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)機械工程學(xué)院,北京 １０００８３;２．江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院,贛州 ３４１０００)

摘 要:利用振動拉伸試驗機對 Q２３５A(chǔ) 鋼在不同頻率、不同激振力下進行了振動拉伸試驗,研究了頻率和激振力對該鋼平均載荷和屈服強度的影響.結(jié)果表明:與常規(guī)拉伸相比,振動拉伸時試驗鋼的平均載荷和屈服強度均減小,表現(xiàn)出明顯的體積效應(yīng);隨激振力的增大,試驗鋼的屈服強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,試驗鋼的屈服強度和在不同變形階段的平均載荷先增大后減小,在９０Hz時達到最大.

關(guān)鍵詞:低頻振動;拉伸試驗;屈服強度;體積效應(yīng)

中圖分類號:TH１１７;TH４０４ 文獻標志碼: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?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度時偶然發(fā)現(xiàn)體積效應(yīng)后,國內(nèi)外研究者從超聲振動或高頻振動入手,對振動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;在低頻振動方面,何勍等[６]基于應(yīng)變疊加原理,解釋了金屬在振動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]試驗發(fā)現(xiàn),低頻振動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作用下塑性成形中體積效應(yīng)的形成條件,并進行了振動擺輾成形試驗研究.在上述研究中,研究者均指出振動會使金屬材料在塑性變形時表現(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,以及激振力與振動頻率對塑性成形過程的影響均未進行詳細分析.為了揭示低頻振動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,在正弦波激勵振動條件下進行了拉伸試驗,通過與常規(guī)拉伸數(shù)據(jù)的對比,分析了低頻振動下 Q２３５A(chǔ) 鋼的拉伸變形行為特點,為振動塑性成形加工中體積效應(yīng)的分析與利用提供試驗支撐。

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為 Q２３５A(chǔ) 鋼,退火態(tài),化學(xué)成分(質(zhì)量分數(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型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,加載速率為kN??min－１.測得試驗鋼的抗拉強度σb 為３７０~５００ MPa,則其斷裂拉力為１０~１４kN。

根據(jù)振動拉伸試驗要求,參照高頻疲勞試驗機的結(jié)構(gòu),在 GPS１００型試驗機的基礎(chǔ)上自行設(shè)計制造了電磁諧振振動拉伸試驗機,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加載.按照文獻[７]的試驗設(shè)計方法,以試驗鋼最小斷裂拉力的５％~３０％作為激振力,在自制的電磁諧振。

振動拉伸試驗機上進行振動拉伸試驗.拉伸速度、試樣尺寸等與上述常規(guī)拉伸試驗的相同,激振力和頻率如表１所示,記錄得到平均載荷Ｇ時間關(guān)系曲線。

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 激振力對平均載荷和屈服強度的影響在頻率

１２０Hz、激振力３kN 作用下,試樣在振動拉伸時設(shè)備報警,未能完成試驗.而其他試驗條件下,振動拉伸試驗均順利完成。

由圖３和表２可知:在頻率１２０Hz的不同激振力作用下,試樣的振動拉伸平均載荷均小于常規(guī)拉伸時的平均載荷,這充分體現(xiàn)出振動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,試樣屈服的時間縮短且屈服強度依次下降;在拉伸時間分別為２００,１０００s,即屈服和塑性變形階段,試樣的振動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)拉伸時試樣的平均載荷等于振動拉伸時的激振力與平均載荷之和。

在循環(huán)載荷拉伸過程中,金屬在塑性變形時由于位錯的短程效應(yīng)、應(yīng)變時效而導(dǎo)致其林位錯密度增加[９].在振動拉伸過程中,低頻振動會使晶界滑移而造應(yīng)力松馳,同時在低頻振動任一周期中,反向變形時的位錯阻力小于繼續(xù)正向變時的位錯阻力.當(dāng)在振動正半周期金屬進行正向變形時,位錯沿某滑移面進行,遇林位錯而彎曲;若在振動負半周期時施加反向力,位錯被迫做反向運動,由于在反向

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

２．２ 頻率對平均載荷和屈服強度的影響

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

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,試樣更早進入屈服階段,其屈服強度為常規(guī)拉伸時的６３％~７０％;其屈服強度和振動拉伸時間分別為２００,１０００s時的平均載荷均隨頻率的增加先增后降,當(dāng)頻率為９０Hz時達到最大,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振動下拉伸時,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 的 平 均 載 荷 減 小,屈 服 強 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,試驗鋼屈服強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時達到最大。