姜麗華，賴運金，劉曉梅，張利軍

(1．陜西省航空材料工程實驗室，西安710018;2．西安西工大超晶科技發(fā)展有限責任公司，西安710016)

0 引言

16Mn鋼由于具有優(yōu)良的綜合力學性能、焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性，因而被廣泛用于各個工業(yè)領(lǐng)域，如建筑工程、壓力容器、橋梁等．16Mn鋼和其他鋼一樣，在鋼的冶煉和澆鑄過程中會產(chǎn)生一些非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜物主要是鐵、錳、鉻、鋁、鈦等金屬元素與氧、硫、氮等形成的化合物［1－2］．16Mn鋼在實際的使用過程中，常常需要經(jīng)歷熱處理，其作用是提高16Mn鋼的機械性能、消除殘余應力和改善金屬加工的切削性能．鋼中的夾雜物對鋼的力學影響十分巨大［3］．MnS夾雜物為鋼中的主要夾雜物［4－6］，在鋼材的實際使用過程中，MnS夾雜物容易與基體產(chǎn)生剝離，從而破壞鋼基體的均勻連續(xù)性，造成應力集中，導致裂紋的產(chǎn)生，并在一定條件下加速了裂紋的擴展速率，因而加速了工程結(jié)構(gòu)破壞的過程．熱處理通過改變16Mn鋼的微觀組織從而對16Mn鋼的力學性能，如在拉伸載荷作用下MnS夾雜物的應力和應變場分布產(chǎn)生影響［7－9］．近幾年，隨著有限元軟件分析方法的發(fā)展和完善，ABAQUS有限元分析方法被推廣應用到金屬材料加載過程中的應力和應變模擬與預測．然而，當前采用ABAQUS有限元軟件對鋼中夾雜物在拉伸載荷作用下的應力和應變分布模擬方面的研究非常少．

本文基于ABAQUS有限元分析方法，對兩種熱處理工藝下的16Mn鋼中MnS夾雜物在拉伸載荷作用下其應力和應變分布進行模擬，以預測16Mn熱軋鋼的晶粒尺寸大小對MnS夾雜物引起的應力和應變集中程度的影響，為工程化應用過程中16Mn鋼的熱處理工藝方案的設計提供理論依據(jù)．

1 試驗材料與試驗方法

本研究所使用材料為16Mn熱軋鋼，其化學成分如表1所示．該批16Mn鋼原始組織為條帶狀鐵素體加珠光體并具有較多的長條形MnS夾雜物．

本研究對16Mn鋼采取兩種不同的熱處理工藝，具體如表2所示．由表2可見，兩種熱處理工藝均得到鐵素體和珠光體組織，只是材料B(16Mn鋼950℃保溫7 h，爐冷)的鐵素體晶粒平均尺寸約為材料A(900℃保溫2 h，空冷)鐵素體晶粒平均尺寸的2倍．將A、B兩種材料的拉伸試樣在SHIMADZU AG－10TA萬能拉伸機上進行拉伸實驗，拉伸速度為1 mm/min．試驗機自動記錄加載時的載荷—位移曲線，而后將其轉(zhuǎn)化為真應力 真應變曲線

表1 16Mn鋼化學成分(wt%)

表2 16Mn鋼的熱處理工藝及顯微組織

2 有限元模擬

創(chuàng)建部件:在ABAQUSCAE軟件［10－11］中構(gòu)建了單個人造半橢球體MnS夾雜物(長軸為50μm，短軸為30μm)三維實體模型．

創(chuàng)建材料屬性:在本次有限元模擬分析中，將拉伸試驗得到的真應力—真應變曲線進行離散化后作為有限元模擬時采用的材料參數(shù)．

定義邊界條件和載荷:邊界和載荷條件示意圖如圖1所示，即模型的左端面沿X方向的位移固定為0，沿Y和Z方向則自由移動．在模型的右端面施加了一個單軸均勻拉伸應力300 MPa．加載方向平行于MnS夾雜物的長軸(X方向)．

圖1 有限元模型的邊界條件和載荷

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分:有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示．采用的是20節(jié)點的二次減縮積分的六面體單元(C3D20R)，網(wǎng)格單元尺寸為2μm．

后處理:有限元模擬輸出結(jié)果為整體和沿特定路徑的應力—應變圖．

3 結(jié)果分析和討論

3．1 整體應力和應變圖

兩種熱處理工藝下16Mn鋼中同尺寸的MnS夾雜物整體應力和應變?nèi)鐖D3和圖4所示．

由圖3和圖4可以清楚地看出，兩種熱處理工藝下的16Mn鋼中MnS夾雜物的整體應力和應變分布相似，在長條形MnS夾雜物附近存在著垂直于加載方向的X形狀的Mises應力和PEEQ集中區(qū)．在MnS夾雜物長軸的兩個端點附近存在應力釋放區(qū)．這一點與Turnbull研究結(jié)果類似．［12］從整體來看，材料A(900℃保溫2 h，空冷)中MnS夾雜物引起的應力和應變集中程度要明顯大于材料B(950℃保溫7 h，爐冷)中MnS夾雜物引起的應力和應變集中．

