（固体力学专业论文）预应变A3钢的力学性能实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 蔫要 a 3 钢是我们日常生活和教学中常用的一种塑性材料，但对于这种材料在 翅转预应变积拉伸预应变后的力学性熊曼翦研究的不多。特别怒在扭转一拉 审 一拉 睾和控 牵一援转一致 枣等二次硬纯菇静矗3 镪鲶力学淫还不旗了簿。 本文研究了a 3 钢试件在单一挝伸、纯扭转喇的力学性能；在拉伸一扭转、 扭转一拉伸时的力学性能；在扭转一拉伸一拉伸、拉伸一扭转一拉伸时的力学性能。 a 3 镪试传在单披伸韶纯扭转对都有明显的震服平台，邀说明a 3 锅试 俘在单一控 率帮缝藏转时聱有鞠显静物理属l 受邀獠。把矗3 镶试俘单一拉释耩 纯扭转时应力应变关系绘于同一个坐标中即等效应力和等效应变坐标中，可 e 【看出当等效应变较小时拉伸实验得到的等效应力应变曲线与纯扭转实验得 到的等效应力应变遗线基本重合。但单一拉 审骏纯扭转褥到的簿效应力要嗡 高些。当等效压变较大时两者逐溺有显著差舅。在丈应交下，由扭转实验 测得的等效应力值较商。由纯扭转嶷验得到的等效应力应变曲线较拉伸实验 延长5 - 6 倍。 a 3 钢试俘在颈撼转后，后继羧 枣屈爨极限秘强度较限均蠢摄大提毫，键 强度裰黻静增大趋势到预扭转量为1 7 7 r 为止，预掇转量大子1 7 筇( 预应交傻 为总应变的8 1 1 9 ) 后强度极限迅速下降，与其屈服极限接近，这说明a 3 7 ：件经预扭转强化后逐渐由塑性转化为脆性。该颈应变值为a 3 钢试件的韧 腱转交点。a 3 钢试馋在拉搏一扭转撵羁下，屈驻搬限毒稷大强褰，恒强度极 限没有多大改变，葡且，屈服裰藤的增大趋势要颧控停量为0 + 2 5 商夺( 预应 变量为总应变量的6 6 + 9 3 ) 后就不辨增加。 a 3 钢试件在拉伸一扭转一拉伸作用下的力学性能与单一拉伸相比，试件的 露鞭校毅帮强疫投袋郄育缀大挺寒。矮骚掇蔽撼蠢辐度最高可达1 0 9 3 6 ， 强度板黻提高幅度最满可这5 6 2 6 。其中屈服极限在预拉伸应变0 1 后霉预 扭转1 4 硝后达到最大慎，而强度极限随着预扭转爨的提高不断增大。 从几种硬化形式的比较来看，对予强度极限的提高，扭转一拉伸和拉伸一 护咎一拉秘豹强缀教慕籀透，只是蔽 枣一扭转一抟伫露霉戆礞应资幕要大一些： 而对于腻服极限的提赢，抠转一拉傍一拉馋 乍疆下的强化效果最佳。 考虑几种预应变下的a 3 钢试件的总塑性，拉仲一扭转一拉伸作用下的总毅 性比扭转一拉伸和扭转一拉伸一拉伸作用下的总塑性有明显的提高。但它们的总 塑莲懿鼹大篷罄大予蕈一破坏形式下豹惑燮蝗e 关键词：预应变：屈服扭矩：屈服极限；强度极限；韧脆转变；总塑性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea 3s t e e l i sak i n do f p l a s t i cm a t e r i a lw h i c hw ec o l t u n o n l yu s e di no u r d a i l yl i f ea n dt e a c h i n g ，b u t t h e r ei sn o tm u c h s t u d yo f m e c h a n i c a lb e h a v i o u ro f t h em a t e r i a la f t e rp r e t o r s i o na n d p r e t e n s i o ni n t e n s i f ya tp r e s e n t i ti sn o ty e tv e r y k n o w n e s p e c i a l l yo f t h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ra f t e rs e c o n d a r yh a r d e n i n gs u c ha s t o r s i o n t e n s i o n t e n s i o na n dt e n s i o n - t o r s i o n t e n s i o n t h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ro fa 3s t e e ls p e c i m e nu n d e rm o n o t o n i ct e n s i o n 、 p u r et o r s i o n ，t o r s i o n - t e n s i o n ，t e n s i o n t o r s i o n ，t o r s i o n t e n s i o n t e n s i o n ，t e n s i o n t o r s i o n t e n s i o nw e r es t u d i e db ys t a n d a r dc y l i n d e rs p e c i m e ni nt h i sp a p e r t h e r e w e r eo b v i o u s y i e l dp o i n tj o g b o t hw h e nt h ea 3s t e e l s p e c i m e n a r eu n d e r m o n o t o n i ct e n s i o na n d p u r et o r s i o n ，t h i s i l l u s t r a t e st h a tt h e r ea r eo b v i o u s p h y s i c a ly i e l dp r o c e d u r e i nt h e s ep r o c e s s w h e nw ed r a wt h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n o fm o n o t o n i ct e n s i o na n d p u r e t o r s i o na tt h es a m ec o - o r d i n a t en a m e l y e q u i v a l e n t e f f e c t i v es t r e s sa n de q u i v a l e n te f f e c t i v es t r a i nc o - o r d i n a t e i ti so b v i o u s l yt h a tt h e e q u i v a l e n te f f e c t i v es t r e s s - s t r a i nc u r v e o fm o n o t o n i ct e n s i o na n d p u r et o r s i o na r e b a s i c l ys u p e r p o s i t i o n w h i l et h e e q u i v a l e n t e f f e c t i v es t r a i ni ss m a l l e r b u t e q u i v a l e n te f f e c t i v es t r e s sl e v e lo f m o n o t o n i ct e n s i o nw a sh i g h e ral i t t l et h a nt h a t o fp u r et o r s i o n w h i l et h e e q u i v a l e n t e f f e c t i v es t r a i nw a s h i g h e r t h e r e w a s s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e n t h et w oc u r v eg r a d u a l l y u n d e rm a c r o s t r a i nl a r g e s t r a i n ，t h ee q u i v a l e n te f f e c t i v es t r e s so fp u r et o r s i o nw a sh i g h e nt h ee q u i v a l e n t e f f e c t i v es t r e s s - s t r a i nc u r v eo f p u r e t o r s i o nw a sf i v e - s i xt i m e sl o n g e rt h a nt h a to f t e n s i o ne x p e r i m e n t a f t e rp r e t o r s i o nt h es u c c e s s o rt e n s i l ey i e l dl i m i ta n ds t r e n g t hl i m i tb o t h i m p r o v e dv e r yh i g h l y , b u t t h et r e n do ft h ei n c r e a s eo ft h es t r e n g t hl i m i tw a s s u s p e n