超高强度钢30CrMnSiNi2A动态力学性能实验研究.

ｄｅｌ

３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ是我国广泛 使用的一种综合性能良好的低合金超高强

度钢，主要用于制造飞机起落架、机翼、发动机 壳体等受力结构件，以及高压连

接件和高扭短轴零件口］．鉴于该钢在各个领域的重要作 用，许多学者对其各方

面性能进行了大量的研究．

目前多数研究集中在３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的淬

收稿日期：２００９一０７

—

１４

火加热保温时间、 温度和加载速率对韧性的影响［２

…

，以及３０ＣｒＭｎＳｉ< /p>

Ｎｉ２Ａ钢的回火温度、碳含量和硅含量对屈服强度的影响Ｉｓ－－６］．

而对

３０ＣｒＭｎＳｉＮ ｉ２Ａ钢动态冲击力学性能的研究相对较少．谢久林、张庆

明等［７］得到了３０ＣｒＭ ｎＳｉＮｉ２Ａ钢在１～１５ＧＰａ范围内的Ｈｕ

ｇｏｎｉｏｔ曲线和Ｇｒｕｎｅｉｓｅ ｎ关系式．周义清等［８］分别对热处理

工艺为８６０℃淬

< /p>

基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０８０２００９）；国家重点实验室

—

０４）作者简介： 武海军（１９７４一），男，

博士，副教授，Ｅ

—

ｍａｉｌ：ｗｕｈｊ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃａ．

万方数据

第３期武海军等：超高强度钢３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ动态力学性能实验研究

２５９

火、２００℃回火和８６０℃ 淬火、６００℃回火的３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ

钢的动态和静态力学性能进行了研究， 得到了不同热处理工艺后该钢在不同应变

率

（１０ｑ～１０４ｓ＿１）下的应力应变关系，从而得到该材

；：ｆＣｏ（ｅｌ

—

ｅＲ

—

ｃＴ）：一弩立￡Ｒ．

‘

ｓ

６３

（３）

式中：ｅ。，ｅｎ，￡Ｔ分别为人射波、反射波和透射波的应变；Ａ。，ｚ。分

别为试件的初始横截面积和初始长度；Ｅ，Ａ，ｃ０分别为压杆的杨氏模量、横

< br>截面积和弹性波速．

料在８６０℃淬火、２００℃回火 热处理工艺下有较高屈服强度的结论．

作者利用霍布金森压杆 （ＳＨＰＢ）实验技术，对热处理工艺为（８９０

±

ｌ

Ｏ）℃淬火、（２４０

±

１０）℃回火的３０Ｃ ｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的动态力

学性能进行了动态测试，并通过金相分析研究了３０Ｃｒ ＭｎＳｉＮｉ２Ａ动态

断裂的微观机理，最后确定了３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的Ｊｏ ｈｎｓｏｎ

—

Ｃｏｏｋ本构模型的材料参数．

< br>

１

２实验结果与分析

为得到不同应变率 条件下材料动态力学性能，通过实验研究了３０ＣｒＭｎＳｉ

Ｎｉ２Ａ钢在ｅ＝５００～

５０００

ｓ－１下的力学性能．每组实验重复４次，屈服

强度取平均值，实验结果见表１．表中的屈服强度按照工程惯例取０＂ｏ．。，

即试样发生０．２％残留变形时所对应的应力．

表１

Ｔａｂ．１

ＳＨＰＢ实验原理

作者采用直径为１ ４．５ｍｍ的分离式Ｈｏｐｋｉｎ

—

ＳＨＰＢ实验结果

ｓｏｎ压杆（ＳＨ ＰＢ）装置，如图１所示．实验装置由撞击杆、入射杆、透射

杆、缓冲器等组成．

ＲｅｓｕｌｔｏｆＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

图１分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆装置图

Ｆｉｇ．１

图２给出了材料在不同应变率下的真实应力应

ｂａｒ

Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆ

ｓｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ

行计算．其中曲线Ｔ一５为准静态实验曲线．

由图２和表１可以看出，

Ｓ＿１

撞击杆撞击入射杆，在入射杆 中产生的一维平面波到达试件后产生反射和透射，

利用入射杆和透射杆上的应变片测得入 射波、反射波和透射波，在满足一维假定

和均匀性的基础上，计算得到材料的应力应变关 系曲线．应力、应变及应变率的

计算式为

３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢在准静态下，应变率为１０＿４时的屈服强度盯。

为１

１６５５

５８７ＭＰａ，而在５００

Ｓ－１应变率

时，３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的屈服强度大约在

ＭＰａ．在应变率从５００～５

０００

盯＝专Ｅ（会）（ｅｔ＋￡ｎ＋ｅＴ）一Ｅ会￡ｔ，（１）

< /p>

￡：计（￡Ｉ～ｅＲ

—

ｅＴ）ｄｔ＝－－ 孕ｒｅＲｄ

