肖瑞亞

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

結(jié)構(gòu)鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)需要滿足優(yōu)異的力學(xué)性能及成形性能[1-2]，與傳統(tǒng)材料比較，厚度方向性能鋼板具備低密度、高比強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，由于合金還能承受高溫環(huán)境，使其被廣泛應(yīng)用于建筑等領(lǐng)域[3-5]。但鋼板不具備良好的加工性能，無(wú)法制作成鈑金結(jié)構(gòu)。合金在室溫環(huán)境下因具備較高的力學(xué)強(qiáng)度，在成形過(guò)程中需較高的壓力，同時(shí)伸長(zhǎng)率較小，只能產(chǎn)生小幅變形。由于合金具備較小的彈性模量，因此在變形階段產(chǎn)生較大的回彈量，無(wú)法獲得穩(wěn)定的外形尺寸，降低了零件尺寸精度，甚至影響到實(shí)際使用效果，這對(duì)鋼板室溫成形加工造成了明顯限制。本文針對(duì)鋼板進(jìn)行力學(xué)特性與室溫加工性能的研究，通過(guò)超聲振動(dòng)輔助拉伸測(cè)試方法分析了超聲振動(dòng)引起的鋼板力學(xué)特性變化與接觸面摩擦狀態(tài)改變情況。

1 超聲振動(dòng)對(duì)試樣拉伸性能的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

可以利用拉伸測(cè)試方法表征板的力學(xué)特性參數(shù)，并根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試曲線對(duì)其進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)分析，由此得到拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率等指標(biāo)。根據(jù)拉伸測(cè)試原理以及超聲振動(dòng)作用機(jī)制，為拉伸設(shè)備配備了超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)，包括換能器、支架、超聲振子、夾頭等多個(gè)部分，使試樣在拉伸過(guò)程中受到超聲振動(dòng)作用，該裝置的具體結(jié)構(gòu)和拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示，拉伸試樣如圖2 所示。

圖2 拉伸試樣照片

1.2 力學(xué)性能分析

圖3 給出了各個(gè)超聲振動(dòng)下材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。其中，未設(shè)置超聲振動(dòng)的情況下，Q345GJC 板拉伸強(qiáng)度為315.8 MPa，屈服強(qiáng)度為272.2 MPa，伸長(zhǎng)率為32.4%。設(shè)置頻率為20 kHz 的超聲振動(dòng)時(shí)，Q345GJC板拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度都有所減小，振幅為10 μm、12 μm、14 μm 時(shí)對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度依次為298.4 MPa、288.4 MPa、264.7 MPa，屈服強(qiáng)度減小到257.3 MPa、259.1 MPa、234.3 MPa。產(chǎn)生上述變化的原因在于施加超聲振動(dòng)后，材料受到外部能量作用而發(fā)生強(qiáng)度下降現(xiàn)象，且當(dāng)材料受到超聲振動(dòng)時(shí)還會(huì)引起明顯的“軟化效應(yīng)”，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力大幅降低，有助于滑移系更快開動(dòng)，減小塑性變形階段產(chǎn)生的靜態(tài)流動(dòng)應(yīng)力。相對(duì)于未設(shè)置超聲振動(dòng)的情況，設(shè)定超聲振動(dòng)幅度為10 μm 的試件伸長(zhǎng)率達(dá)到了34.1%，逐漸提高振幅與頻率后，伸長(zhǎng)率持續(xù)降低；其中，頻率為25 kHz、振幅為10 μm 時(shí)，Q345GJC 板伸長(zhǎng)率快速減小。這是由于提高振動(dòng)頻率或振幅后，材料受到交變載荷作用而容易導(dǎo)致材料出現(xiàn)局部集中應(yīng)力，從而發(fā)生斷裂，同時(shí)伸長(zhǎng)率有所減小。

圖3 Q345GJC 板工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.3 摩擦性能分析

坯料加工過(guò)程中，模具表面存在凹凸結(jié)構(gòu)，受到接觸壓力作用后，將會(huì)在坯料和模具間形成摩擦，使坯料變形規(guī)律發(fā)生變化，并對(duì)成形質(zhì)量造成明顯影響。采用超聲振動(dòng)輔助滑動(dòng)摩擦測(cè)試時(shí)，需對(duì)固定塊設(shè)置一個(gè)法向壓力FN，同時(shí)對(duì)超聲振子設(shè)置一個(gè)拉力Ff，使其保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。測(cè)試期間，采用材質(zhì)與表面粗糙度跟拉伸模具一致的固定塊，本次選擇45 號(hào)鋼作為測(cè)試材料，表面粗糙度為1.6 μm，控制固定塊法向壓力為2 kN。圖4 為各超聲參數(shù)下摩擦力和滑動(dòng)距離間關(guān)系。圖5 為摩擦系數(shù)變化。未設(shè)置超聲振動(dòng)條件時(shí)，試樣需克服較大摩擦力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑動(dòng)距離增加后，形成了更大摩擦力，測(cè)試得到的平均摩擦力為726 N，摩擦系數(shù)為0.181。

圖4 摩擦力與滑動(dòng)距離關(guān)系

圖5 超聲振動(dòng)參數(shù)與摩擦系數(shù)關(guān)系

設(shè)置超聲振動(dòng)條件后，試件滑動(dòng)時(shí)的摩擦力明顯降低，并且隨著超聲振幅與頻率的提高，摩擦力持續(xù)下降。在振動(dòng)振幅為10 μm 以及振動(dòng)頻率為25 kHz的情況下，Q345GJC 與45 號(hào)鋼產(chǎn)生了257 N 的摩擦力，摩擦系數(shù)為0.063。與超聲振幅相比，摩擦系數(shù)受到頻率的影響更為顯著，當(dāng)提高頻率后，摩擦系數(shù)發(fā)生了快速降低。處于超聲振動(dòng)環(huán)境中，試件和模具不斷發(fā)生接觸與分開，同時(shí)摩擦力方向也一直改變，受局部熱效應(yīng)影響，還會(huì)產(chǎn)生黏焊的情況，由此降低了坯料和模具的摩擦系數(shù)。

2 結(jié)論

1）相對(duì)于未設(shè)置超聲振動(dòng)的情況，設(shè)定超聲振動(dòng)幅度為10 μm 的試件伸長(zhǎng)率達(dá)到了34.1%，逐漸提高振幅與頻率時(shí)，伸長(zhǎng)率持續(xù)降低。

2）設(shè)置超聲振動(dòng)后，試件滑動(dòng)時(shí)的摩擦力降低，隨著超聲振幅與頻率的提高，摩擦力持續(xù)下降。

3）該研究有助于提高高層建筑結(jié)構(gòu)鋼的承載性能，具有很廣的應(yīng)用價(jià)值。