馬 博 莫嶸桓 陳樹(shù)寒 王怡航 肖新科

（南陽(yáng)理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004）

0 引言

防止核泄漏事件的發(fā)生是核電管道安全性研究的重點(diǎn)。316LN不銹鋼是核電管道的主要材料，對(duì)其各項(xiàng)性能的研究是必不可少的。目前，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)布的大量文獻(xiàn)表明，316LN不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性［1-2］、高溫力學(xué)性能［3-6］，以及良好的焊接性能［7-8］，對(duì)316LN不銹鋼的性能優(yōu)化及工業(yè)推廣具有一定的指導(dǎo)意義。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)316LN不銹鋼的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行研究。張義帥等［3］探究了溫度和保溫時(shí)間對(duì)316LN不銹鋼組合和硬度的影響，研究結(jié)果表明，隨著固溶溫度的升高和固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，316LN不銹鋼中的鐵元素含量會(huì)逐漸降低，硬度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。郁鈞超等［5］采用熱力學(xué)試驗(yàn)法來(lái)研究應(yīng)變率和應(yīng)力三軸度對(duì)316LN不銹鋼高溫?cái)嗔研袨榈挠绊?，研究結(jié)果表明，溫度相同時(shí)，316LN不銹鋼的斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率的增大而增大。李會(huì)鵬等［6］研究了應(yīng)變速率對(duì)低溫拉伸316LN不銹鋼力學(xué)性能的影響。單寶路［9］對(duì)316LN奧氏體不銹鋼進(jìn)行一系列材料力學(xué)性能測(cè)試，得到了修改的JC本構(gòu)模型與JC失效模型的模型參數(shù)，并通過(guò)泰勒撞擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。Keshun等［10］觀察了316LN鑄態(tài)組織中的裂紋斷裂擴(kuò)展行為，并將模擬的裂紋路徑與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，揭示了亞晶粒尺寸、形貌及其取向?qū)_擊荷載下斷裂和韌性的影響。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)316LN不銹鋼的研究大多為高溫和不同應(yīng)變速率下的力學(xué)性能研究，而少有對(duì)其在中低速?zèng)_擊作用下的失效模式與吸能特性的研究。鑒于此，本研究采用平頭、半球形頭和卵形頭圓柱桿在6.5～10 m/s的撞擊速度范圍內(nèi)垂直沖擊316LN不銹鋼板，獲得316LN鋼板的沖擊吸能特性和失效模式，研究結(jié)果為316LN不銹鋼的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

穿刺試驗(yàn)是在南陽(yáng)理工學(xué)院材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的VHS高速拉伸機(jī)（見(jiàn)圖1）上開(kāi)展的，沖頭有3種頭部形狀，分別為半球形頭、平頭與卵形頭，如圖2所示。靶板是直徑為60 mm、厚1.5 mm的316LN不銹鋼。穿刺試驗(yàn)的沖頭速度分別為6.5 m/s、7.5 m/s和10 m/s，每個(gè)速度分別進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。試驗(yàn)前，先將靶板固定在夾具上，安裝靶板時(shí)要保證靶板放置在穿刺試驗(yàn)夾具正中央，靶板放好后擰緊夾具。每次試驗(yàn)結(jié)束后，要檢查穿刺試驗(yàn)裝置和沖頭的穩(wěn)定性。每一次試驗(yàn)過(guò)后對(duì)靶板進(jìn)行回收，并檢查沖頭的磨損程度，以便及時(shí)更換。同時(shí)，在每次試驗(yàn)開(kāi)始前，要在沖頭和靶板接觸位置均勻涂抹潤(rùn)滑油，用來(lái)減小二者間的摩擦。

圖1 高速拉伸機(jī)

圖2 三種沖頭示意圖（單位：mm）

2 失效模式

圖3為半球形沖頭穿刺試驗(yàn)下，316LN不銹鋼靶板的破壞模式。從靶板破壞形貌可以看出，半球形沖頭在6.5 m/s、7.5 m/s、10 m/s三組平行試驗(yàn)中，靶板全部被穿透，但穿透部分并未掉落，而與靶板仍有一小部分保持連接。靶板整體呈碟形破壞，沖出有塞塊。靶板未由夾具固定的部分全部發(fā)生變形，變形程度由靶板斷口開(kāi)裂處向四周逐漸減小，靶板被穿透部分變形程度較大。不同沖擊速度下變形程度基本相同。因此，可認(rèn)為沖頭速度對(duì)靶板的失效模式影響不大。