“

２）

ｓ叫的增加过程

中，材料的屈服强度 逐渐增加，但其值变化不明显，屈服强度变化范围在１６５

５～１

９０８

ＭＰａ之间，可见

３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢具有一定的应变率敏感性．在相

山＝

ｂ

Ｏ０．０４

０．０８

ｅｆ

０．１２

０．１６０．２０

ＦＴ

（ａ）３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢应力一应变曲线

图２

Ｆｉｇ．２

∞

３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ锈］应力一应变曲线局部放大图

ｃｕｒｖｅ

３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢应变率效应实验结果

ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ

Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ

ｏｆ３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ

ｓｔｅｅｌ

万方数据

２６０

北京理工大学学报第３０卷

同或相近应变率条件下，３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的屈服 强度略高于文献

［８３中该材料在８６０℃淬火、２００℃回火热处理工艺下的屈服强度 ．另

外，因为回火温度在２００℃＂－＇３００℃之间的３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ

钢会产生回火脆性，使该钢韧性降低［９］，所以在冲击压缩实验中，发现高应

变率条件下压缩后的试样出现４５。剪切破坏．试样实验前后的对比如图３所

示．文献［８３中８６０℃淬火、２００℃回火后的３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ

钢在１０ ００～５０００ｓ一１应变率下均发生４５。剪切破坏，这说明热处理

工艺（８９０

±

１０）℃淬火、（２４０－＋－

１０）℃回火比８６０℃淬火、２００℃回火使３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢具

有更好的韧性，这对于该材料的实际应用具有重要意义．

此外，在试样断裂面尾部出现了一段狭长的平台，如图３中ｆ面．其形成是由于

在试 样断裂后，随后的压缩加载造成的．从图中可以看出，试样的断口两侧出现

了明显的剪切 唇，断口存在粗糙不平的纤维区，并且沿裂纹扩展方向呈现放射

状．通过这些现象初步分 析３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的断口应为韧窝型断１

３，这与文献１－４］中所得结论 相一致．

图３

Ｆｉｇ．３

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢实验前后对照

ｏｆ

ｏｒｉｇｉｎａｌａｎｄ

ｄｅｆｏｒｍｅｄ３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａｓｔｅｅｌ

３材料的金相和断面分析

作者所用的 ３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的热处理工艺为（８９０

±

１０） ℃淬

火、（２４０土１０）℃回火．材料的主要化学成分：Ｗ（Ｃ）＝０．２７％～

０．３４％，Ｗ（Ｓｉ）一０．９％～１．２％，硼（Ｍｎ）＝１．０％～

< br>１．３％，叫（Ｓ）＜０．０２％，叫（Ｐ）＜０．０１５％，硼（Ｎｉ）＝

１． ４％～１．８％，ｗ（Ｃｒ）＝０．９％～１．２％，硼（Ｍｏ）＜０．１

５％，硼（Ｖ ）＜Ｏ．０５％．

对经过热处理的试样研磨抛光，用体积分数 为４％的硝酸酒精侵蚀后，在光学显

微镜下对材料组织进行金相分析，如图４所示．从图 ４中可以看出，该钢的组织

主要为板条马氏体，由于３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢中Ｎｉ 的质量分数为

１．４％～１．８％，Ｎｉ对晶粒有细化的作用，因此，马氏体的板条束较 细，

且具有很高的位错密度．板条束越细的马氏体，对相界面位错运动产生的阻力会

越大，马氏体的强度就越高，因此３０ ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢的准静态强度可

以达到

１５８７

掌主篓等蓑雹荔：凛墨卷鬻霉暑暑；塞

切破坏的现象．

高３０ＣｒＭｎＳｉ Ｎｉ２Ａ钢的强度，使得该钢具有较高的屈服强度．但晶界

上碳化物降低了晶界的结合力 ，在受力时，易在晶界萌生裂纹，并由于晶界结合

力的降低，裂纹沿晶界扩展，从而发生 沿晶断裂，出现试样在较高应变率和较高

冲击载荷情况下发生４５。剪

< br>

图５为利用扫描电镜观察到的试样断Ｅｌ形貌，观测位置为图３中所示的位置ａ

和ｂ，可以看到在断口处有大量细小的韧窝存在，这与断口宏观观测下得到的结