吳志煜，李 靜，鄭曉蘭，陳海濱，王時越

(1.云南省計量測試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228； 2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引 言

35CrMo鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，是工業(yè)生產(chǎn)特別是汽車行業(yè)中常用的一種合金結(jié)構(gòu)鋼。由于其在加工成型及使用過程中會有不同程度的拉伸預(yù)應(yīng)變過載，例如汽車傳動軸、剎車制動桿等在啟動及停機的瞬間，這些構(gòu)件往往會產(chǎn)生拉伸預(yù)應(yīng)變過載，這些過載會對材料的力學(xué)性能帶來一定的影響。目前，已有許多科研工作者研究了預(yù)應(yīng)變或過載對材料力學(xué)性能的影響，如胡漢生等[1]研究了預(yù)應(yīng)變對TRIP鋼力學(xué)性能及硬化行為的影響，曾宇卓等[2]研究了拉伸預(yù)應(yīng)變對TRIP鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響。

為了進(jìn)一步研究拉伸預(yù)應(yīng)變及過載對35CrMo鋼扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能的影響，本文將試件分別預(yù)拉伸至不同的應(yīng)變，在ND-2000C微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機上進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗[3]并比較不同預(yù)拉伸應(yīng)變對其扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能的影響，以便為工業(yè)機械設(shè)計、檢測等相關(guān)部門提供參考。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

試驗所用材料為35CrMo鋼，無熱處理，由西寧特殊鋼股份有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 35CrMo鋼化學(xué)成分(%)

參照GB/T 10128-2007對試件尺寸的要求，本試驗試件尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸

2.2 試驗方法

試件先在MTS810材料試驗機上進(jìn)行預(yù)拉伸變形，預(yù)應(yīng)變?yōu)?%、2%、3%、4%、5%，使試件產(chǎn)生塑性變形，然后再在ND-2000C微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機上做扭轉(zhuǎn)試驗，直至試件扭斷，每一種預(yù)拉伸應(yīng)變下各3根試件。試驗時轉(zhuǎn)速為60°/min，試驗的采樣頻率為10Hz。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)點繪制扭轉(zhuǎn)試驗的扭矩-轉(zhuǎn)角即Me-φ曲線，比較不同預(yù)拉伸應(yīng)變下試件剪切屈服強度和抗扭強度的變化。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 預(yù)拉伸試驗

先將試件在MTS810材料試驗機上進(jìn)行預(yù)拉伸，其預(yù)拉伸應(yīng)變及對應(yīng)的載荷見表2。

表2 試件的拉伸預(yù)應(yīng)變數(shù)值

試件在預(yù)拉伸應(yīng)變作用下發(fā)生塑性變形，試件的標(biāo)距增加，根據(jù)體積不變原理可知，試件橫截面直徑將變小，這與表2中測得的結(jié)果一致。

3.2 扭轉(zhuǎn)試驗

將預(yù)拉伸試件在ND-2000C微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機上進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗，根據(jù)采集的扭矩-轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)繪制Me-φ曲線，如圖2所示。

圖2 不同預(yù)拉伸應(yīng)變下試件的Me-φ曲線

由圖2可以看出，35CrMo鋼試件經(jīng)預(yù)拉伸后，其能夠承受最大扭矩即承載能力有所下降，且隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而逐漸下降；扭轉(zhuǎn)角φ變化不大，也就是說,預(yù)拉伸對試件的切應(yīng)變影響不大。

3.3 結(jié)果分析

由圖2可以看出，35CrMo鋼試件扭矩-轉(zhuǎn)角曲線沒有明顯的屈服平臺，按照文獻(xiàn)[4]中剪切屈服扭轉(zhuǎn)角的計算方法來確定試件屈服時對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φs，用下式計算：

(1)

式中，φp為比例切應(yīng)力τp對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角，也就是Me-φ曲線中直線與曲線過渡區(qū)所對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角；l0為試件工作部分的標(biāo)距；d0為試件工作部分的直徑。

從式(1)可以看出，試件扭轉(zhuǎn)試驗中橫截面最外層開始屈服時對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φs等于Me-φ曲線中直線與曲線過渡區(qū)所對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角φp再加上0.006l0/d0，與屈服扭轉(zhuǎn)角φs對應(yīng)的扭矩即為屈服扭矩Ms。

為了試驗結(jié)果相互之間的可比性，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10128-2007規(guī)定，金屬材料扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度τs和抗扭強度τb采用下式計算：

(2)

根據(jù)上述分析，可以求出35CrMo鋼試件不同預(yù)拉伸強化后再扭轉(zhuǎn)試驗中的屈服扭矩Ms、屈服強度τs、最大扭矩Mb和抗扭強度τb，其值如表3所示。

表3 不同預(yù)拉伸應(yīng)變下試件的屈服強度和抗扭強度

從表3可以看出，35CrMo鋼試件經(jīng)預(yù)拉伸強化后再扭轉(zhuǎn)，其屈服扭矩Ms和剪切屈服強度τs比沒有預(yù)拉伸強化試件的數(shù)值均有提高，且在本試驗中隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而增加，但預(yù)拉伸強化試件的抗扭強度τb的變化幅度很小。文獻(xiàn)[5,6]研究了907A鋼在拉伸-扭轉(zhuǎn)作用下的力學(xué)性能，結(jié)果和本試驗中的現(xiàn)象一致，且預(yù)拉伸應(yīng)變到達(dá)一定程度后試件的剪切屈服強度不再提高，即試件的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能將不受預(yù)拉伸強化的影響。因此，在工程實際應(yīng)用中，根據(jù)對35CrMo鋼材料的扭轉(zhuǎn)承載能力的要求，選擇合適的預(yù)拉伸應(yīng)變(低于試件抗拉強度對應(yīng)的應(yīng)變)對材料進(jìn)行預(yù)拉伸強化，提高材料的使用價值。

3.4 剪切屈服條件

Tresca和Mises屈服條件[7]認(rèn)為材料的靜載拉伸屈服強度σs與扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度τs之間的關(guān)系為：

τs/σs=0.5

(3)

(4)

式(3)為Tresca屈服條件；式(4)為Mises屈服條件。

用試件(無拉伸預(yù)應(yīng)變)進(jìn)行單一拉伸試驗，其靜載拉伸屈服強度σs=540.86MPa，可得無拉伸預(yù)應(yīng)變試件剪切屈服強度τs=317.85MPa，表4列出了由上述方法求出的扭轉(zhuǎn)剪切屈服條件與Tresca和Mises屈服條件的比較。

表4 不同扭轉(zhuǎn)剪切屈服條件的比較

從表4可以看出，本試驗采用確定扭轉(zhuǎn)剪切屈服條件的方法與Mises屈服條件很接近，誤差很小。因此，可以通過靜載拉伸屈服強度和Mises屈服條件來近似地計算其扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度。

4 結(jié) 論

(1)試件經(jīng)預(yù)拉伸后，其能夠承受的最大扭矩即承載能力有所下降，且隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而逐漸下降，而扭轉(zhuǎn)角變化不大。

(2)預(yù)拉伸強化可以提高試件扭轉(zhuǎn)時的剪切屈服強度，且隨著預(yù)拉伸應(yīng)變的增大而逐漸增大，但對試件抗扭強度的影響很小。

(3)可通過試件的靜載拉伸屈服強度和Mises屈服條件來近似地計算其扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度。