近约数毫米区域内，且距表层深度越大应变越小；二是对任一层材料而言， 其应变率随碰撞次数的增加而逐步递减h 5 m 3 。 试验证明：在低应力多碰载荷作用下，即使冲击应力仅为材料屈服极限的 1 1 0 l 3 时，材料仍会发生宏观塑性累积变形。实验室用n i 基合金粉末，以激 光熔覆方法制备了厚度为2 2 咖的涂层试样，测试其静屈服应力为1 0 5 2 m p a ，以 1 0 0 m p a 的超低应力对其进行多碰试验，在碰撞2 5 6 1 0 3 次后其累积变形量达 0 1 5 唧，总应变率达到6 8 ，发生了明显的宏观塑性累积变形现象口1 。 文献h 1 对奥氏体不锈钢表面采用激光熔覆的镍基合金涂层进行了多碰试验。结 果显示：在仅为材料静屈服强度1 3 7 5 的冲击应力作用下，镍基合金涂层与奥 氏体不锈钢基体都产生了微观塑性累积变形，多碰累积后可产生宏观塑性累积变 形订1 ；没有现成的理论能够对材料低应力塑性累积变形这一现象加以合理解释，所 以有必要通过试验与理论相结合的方法对此现象进行研究。 1 9 世纪6 0 年代，w o h l e r 首次运用应力一寿命法来描述疲劳破坏，由此发展出 “耐久极限 这个概念。如果一种( 名义上无缺陷的) 材料所承受的应力幅值低 于某个值时，它具有无限疲劳寿命，那么就把该值称作这种材料的耐久极限呻1 。 本文采用应力一寿命法来描述4 5 钢的多碰塑性变形过程，并求出4 5 钢的阈值。 在低应力多碰条件下，给定某种材料的阈值，其中自变量是某网格层与碰撞表面 的距离，以此网格层发生的变形量是否超过限定值为判断依据。到目前为止，国 内外对低应力多碰阈值没有报道。 一个系统因受到冲击载荷的作用，使受载部分原有状态发生急剧变化的现象 称为冲击。这种引起冲击的载荷称为冲击载荷。在相关构件的材料中，因受到冲 击载荷作用而产生的应力与应变称为冲击应力与应变。多次冲击就其对材料的影 响来说，它具有一般冲击载荷的特性；冲击除了对材料性能的影响外，冲击应力 的波动性、冲击应力的体积效应、冲击应力和系统刚度的关系、冲击应力对缺口 的敏感性等，都会对结构强度产生很大影响。1 ) 冲击应力波动性的影响：由于冲 2 多甜i 载衍下4 5 钢的分层塑性响心及机理分析第一章绪论 击载荷的变化速率很大，使得应力以波的形式在工件或结构内传播。一般构件几 何形状复杂，各向尺寸长短不同，而弹性应力波在材料中传播的速度很高，并且 遇到界面会发生反射现象，从而在构件材料内形成各种不同方向的应力波。由于 波的叠加性，可使压缩波变成拉伸波( 即压应力变成拉应力) ；小应力变成大应力， 从而引起构件层裂、纵裂、角裂等破坏现象。2 ) 冲击应力的体积效应：在静载荷 下，构件应力的大小只取决于构件本身的最小截面积。但在冲击载荷作用下，由 于冲击载荷的能量性质，使得应力大小不仅与断面有关，还与其体积有关。3 ) 冲 击应力与系统刚度的关系：由于冲击载荷是能量载荷，当a 构件与b 构件进行撞 击时，b 构件及与其相连的系统将共同吸收a 构件的冲击动能。b 构件吸收能量的 多少与b 构件全系统的刚度和体积有关。4 ) 由于构件的缺口会使冲击引起的塑性 变形局限在缺口附近的小体积内，使冲击能集中在缺口小范围内，从而导致这部 分材料的塑性降低而脆性增加，局部应力增大，强度削弱。实践证明，冲击应力 对缺口的敏感性比一般载荷要大。 1 2 课题的国内外背景 对多次碰撞问题的研究可追溯到上个世纪初。1 9 0 8 年，s t a n t o n 和b a i r s t o w 用九种不同强度的碳钢进行了多碰弯曲试验，较深入地考察了化学成分对铁素体 和珠光体钢冲击破断周次的影响，进行了引起极小塑形变形的低应力多次冲击试 验阳1 。