趙志豪 付應(yīng)乾 周剛毅 舒 旗

1.寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315211 2.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

1 研究背景

自20世紀(jì)90年代三維打印技術(shù)發(fā)展以來,三維打印材料從高分子材料發(fā)展至金屬粉末材料,使三維打印技術(shù)在航空航天、軍事、汽車制造等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-5]。這些領(lǐng)域?qū)θS打印材料有著特殊要求,如零部件要具備耐沖擊、擠壓、變形等性能,由此三維打印材料的力學(xué)性能成為研究重點(diǎn)。

目前重點(diǎn)關(guān)注工藝參數(shù)優(yōu)化對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響[6-8],在三維打印成型件動(dòng)態(tài)加載方面的研究比較少。因此,有必要對(duì)三維打印成型件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能開展研究。

文獻(xiàn)[9-10]對(duì)應(yīng)變率為0.01～600 s-1的三維打印GP1不銹鋼材料加載的平板試樣動(dòng)態(tài)拉伸性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明三維打印GP1不銹鋼材料的流動(dòng)應(yīng)力存在明顯應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。Song等[11]進(jìn)行三維打印304L不銹鋼材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能研究,結(jié)果表明,當(dāng)應(yīng)變小于30%時(shí),三維打印制造的304L不銹鋼試樣在動(dòng)態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)拉伸不同加載狀態(tài)下都比傳統(tǒng)技術(shù)制備的試樣表現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度和更大的流動(dòng)應(yīng)力,在應(yīng)變率高于500 s-1時(shí),得到明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

三維打印成型件較高應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究較少,但是在高速成型及高速車削等應(yīng)用領(lǐng)域,需要研究103～104s-1極高應(yīng)變率條件下的材料力學(xué)性能。因此,有必要對(duì)三維打印成型件的超高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步研究。筆者采用M型拉伸試樣,利用分離式霍普金森壓桿進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載,結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)三維打印GP1不銹鋼材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析不同應(yīng)變率下的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)方法

目前,材料的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)主要采用分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置。這一裝置主要采用粘接、螺紋、銷釘?shù)确绞綄⑷肷錀U、透射桿與試樣軸肩連接。粘接方式連接強(qiáng)度低,無法滿足較高強(qiáng)度材料的性能測(cè)試需要。螺栓及銷釘連接必須有極高的加工和安裝精度,以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。對(duì)于霍普金森壓桿試驗(yàn)技術(shù)存在的問題,Mohr等[12]設(shè)計(jì)采用霍普金森壓桿對(duì)M型拉伸試樣加載,將壓縮應(yīng)力波轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)試樣動(dòng)態(tài)拉伸加載,這樣可以避免試樣與桿的連接問題,但是這一方法提出后未見采用及試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]改進(jìn)M型拉伸試樣,獲得了有效的高應(yīng)變率拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。筆者采用分離式霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)方法,對(duì)三維打印GP1不銹鋼材料動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

▲圖1 M型拉伸試樣加載原理

▲圖2 分離式霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)

Up(t)=U(t)-Ue(t)

(1)

假設(shè)Ue(t)與試樣的整體剛度相關(guān),并與施加的載荷力成正比,有:

F(t)=KUe(t)

(2)

式中:K為試樣剛度因數(shù)。

于是拉伸標(biāo)段的塑性應(yīng)變?chǔ)舙為:

εp(t)=Up(t)/l0=[U(t)-Ue(t)]/l0

=[U(t)-F(t)/K]/l0

(3)

拉伸標(biāo)段的應(yīng)力σl為:

σl(t)=F(t)/A

(4)

式中:A為拉伸標(biāo)段的橫截面積。

在試驗(yàn)過程中,使用超高速相機(jī)來記錄試樣的加載過程,應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法,可以計(jì)算試樣在加載過程中的應(yīng)變演化。筆者通過數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)試樣進(jìn)行應(yīng)變、位移測(cè)量記錄,經(jīng)后處理得到應(yīng)變、位移時(shí)程數(shù)據(jù)。

3 試樣

試驗(yàn)選用GP1不銹鋼粉末,各化學(xué)成分中,Mn為0.61%,Cu為2.69%,Si為0.63%,C為0.05%,Cr為17.54%,Fe為74.54%,Ni為4.36%。原始GP1不銹鋼粉末的掃描電子顯微鏡形貌如圖3所示,平均粒徑為35 μm。試樣采用三維打印設(shè)備制備,制備過程采用振鏡掃描,工藝參數(shù)中，掃描速度為1 000 mm/s,鋪粉速度為80 mm/s,激光功率為400 W,層厚為20 μm,預(yù)熱溫度為80 ℃。試樣制備過程中采用氮?dú)獗Ｗo(hù),防止氧化[14]。

▲圖3 GP1不銹鋼粉末掃描電子顯微鏡形貌

▲圖4 M型拉伸試樣設(shè)計(jì)尺寸

成型后的試樣如圖5所示。M型拉伸試樣橫截面與縱表面的微觀金相組織如圖6所示。由圖6可見,無論是橫截面還是縱表面,材料致密性良好,無孔洞等明顯缺陷。

▲圖5 成型后試樣

▲圖6 M型拉伸試樣微觀金相組織

4 試驗(yàn)結(jié)果

▲圖7 試驗(yàn)結(jié)果▲圖8 試樣拉伸標(biāo)段應(yīng)變?cè)茍D

▲圖9 試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比

M型拉伸試樣和啞鈴型拉伸試樣不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖10所示。M型拉伸試樣在加載時(shí)應(yīng)變率可達(dá)5 900 s-1及更高,相比傳統(tǒng)啞鈴型拉伸試樣,可以獲得更高的應(yīng)變率。三維打印GP1不銹鋼材料在1～5 900 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變率為1 s-1時(shí),拉伸屈服強(qiáng)度為580 MPa左右。

▲圖10 不同應(yīng)變率下試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

當(dāng)應(yīng)變率為5 900 s-1時(shí),拉伸屈服強(qiáng)度為950 MPa左右。三維打印GP1不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度580 MPa高于傳統(tǒng)鑄造工藝制備試樣的屈服強(qiáng)度(550 MPa)[15]。

三維打印GPI不銹鋼材料在不同拉伸應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子如圖11所示。動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子DIF為:

▲圖11 三維打印GP1不銹鋼材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子

(5)

由此可見,對(duì)于三維打印GP1不銹鋼材料,在動(dòng)態(tài)拉伸狀態(tài)下,應(yīng)變率為0.02～5 900 s-1,屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。不同應(yīng)變率加載下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率呈指數(shù)增大關(guān)系。

5 結(jié)束語

筆者對(duì)三維打印GP1不銹鋼材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,采用M型拉伸試樣,應(yīng)用霍普金森壓桿技術(shù)加載,結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法,獲得了三維打印GP1不銹鋼材料高應(yīng)變率拉伸力學(xué)性能。

M型拉伸試樣可以獲得有效的材料高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。對(duì)于三維打印GP1不銹鋼材料M型拉伸試樣,應(yīng)變率高達(dá)5 900 s-1,顯著高于啞鈴型拉伸試樣的應(yīng)變率。三維打印GP1不銹鋼材料具有顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng),其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增長因子與應(yīng)變率呈指數(shù)關(guān)系。