d e d t i l lt h e p r e t o r s i o n a lc a p a c i t y r e a c h e d17 z ，w h e nt h e p r e t o r s i o n a l c a p a c i t yw a sg r e a t e rt h a n l7 才( p r e s t r a i n v a l u ew a s8 1 1 9 o ft o t a l s t r a i n ) ，t h e s u c c e s s o r s t r e n g t h l i m i t r a p i d f a i l e da n d a p p r o a c h e d t h e y i e l d l i m i t t h i s i l l u s t r a t et h ea 3s t e e l s p e c i m e nt r a n s l a t e f r o mp l a s t i c i t yi n t o f r i a b i l i t y a f t e r p r e t o r s i o ns t r e n g t h e n m e n t h es p e c i m e nw a s o p e r a t e db y t e n s i o n t o r s i o na c t i o n 、 t h e y i e l d l i m i th a dv e r yl a r g e i m p r o v e d ，b u t t h e s t r e n g t h l i m i tc h a n g e dv e r y l i t t l e f u r t h e r m o r e ，t h et r e n do f t h ei n c r e a s eo ft h es t r e e 【g t hl i m i tw a ss u s p e n d e dt i l l t h ep r e t e n s i o nc a p a c i t yr e a c h e do 2 5 ( p r e s t r a i nv a l u ew a s6 6 9 3 o f t o t a ls t r a i n ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w h e nt h ea 3s t e e l s p e c i m e nw a so p e r a t e db yt e n s i o n t o r s i o n t e n s i o n a c t i o n b o t ht h ey i e l dl i m i ta n ds t r e n g t hl i m i th a dv e r yl a r g ei m p r o v e dc o m p a r e d w i t ht h a to fm o n o t o n i ct e n s i o n t h ei m p r o v es c o p eo ft h ey i e l dl i m i tc o u l db e l0 9 3 6 ，t h es t r e n g t hl i m i tc o u l db e5 6 2 6 t h ey i e l dl i m i tv a l u er e a c h e dt h e m a x a f t e rp r e t e n s i o n0 1s t r a i na n d p r e t o r s i o nt o 1 4 z ，w h e r e a st h es t r e n g t hl i m i t k e e p o i li n c r e a s i n gi nc o m p a n yw i t ht h ep r e t o r s i o n a lc a p a c i t y c o m p a r i n gw i t ht h e s e s e v e r a ls t r e n g t h e nf o r m a l ，t o w a r d ss t r e n g t hl i m i t s i m p r o v e m e n t t h ee f f e c to ft o r s i o n t e n s i o na n dt e n s i o n t o r s i o n - t e n s i o nw a s c l o s e ；s i m p l yt e n s i o n - t o r s i o n t e n s i o nr e q u i r e da l i t t l el a r g e rp r e s t r a i nq u a n t i t y w h e r e a s ，t o w a r d sy i e l dl i m i t 。