1 9 1 0 年，o h b a s q u i n 提出了描述金属s n 曲线的经验规律。他指出，应力 对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系n0 1 。b a i r s t o w 在金 属循环硬化和软化的早期研究中也做出了重大贡献，他通过多级循环试验和测量 滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。 随着应用力学概念应用于疲劳破坏，人们对亚临界裂纹的扩展机制给予了更多的 关注，提出了一些唯像模型和定量模型， 程材料疲劳裂纹扩展阻力产生的原因n 。 试图从理论上解释试验中所观察到的工 在进行这种研究的同时，人们对于了解 应力强度因子在裂纹扩展过程中变化的兴趣不断增强。e l b e r ( 1 9 7 0 1 9 7 1 ) 的实 验结果是这方面的一个贡献，他指出，即便试样受到循环拉伸载荷的作用，疲劳 裂纹也能保持闭合状态。这一结果也说明，疲劳裂纹扩展速率的控制因素或许不 是应力强度因子范围k 的名义值，而是它的有效值。对不同类型的裂纹屏蔽过程 3 第一章绪论多碰载衙下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析 中进行研究所得到的一个有意义的结果是使人们真正认识到，疲劳裂纹扩展速率 不仅与k 的瞬时值有关，而且与加载历史和裂纹尺寸有关n 2 1 3 1 。1 9 世纪6 0 年代， w o h l e r 在针对火车车轴疲劳的研究工作中，提出了有关光滑试样旋转弯曲试验数 据，用名义应力幅作为参数来描述疲劳寿命方法。在这种方法中，光滑( 无缺口) 试样是在标距长度范围内的细腰圆柱。实验结果表明，在恒幅加载条件下，这些 合金的应力一寿命曲线通常会在超过大约一百万次疲劳循环数的位置出现了一个 平台。应力幅值低于平台值时，试样可无限循环而不致于破坏。此应力幅值被称 为疲劳极限或耐久极限( oe ) ，对于大多数钢和合金而言，oe 等于3 5 至5 0 抗拉 强度。巾不存在应变时效硬化的许多高强度钢、铝合金和其他材料一般没有疲劳 极限。在这种情况下，把试样可循环至少一千万周次应力幅的最大值称作耐久极 限1 4 1 。 国内对低应力多次碰撞问题的研究始于2 0 世纪5 0 年代，西安交通大学材料 强度实验室的工作尤为突出，周惠久、黄明志等人对多碰抗力进行实验研究，获 得了冲击能量a 和破断周次n 的关系曲线，如图1 1 所示。 l o e 6 | i 2 o 23 狰越则鼢避 i 稿翻海尤嗍瞅；2 钙号铜漶羹处疆：氛筠调抛 图1 1 三种典型材料的多碰a n 曲线 并得出如下规律：a ) 强度和韧度不同的两种材料的a n 曲线存在交点；b ) 淬火钢多碰破断周次与回火温度有关，且存在最优值；c ) 当冲击能量极高时多碰 寿命主要取决于材料的韧性，当冲击能量较低时则主要取决于材料的强度；这一 时期的研究主要集中在材料承受低应力多次冲击载荷时其整体的破断规律。 一般认为，在多次冲击载荷作用下零构件的破坏过程虽然也是裂纹产生和扩 展的过程，但也有自身的特点，它是各次损伤累积发展的结果，因此不同于一次 4 多碰载荷下4 5 钢的分层塑件响应及机理分析第一章绪论 冲击破坏。冲击应力在材料内部以波的形式传播，由于应力波的透射、反射以及 叠加现象，会在有限尺寸的材料内部形成复杂的应力；材料在多碰载荷作用下有 明显区别于静疲劳的尺寸效应等，奠定了多碰疲劳理论基础n 副。在此期间，普遍 把冲击载荷引起的损坏归入到疲劳的范畴，一即冲击疲劳；自8 0 年代开始，国内部 分学者从力学角度出发，对金属材料在冲击载荷下的层裂强度进行了研究，研究 的重点主要集中在两方面：一是零件多碰破断规律、疲劳寿命和抗力；二是多碰 载荷下的表面点蚀、磨损，其中也有牵涉到疲劳变形和变形磨损的研究，但一般 仅限于局部微变形范围，或限于表层区域、次表层区域。