3．2 沿特定路徑上應力應變曲線

在圖3和圖4的MnS夾雜物整體應力和應變圖中沿X軸路徑取出應力和應變曲線，結(jié)果如圖5和圖6所示．

圖3 材料A(900℃保溫2 h，空冷)的MnS夾雜物

圖4 材料B(950℃保溫7 h，爐冷)的MnS夾雜物

由圖5可見，不論是材料A，還是材料B中的MnS夾雜物沿X軸路徑的應力曲線基本相似．在沿X軸的路徑上，MnS夾雜物應力以短軸為中心對稱分布．在MnS夾雜物長軸嘴處(A點和B點)的應力最低，而在MnS夾雜物內(nèi)，隨著離開長軸嘴點距離的增加，其應力值迅速增加．材料A中的MnS夾雜物長軸和短軸中心處的應力達到最大值，而材料B中的MnS夾雜物在接近長軸和短軸中心附近趨向于飽和．從應力大小來看，材料A中的MnS夾雜物沿X軸方向的應力值明顯大于材料B的相應值．如材料A中的MnS夾雜物沿X軸方向的最大應力值為453．3 MPa，而材料B中的相應值僅為375．2 MPa，前者是后者的1．21倍．

圖5 MnS夾雜物沿X軸路徑的應力曲線

圖6 MnS夾雜物沿X軸路徑的應變曲線

由圖6可見，不論是材料A，還是材料B的MnS夾雜物沿X軸路徑的應變曲線也基本相似．在MnS夾雜物外，隨著距離MnS長軸嘴的變小，其應變值迅速增加．而在MnS夾雜物內(nèi)，沿X方向的應變基本趨于穩(wěn)定．類似地，從大小來看，材料A的MnS夾雜物沿X軸方向的應變值明顯大于材料B的相應值．如材料A的MnS夾雜物沿X軸方向的最大應變值為7．51%，而材料B中的相應值僅為0．26%，前者是后者的28．9 倍．

由此可見，在同一加載條件下，材料A中MnS夾雜物的應力和應變集中程度均明顯高于材料B．加載過程中應力和應變值越大，則基體材料越容易萌生微裂紋，在后續(xù)加載過程中，這些微裂紋也越容易長大、匯合形成宏觀裂紋．宏觀裂紋繼續(xù)擴展，導致結(jié)構(gòu)的強度持續(xù)降低，最終失去承載能力，結(jié)構(gòu)完全被破壞．因此在同一加載條件下，材料A(900℃保溫2 h，空冷)比材料B(16Mn鋼950℃保溫7 h，爐冷)更容易產(chǎn)生裂紋 從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命 其原因可能為材料 在熱處理結(jié)束后 其鐵素體晶粒尺寸明顯小于材料B的鐵素體晶粒尺寸．眾所周知，細晶(材料A)與粗晶(材料B)相比，具有強化效應．

4 結(jié)論

(1)900℃保溫2 h空冷和950℃保溫7 h爐冷兩種熱處理工藝下的16Mn鋼中MnS夾雜物的整體應力和應變分布相似，在長條形MnS夾雜物附近存在著垂直于加載方向的X形狀的Mises應力和PEEQ集中區(qū)．

(2)無論從整體還是特定路徑(沿X軸方向)來看，細晶材料A中MnS引起的應力和應變集中程度要明顯大于粗晶材料B中MnS引起的應力和應變集中．這會導致在同一加載條件下，材料A比材料B更容易產(chǎn)生裂紋，從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，其原因與細晶強化有關(guān)．

［1］李代鍾．鋼中的非金屬夾雜物［M］．北京:科學出版社，1983．25－28．

［2］鄧漢忠，孟祥鋒．回火溫度對16Mn鋼含鈦焊縫組織及性能的影響［J］．金屬熱處理，2012，37(9):92－95．

［3］張莉萍，葛建國，趙愛軍．淺談鋼中夾雜物的控制對鋼質(zhì)量的影響［J］．包鋼科技雜志，2002，28(4):85－88．

［4］程曉舫，胡宇．鋼中夾雜物分析方法與探討［J］．金屬制品，2006，32(4):52－54．

［5］劉志軍，易良剛，呂學輝，等．簡析鈣處理對管坯鋼中夾雜物的影響［J］．鋼管，2012，(3):44－47．

［6］邵肖靜，王新華，姜敏，等．加熱過程中硫系易切削鋼中MnS夾雜物行為的動態(tài)原位觀察［J］．金屬學報，2011，47(9):1210－1215．

［7］方修洋，曹睿，李廣，等．16MnR鋼不同晶粒尺寸及第二相尺寸對低溫沖擊韌度的影響［J］．機械工程學報，2011，47(16):40－44．

［8］賴運金，曾衛(wèi)東，張馳，等．Ti－17合金高溫變形中的不連續(xù)屈服與流變軟化研究［J］．機械科學與技術(shù)，2007，26(9):1183－1186．

［9］賴運金．鈦合金片狀組織演變機制與球化動力學研究［D］．西安:西北工業(yè)大學碩士學位論文，2007．20－22．

［10］王丹，韓磊，陳加鑫．基于Abaqus的O形橡膠密封圈熱應力分析［J］．橡膠科技，2013，(6):18－21．

［11］杜敏，趙彥．ABAQUS在混凝土結(jié)構(gòu)課程教學中的應用［J］．山西建筑，2014，(4):257－259．

［12］Turnbull A，F(xiàn)erriss D．H．Mathematicalmodelling of the electrochemistry in corrosion fatigue cracks in structural steel cathodically protected in sea water［J］．Corros Sci，1986，26(8):601 － 628．