圖4為平頭沖頭沖擊時(shí)靶板的破壞模式，9次穿刺試驗(yàn)的靶板全部被穿透。沖頭以不同速度沖擊靶板的破壞形狀基本相同，失效模式為剪切沖塞。同時(shí)，伴有明顯的結(jié)構(gòu)塑性變形，但靶板的變形程度較圖3所示的靶板變形程度要小很多。斷口較為平齊，被沖出的塞塊沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形。因此，可初步判定316LN不銹鋼在平頭沖頭下抗沖擊性能比半球形沖頭弱。

卵形沖頭沖擊下316LN不銹鋼靶板的破壞形狀如圖5所示。靶板呈四瓣花瓣?duì)铋_(kāi)裂，開(kāi)裂部分為韌性斷裂，且變形程度較大。大部分變形發(fā)生在卵形沖頭造成破壞的附近，靶板未由夾具約束部分并未全部發(fā)生變形。不同沖擊速度下花瓣開(kāi)裂的程度沒(méi)有明顯差別，失效模式基本相同。

綜上所述，316LN不銹鋼板在不同形式?jīng)_頭的中低速?zèng)_擊作用下，失效模式存在明顯差異，失效模式可分為三種，即蝶形破壞、剪切沖塞破壞及花瓣?duì)铋_(kāi)裂破壞。在相同沖頭下，沖擊速度對(duì)靶板的失效模式影響不大。

圖3 半球形沖頭穿刺試驗(yàn)靶板破壞形狀

圖4 平頭沖頭穿刺試驗(yàn)靶板破壞形狀

圖5 卵形沖頭穿刺試驗(yàn)靶板破壞形狀

3 316LN不銹鋼沖擊性能分析

圖6到圖8分別為三種沖頭沖擊靶板時(shí)，靶板的載荷—時(shí)間曲線圖。從圖中可看出，不同沖頭下靶板所能承受的極限載荷有較大區(qū)別。其中，半球形沖頭下靶板所能承受的極限載荷最大（約為50 kN），平頭沖頭次之（約為39 kN），卵形沖頭最?。s為10 kN）。在同一沖頭沖擊作用下，靶板所能承受的極限載荷對(duì)速度并不十分敏感。隨著沖頭的沖擊速度減小，靶板被破壞所用的時(shí)間逐漸增加。半球形沖頭和平頭沖頭沖擊時(shí)，沖擊載荷隨時(shí)間增加而增加，直至靶板斷裂時(shí)沖擊載荷突然下降。而在卵形沖頭沖擊時(shí)，沖擊載荷隨時(shí)間的增加先增加到最大值，之后逐漸降低到約極值的40%，接著再略微增加到極值的60%，最后又緩慢降低直至0。卵形沖頭沖擊時(shí)復(fù)雜的載荷歷程與靶板相對(duì)復(fù)雜的變形和斷裂模式以及沖頭-靶板作用過(guò)程有關(guān)，還要進(jìn)一步的數(shù)值模擬研究。

圖6 半球形沖頭載荷—時(shí)間曲線

圖7 平頭沖頭載荷—時(shí)間曲線

圖8 卵形頭沖頭載荷—時(shí)間曲線

4 結(jié)論

本研究以核電管道的抗沖擊防護(hù)為應(yīng)用背景，采用VHS高速拉伸機(jī)，對(duì)1.5 mm厚的316LN不銹鋼靶板在6.5～10.0 m/s的撞擊速度下進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，研究316LN不銹鋼在不同沖頭、不同速度下的失效模式和抗沖擊特性。得出以下結(jié)論。

①316LN靶板的失效模式與沖頭頭部形狀密切相關(guān)。在半球形、平頭和卵形頭沖頭的沖擊下，靶板分別發(fā)生蝶形破壞、剪切沖塞和花瓣開(kāi)裂。

②極限沖擊載荷與沖頭頭部形狀密切相關(guān)，半球形沖頭最大，平頭沖頭略低，卵形沖頭則很低，約為半球形沖頭的1/5。

③對(duì)所研究的三種沖頭，在同一沖頭沖擊作用下，靶板所能承受的極限載荷對(duì)速度并不敏感。

④沖擊載荷歷程與沖頭形狀密切相關(guān)。對(duì)半球形沖頭和平頭沖頭而言，沖擊載荷隨時(shí)間的增加而快速增加，之后突然下降。而在卵形頭沖擊時(shí)，沖擊載荷的歷程最為復(fù)雜，先增加至極值，然后降低至極值的40%左右，再略微增加到極值的60%，最后緩慢降低直至0。