如邵天敏等对等离子喷 涂层进行了冲击试验研究，并将频谱分析用于等离子喷涂涂层抗碰撞性能研究， 测试了在不同冲击能量下涂层一基体系的冲击响应频谱，发现存在一个临界转变能 量值，以小于和大于此能量值范围进行冲击试验时其频谱会表现出明显不同的特 征： 文献n 7 1 所述的低应力多碰试验中，对n i 一2 涂层与l c _ 。f ，乃基体试样进行了冲 击试验，实验结果如图1 2 所示： 图1 2 激光涂层试样应变曲线 n i 一2 涂层与l c r i 。m ，n 基体试样从表层到芯部的应变是不均匀的。对涂层而言， 表面累积应变最大，然后应变沿层深成梯度变化的规律逐步减小，即多碰形变具 有“趋表效应 。涂层的应变与距表层深度大约成反比关系。基体的应变与涂层 类似，其值一般与距结合面距离成反比，但结合面处由于有瞬问激光高温熔覆， 可能表现出来的应变会有所突变，形变随碰撞次数的增加和材料的硬化而逐步减 j 、。 第一章绪论多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析 在远低于涂层和基体材料屈服强度的多碰应力作用下，n i 一2 涂层与1 c 。f 9 乃 基体在从表层往下一定深度上出现了累积宏观塑性形变与硬化，并且形变随碰撞 次数的增加和材料的逐步硬化而减小，而形变程度从涂层到基体由表及里呈衰减 趋势，由于形变与硬化是伴随而生的，所以硬化仅在表层以下啶深度发生，也 符合“趋表效应”。如图1 3 所示： 图1 3 激光涂层试样显微硬度 文献n 町中还选用了4 0 、4 0 m n b 、4 0 c r n i m o 三种碳素结构钢，研究了缺口尖锐 度对多碰抗力的影响：对于所有试样由光滑变为缺口时，多碰破断周次急剧下降， 而由钝缺口变为锐缺口时，所引起的破断周次变化则较小。这样，在相同冲击能 量下，缺口试样所承受的名义冲击力和名义应力要比光滑试样大。冲击载荷下材 料的缺口敏感度比静疲劳下材料的缺口敏感度有着不同的规律。一般说来，前者 比后者大。 李学敏对工程上使用较多的热喷涂薄膜进行了多碰试验，观察到多次碰撞载 荷下热喷涂涂层的一些塑性累积变形特点，并且对该涂层的变形机理进行了初步 探讨，在钢基体上喷涂厚2 0 0 2 2 5 u m 的c r 。c ：一2 5 n i c r 薄膜后，进行多次碰撞试验， 也发现了类似现象，其峰值应力在9 0 1 5 0 p m a ，比材料屈服极限1 l1 0 1 5 7 5 m p a 低约一个数量级，冲击1 5 1 0 5 次时涂层变形量可达1 0 3 6l lm ，塑性应变达5 1 8 ，并且涂层表面出现了形变硬化现象。相关研究表明：在低应力多碰载荷作用 下，金属材料承受多次碰撞的能力，不仅取决于材料的强度，还取决于材料的塑 性变形能力n 9 1 。 文献呦1 中进行了多碰接触疲劳寿命试验，分别得出三种涂层试样、三种基体 试样和三种涂层厚度的p _ s n 曲线，如图1 4 、1 5 、1 6 所示。 6 多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析第一章绪论 登 鸪 3 幻 2 5 鸥吲 图1 4 三种涂层试样的s n 曲线对比 奎 3 5 3 弱 2 鼬驺吲 图1 5 三种基体试样的s n 曲线对比 图1 6 三种涂层厚度的s n 曲线对比 考察了涂层材料、基体材料、涂层厚度等各个因素及其耦合对激光涂层基体 系统疲劳强度和寿命的影响，给出了多因素耦合背景下的寿命分析结果。 最近，课题组对低应力多碰试样塑性累积及失效机理做了深入探讨。