si m p r o v e m e n t ，t h ee f f e c to ft o r s i o n t e n s i o n t e n s i o na c t i o n ss t r e n g t h e nw a st h eb e s t c o n s i d e rt h et o t a lp l a s t i c i t yo ft h e s es e v e r a lk i n d so fp r e s t r a i na 3s t e e l s p e c i m e n t h et o t a lp l a s t i c i t yo ft e n s i o n t o r s i o n t e n s i o na c t i o nw a sh i g h e rt h a n t h a to ft o r s i o n t e n s i o na n dt o r s i o n - t e n s i o n t e n s i o na c t i o n b u tt h em a xv a l u e s o ft h e i rt o t a lp l a s t i c i t yw e r ea l lg r e a t e rt h a nt h o s eo f a n ys i n g l ed e s t r u c t i o n a lf o r m k e yw o r d ：p r e s t r a i n ；y i e l dt o r q u e ；y i e l dl i m i t ：s t r e n 垂bl i m i t ；d u e t i l i t y - b r i t t l e n e s s t r a n s i t i o n ：t o t a lp l a s t i c i t y 嗡尔演工程大学硕士学钽论文 i i i i 第1 章绪论 弓l 言 缀长对阉阻亲，a 们溅经注意嚣了褥释不麓的硬纯过程得到豹n 耢辩豹力学 性能的差异，1 9 3 9 年s w i f t 0 1 等就研究了预掇转变形对软钢后继控伸性能的 影响。 在生产实践中，尤其鼹在金属材料的成型过程中，材料一般要经过多种变 形才熊够完成，研究这魑变形对材料成型后的力学性能的影响对选择合理的 或燮工艺、提高产品蒺爨垮蠢重大意义。诲多瑗象表明楗辩的攀滑拽律硬化 霜懿转硬纯嚣豹力学瞧麓蠢缀大差裂。 羹转冷 乍矮耗嚣奉于瓣粒强发不仅l 褥 到大幅度提高，而且其辍性也无明显损失。躐此研究金属材料的冷作硬化现 象对充分发挥材料的力学性能潜力具有很高的工程实际意义。本文对a 3 钢棒 材的扭转冷作硬化现象等几种预应变形式进行了理论和实验上的研究，得到 了符会实际的结论。对工稷应用很有指导价馕。 ，2 零才精冷终疆诧黪研究臻获 s c k e s t n e r 。3 研究了冷作硬化对断裂的影响。所用的材料怒工业用纯钛 板，t 卜3 0 h 和t i 一6 5 0 h 冷作硬化过程包括：单轴拉伸、平面应炎挝伸和等轴 拉伸，单轴拉伸一等轴搬伸，等轴拉伸一单轴报伸。研究结果表明，塑性提高 的幅度在不同的硬化过裰中是不同的，在硬化过程中材料的塑憾均有提高， 等麓挝l 枣一擎鞫拉 枣凌攀毒燕控 率一等轻拉 睾瑗纯条箨下，塑毪据褰瓣更多。对 断裂裘面轮廓的仔细蕊黎发现在颤裂裁并没旃出现局部颈缩现象。通过对断 口的观察发现是延性的微孔断裂。由此可知，冷作硬化对微孔断裂过程有影 响。当躁大主应力o3 或外加的静水压力“1 增大时，微孔形成所需的应变就会降 低。微孔的形成也会受至u 硬化过程的影响，这是由于基体与粒予阃应变的不 协调蕊造成局部内应力作用鲍结果，这种不协调是局部应力的主燹来源，该 盛力楚镬粒子錾裂或袋爨薅与粒予髓牙，众酝溺鲡，徽强夔长大瓣翔载逮程 也缀敏感，随着静东嚣力豹增搬丽袄速长大。两微孔连接对应力状态翡敏感 性还不清楚。理论和实骏的研究均表明平西成变和等轴拉伸可以诱发不稳定 从而在很大程度上影响徽孔连接“1 。因此，与单轴拉伸相比，在镣轴拉伸时， 在很小的微孔密度下，微孔就开始连接。从而，从损伤的角度出发，塑性断 裂可麓与搬载硬化过程蠢荚；同时上述结暴与疲交造成的累计损伤有关，由 皮燮疆纯或应交率溪纯熬交往氇麓彩璃宏鼹藏变是嫠纯稳镦蕊颧笈应交。