文献n 力 中建立了一定应力下，多碰塑性应变与碰撞次数、单元层坐标之间的关系。对 1 c 8 f 9 乃试样和经激光涂层强化的l c 8 f 9 乃试样分别建立了累积应变数学模型， 模型分别如下： 1 q 。f 9 死试样：占= o 2 5 5 一垄笋+ ( 一0 1 2 5 + 旦等丝) l n ( 力 ( 1 1 ) 激光涂层试样的涂层粉删0 8 6 p 半+ 慧l n ( j ，) ( 1 _ 2 ) 激光涂层试样的基体部分： 吲l o 5 4 3 p 掣竽+ o 2 半y 筹) 一- 州 ( 1 3 ) 1 3 冲击载荷下材料力学性能的变化 与通常的准静态相比，在动态载荷下，材料的性能发生了重大变化。高应变 7 第一章绪论 多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析 率载荷对材料的塑变、断裂抗力有明显的影响。这是因为在超过了屈服强度进入 了塑变过程之后，高应变率带来了与静载荷不同的力学、热力学问题，导致了塑 变与断裂抗力机理方面的变化。 文献瞳指出，材料的屈服强盹和抗拉强度o 。一般均随应变率的增大而 增大，其中o 。比o 。增大更为明显。随着应变率增高，材料的屈强比增大并趋近于 1 。也就是说，材料趋于脆化。一般而言，低强度高塑性材料的o 。、o 。增加幅度 比高强度低塑性材料更为显著，也就是对应变率的变化更为敏感。材料的延伸率 6 一般也随冲击速度的增加而增加，但当冲击速度超过该材料的临界冲击速度时， 6 则显著下降。材料的断面收缩率对应变率较不敏感，只要在临界冲击速度以下， 基本上保持与静载荷相同。 材料塑变抗力随应变增大而增加的现象，与所谓“迟屈服 有关。迟屈服是 指在高加载速度之下使材料处于高屈服应力的某一应力下保持，发现刚达到此应 力数值的瞬间，屈服变形并不发生，而须在此应力作用下经过一段时间后才发生。 在某一应力下发生屈服变形所需要的时间，称为迟屈服时间瞳射。对于没有物理屈 服点的材料，如不锈钢、淬火回火合金钢等，不存在明显的迟屈服现象，但是仍 需要一定的时间才能使塑性变形达到应力应变曲线上的平衡值。所以仍然显示出 随着应变率增高而屈服应力增高的现象。 在高应变率的冲击载荷下，观察材料的显微组织，不仅可以观察到普通的滑 移线，还常常可以观察到孪晶现象。这是因为孪晶与滑移机制不同，二者的激活 能不同。图1 7 示意表明了孪晶和滑移机制的临界切应力与应变率的关系。当应 变率低时，t 滑善 c 事晶。这样，在高应变的冲击载 荷作用下，常常可以观察到孪晶。 t 图1 7 孪晶与滑移临界切应力与应变率的关系 8 多碰载简下4 5 钢的分层塑性响心及机理分析第一章绪论 1 4 低应力多碰塑性累积变形的特点 低应力多碰塑性变形遵循着一定的规律。大体总结为以下几点： 1 ) 体积不变规律 试样的体积在低应力多次冲击前后不变。实际上，在试样变形过程中，变形 包括塑性变形和弹性变形两部分，冲击结束后弹性变形消失；加之少许冲击磨损； 同时，试样塑性变形还能使体内的空隙、疏松和裂纹等缺陷得以消除，密度增加， 所以冲击前后体积会稍微发生变化。但这点微小体积变化与总体积相比是可以忽 略的。 2 ) 最小阻力定律 在试样变形过程中，如果金属质点有可能向各个方向移动，则每一质点将沿 着阻力最小的方向移动。通常，质点流动阻力最小方向是该质点指向金属变形部 分周边的法线方向。 镦粗矩形柱体时，在垂直镦粗方向的任一剖面内的任一点，其移动方向是着 与周边垂直的最短法线方向进行的( 图1 8 ) 。 图1 8 金属镦粗质点运动示意图 3 ) 塑性变形伴随着弹性变形的定律 变形试样的总变形是由弹性变形和塑性变形所组成。弹性变形时，原子由平 衡位置移动的距离不超过与其相邻原子间的距离，然而在冲击力取消时，原子间 的结合力使原子重新返回到平衡位置。若原子离开平衡位置的距离超过与其相邻 原子间的距离，去掉冲击力后，原子也不会返回到初始平衡位置，而是占据了新 的稳定的平衡状态，试样的形状和尺寸发生了永久性改变。在冲击过程中，弹性 变形与塑性变形的重大差别在于弹性应变数值完全取决于所作用的应力：而在塑 性变形过程中，冲击应力只能是判断应变的增量。因此，在冲击过程中，总变形 9 第一章绪论多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响应及机理分析 包括塑性变形，也包括去掉变形力后消失的弹性变形乜3 | 。 除上述特点外，低应力多碰塑性累积变形最显著的特点是变形“趋表效应”。 所谓的趋表现象包括时间和空间两个方面。时间方面是指在低应力多碰载荷作用 下，材料的塑性累积应变率随碰撞次数的增加而变小直至哥再发生塑性应变。即 在一定的碰撞载荷之下，材料应变只发生在一定的碰撞次数范围内；空间方面的 趋表效应是指材料表层的塑性应变最大，且随着层深的增加而递减，到一定深度 之后不再发生应变，即在低应力多碰载荷作用之下，材料的应变只发生在表面以 下的一定区域内。 1 5 本文研究内容 低应力多碰失效理论的产生与发展，依赖于实践。众所周知，低应力多碰失 效是发生在工程领域中的一类十分普遍的物理现象，它的基本特征即表现为材料 在远低于( 低至一个数量级) 其静强度极限的冲击应力持续作用下，萌生多种类 型的内部缺陷( 如位错、滑移、孔洞、微裂纹等) ，并表现为宏观塑性累积变形， 甚至会逐渐演变成为宏观裂纹，最终导致零构件破坏。 本文利用分层塑性响应这一思想进行试验研究，以期能够在理论上合理解释 这一现象。同时关于材料发生低应力多碰变形的阈值没有一个明确的数值或判定 标准，对现实生产实践指导意义不大，所以得出材料的多碰形变阈值以及多碰累 积塑性累积规律非常必要。 1 ) 材料的多碰塑性累积变形规律及阈值的求解 选用4 5 钢为实验材料，模拟生产中多碰情况，对试件进行低应力多碰试验。 试验中采用分层塑性响应方法，即对试样冲击侧面进行激光刻线，进行网格划分， 通过冲击前后网格变形量的对比，计算出冲击前后试件的变形量，并且假定网格 间距间的变形率趋于稳定不变，借此研究低应力多碰条件下材料的应变及累积规 律，研究4 5 钢试样不同应力水平下的累积变形量及各层硬度变化和碰撞次数间之 间的关系，并通过对低应力多碰累积应变、碰撞应力、碰撞次数、层深等试验数 据进行拟合分析，建立数学模型，并利用数值拟合方法求出4 5 钢的阈值； 2 ) 低应力多碰变形机理的研究 以经典变形理论和几种低应力变形理论作为低应力多碰载荷塑性变形研究的 l o 多碰找衙下4 5 钢的分层塑性响心及机理分析 第一章绪论 基础，结合试验中低应力多碰载荷特点及材料的动态响应，引入位错概念，尝试 用位错理论解释低应力变形机理； 3 ) 碰撞前后试样组织分析 对多碰f j 后试样进行微观分析，通过观察碰撞前后材料微观组织结构的变化， 分析产生多碰塑性变形现象的原因。 第一二章低应力多碰试验方案设计多碰载荷下4 5 钢的分层塑性响麻及机理分析 第二章低应力多碰试验方案设计 2 1 试样制备 进行低应力多碰实验时，首先遇到的问题是选择何种类型的试样。这主 要是由实验目的决定的。实验中所用试样大体分为两类：一类是形状简单、 尺寸较小的试样：另一类实际零构件或局部模拟的原件。为了试验的方便， 这次在实验过程中选择了前一类试样，并且为了减少应力集中对试验结果的 影响，要求是光滑试样。光滑试样的目的，主要是为了减小应力集中对实验 结果的影响，更加准确的得出材料在各种低应力多碰载荷作用下试样的塑性 累积变形规律。然而，实际零构件或多或少地存在有应力集中现象，所以， 材料冲击性能的好坏，在很