这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个影响应该归结于加载过程变化后的应变硬化瞬态的正负和大小。对于由应 变硬化瞬态引起的断裂应变的明显增加而言，该瞬态应当呈现出较高的应变 硬化指数和较低的流变应力水平。综合考虑损伤和应变硬化，不难发现，非 比例加载，不同的硬化过程对断裂时的总应变量有很大影响。从损伤的角度 来看，一种可能的原因是塑性变形不均匀的板材在平面应变变形时，产生较 大的最大主应力，在复杂的预应变硬化条件下材料避免了形成这种由平面应 变拉伸所形成的较大的主应力，这样，就推迟了空穴成核，有利于塑性提高。 然而，影响的大小也表明，其他的因素也很重要。此外，微孔的长大和连接 会在硬化条件下加速。这表明，对于同样的空穴密度，在两种不同的预应变 之后，应变增量较大。因此，对于给定的微孔密度和损伤程度，若双轴拉伸 在单轴拉伸之后，很快就会发生断裂。 纪维常等“1 研究了在螺栓连接中冷作硬化的应用。当然，他们采用的是传 统的拉伸冷作硬化来提高螺栓的强度。摩擦型螺栓( 如图1 1 所示) 连接原 理是用特制的扳手上紧螺帽，使螺拴产生巨大而又受控制的预拉力p ，通过 螺帽和垫圈，对被连接构件也产生了同样大小的预压力p 。在预压力p 的作 用下，当被连接件在外力n 的作用下有相对移动的趋势时，沿被连接构件表 面上就会产生较大的摩擦力，显然，只要n 力小于此摩擦力，构件便不会滑 移，连接就有效。这就是摩擦型螺栓连接原理。该方法与其他( 铆接、焊接、 普通螺栓) 连接方法相比较具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及 在动力载荷作用下不致松动等优点。为了使接触面具有足够的摩擦力，就必 须提高构件间的夹紧力，即增大正应力，提高构件接触面的摩擦系数。构件 间的夹紧力是靠对螺栓施加预拉力获得的。但是传统的方法是把4 5 号钢或其 它钢材进行热处理后加工成螺栓，螺栓的最大预拉力p ，受钢材的屈服极限盯。 控制。例如4 5 号钢经“调质”处理的屈服极限盯，= 3 5 3 m p a ，而抗拉强度为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 巩= 6 3 7 m p a 。如采用“冷作硬化”新方法设计，取控制应力为o 9 0 r 。时， 则此时的应力为： o - o = 0 9 x 6 3 7 = 5 7 0 m p a 那么由此可提高强度： k ：婴二塑：6 1 3 5 3 在承受同样预紧力的情况下，采用新的方法可节省钢材： ：l 一生：1 一垒：1 一望：3 8 7 a 】盯o 5 7 0 由此可见，如将4 5 号钢采用热处理后再进行“冷作硬化”处理的钢材制 造螺栓可提高钢材的强度6 0 左右，可节省钢材近4 0 。从而为减轻设备自 重、降低成本取得可靠的理论依据。 进给量1 2 图l - 2 进给量对冷硬层深度 切削速度v 图1 4 切削速度对冷硬层深度 的影响曲线 切削深度 删 图1 f3 切削深度对冷硬层深度 的影响曲线 图1 5 切削角对冷硬层深度 的影响曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 0 出一。 图1 6 后刀磨损面对冷硬层深度的影响曲线 王颖等c 一研究了奥氏体不锈钢切削加工的冷作硬化现象。已加工表面冷作 硬化增大了表面层的脆性，降低了零件抗冲击的能力，给后继工序的切削加 工增加了困难”州”3 。而不锈钢的冷作硬化现象更为严重，所以一直是有关人 员研究的主要问题之一。尤其是奥氏体不锈钢切削加工的冷作硬化现象更值 得进行探讨，该文献应用了显微镜、显微硬度计等测试手段，对q c 。1 3 n 。批 奥氏体不锈钢为试样进行了刨削加工冷作硬化的研究。研究表明奥氏体外表 层最硬，随着深度的增加，硬度减小，小到一定深度处便等于母材的硬度， 这是冷作硬化所致。冷作硬化层的深度受到进给量、切削深度、切削速度、 切削角和后刀面磨损的影响。冷作硬化层的深度随着进给量的增加而增大( 如 图1 2 所示) ，而且进给量对冷作硬化层深度的影响是较大的。主要是由于进 给量的增加增大了切削力，提高了平均接触温度，从而增大了冷硬层深度。 冷作硬化层的深度随着切削深度的增加而增大( 如图1 3 所示) 。但是，切削 深度对冷作硬化层深度的影响不大。主要是由于随着切削深度的增加，切削 宽度也增加，塑性变形增加，使冷作硬化层深度有所增加。切削速度对冷作 硬化层的深度影响比较复杂( 如图1 4 所示) 。当切削速度为v 1 5 米分时。 则相反。主要是由于在切削速度v 1 5 米分时是在不产生积屑瘤的切削速 度范围内，切削速度越高，冷作硬化现象越轻。在切削速度v r 0 处，f = g y = g r 0 a 在塑性区，即r r 处，f = 。 这里，当使用m is e s 屈服条件时，k ：下o s 。 吖j 当使用t r e s c a 屈服条件时，= ! 。 由( 2 9 ) 式可得，在弹塑性状态时扭矩m ，应为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 膨；= ：万 fe 毒，2 办+ f 扫2 毋) = ；艘3 枣 ，一丢( 素) 3 当r 、：r 时，圆轴开始屈服，此时时，= 三艘3 女。 当：o 时，圆轴全部屈服( 如图2 3 ( c ) 所示) ，此时恤：2 z r ，女。 图2 3 圆轴在三种状态下的剪应力 对于在圆轴扭转中确定r y 曲线的方法，文献 2 3 提出了一种新的解法 对于圆截面扭转试件，在整个加载变形过程中，可以始终认为材料力学中的 平面假设所描述的变形规律是存在的。这一点己由实验充分验证，并在弹塑 性力学中广泛应用。基于上述认识，我们设图2 4 为在实心圆截面试件标距 1 。两端面间施加一个扭转角( p 时，在标距间任取的微段。微段两端面相对扭转 角为d q ) ，由平面假设和变形几何关系知，如果我们仍沿用小变形下的剪应变 定义，对应图2 。5 示横截面上的剪应变分布将为 图2 4 试件微段示意图图2 。5 时刻1 横截面剪应力分布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 图2 6 材料应力应变图图2 7 时刻2 横截面剪应力分布图 y ( 户) ：p 宰 ( 2 1 2 ) ( p 是横截面的变形参量，与面内各点位置无关。即华对p 是不变量： “ 塑：里：坩f( 2 1 3 ) 出 f n 故，这时有p 。c y 在材料进入塑性变形阶段后，我们比较两个相邻时刻，对应时刻1 及时 刻2 的力学量分别于右下角附加下标1 和2 。 设时刻l ，横截面上扭矩为肘杆任意横截面上沿半径0 a ( 图2 5 ) 各 点剪应力分布由q = t i ( p ) 给出。它将与材料的应力应变曲线f = f ( y ) ( 图 2 6 ) 的某一部分i 有相似的分布。( 只要将两曲线自变量y 与p 按( p ，l 。作相似 比进行变换，他们就能重合。) 此点与材料物理关系存在形式无关，只是在 ( 2 - 1 3 ) 式前提下变换横轴。 对应时刻2 ，横截面扭矩增至m 。：，这时由前述理由，直径0 a 上的 f ! = 毛( p ) 的分布曲线( 图2 7 ) 将相似于图2 5 中f = f ( y ) 曲线上的i 、i i 两段和。 不妨设 由( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、 p 2 = 仍( b 1 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 4 ) 式得 2 ( p ) = 砂j ( 力( o 户r ) ( 2 1 5 ) 哈尔溟工程大学硕士学位论文 为便于讨论，将f ：= r ：( p ) ，分别对应于图2 7 的o b 、b a 两部分。在b 处满足y 。：= ，。易推 0 b = r 女( 2 1 6 ) o b 线段上q = f ：( p ) 的分布曲线段也相似于f = r ( y ) 曲线的部分i ( 可看 作时刻1 的f = f ( p ) 图，径向收缩为原尺寸的i k 倍而得到的) 。而b a 段 f ! = r ：( 厂) 分布图所对应的f = 玫力曲线上的相似段应是当 y 。 ，2 y 一2 ( 其中y 。1 = 纯r l o ，y 。2 = 9 2 r 1 1 。) 时的部分( 图2 6 的 曲线段i i ) ，它可看作曲线段i 随变形增大的延伸。 如果时刻1 与时刻2 临近时，即0 妒2 一尹l 1 ( o y 2 一“ 纯时 ( 3 - 2 9 ) 由式3 - 2 9 可知，当妒斗碱 帆斗警，即随着扭转角的不断 增加，扭矩逐渐趋于定值，扭矩转角曲线上表现为一平台，这实际上是扭转 条件下屈服传播的过程。m 。一妒曲线如图3 9 所示，其中渐近线对应的扭矩 肘。：警，于是有 图3 9 用理想弹塑性模型计算的m 。一妒曲线 g 磁：9 j 生：! 塾：三 m 。 g r m 0 4 妒；4 2 4 l o 3 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 即 1 m n s = m 。 ( 3 3 0 ) 因此在扭转条件下，屈服的时刻开始于屈服平台( m 。) 之前的m 。，处，如 斗 图3 9 所示。 3 3 2 a 3 钢试件扭转时剪应力剪应变