考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

余万千; 郁锐; 崔世堂

doi:10.11883/bzycj-2020-0334

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

doi: 10.11883/bzycj-2020-0334

余万千^1,,
郁锐^1, ,,
崔世堂²

1.
西安现代控制技术研究所，陕西西安 710065
2.
中国科学技术大学近代力学系中科院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥 230027

详细信息

作者简介:
余万千（1994－　），男，硕士，助理工程师，hsywq812907@163.com

通讯作者:
郁　锐（1981－　），男，硕士，教授级高级工程师，1715516202@qq.com

中图分类号: O347.3
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出版历程
- 收稿日期: 2020-09-22
- 修回日期: 2020-10-12
- 网络出版日期: 2021-03-05
- 刊出日期: 2021-03-10

On ductile fracture of 30CrMnSiNi2A steel considering effects of stress triaxiality

YU Wanqian^1
,,
YU Rui^{1
, ,},
CUI Shitang²

1.
Xi’an Modern Control Technology Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China
2.
CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui, China

摘要

摘要: 30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题，采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验，并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数，分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验，计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变，给出了应力三轴度在−1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线，分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明，30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关，且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大，Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。
- 韧性断裂 /
- 动态力学性能 /
- 应力三轴度 /
- 30CrMnSiNi2A钢
Abstract: 30CrMnSiNi2A steel is a high-strength low-alloy steel and it is widely used in the defense industry. Its ductile fracture properties were investigated by using a combined experimental-numerical approach to address the need for assessment of structural integrity. The parameters of the Johnson-Cook constitutive model were obtained through quasi-static and dynamic tensile tests on round bar specimens at different temperatures and relevant finite element method iterations. The effects of strain rate and temperature on fracture were studied. The tensile tests on notched round bar specimens were performed to calibrate the fracture strain in the range of high positive stress triaxiality. The tensile tests on butterfly plates and compression tests on short cylindrical specimens covered the fracture properties in the range of low and negative stress triaxiality. The finite element models were computed and the fracture loci in the space of the effective plastic strain to fracture and the stress triaxiality in a wide range from −1/3 to 1.5 were constructed. The parameters of the Johnson-Cook fracture model and Bao-Wierzbicki fracture model were calibrated. It is shown that stress triaxiality has a significant effect on the fracture of 30CrMnSiNi2A steel and the monotonicity of the fracture loci varies in different stress triaxiality range. The Bao-Wierzbicki model is capable of predicting the fracture patterns of the 30CrMnSiNi2A steel in different stress states.
- ductile fracture /
- dynamic mechanical behavior /
- stress triaxiality /
- 30CrMnSiNi2A steel

HTML全文

随着脉冲功率技术和高功率激光技术的发展，采用脉冲大电流和高功率脉冲激光对物质进行无冲击斜波压缩的实验技术在过去的十余年中获得了长足的进步^[1-5]，并成功应用于极端条件下(高压、高应变率)的状态方程^[6-10]、高压强度^[11-15]、相变^[16-18]等材料物性的研究。在斜波压缩实验中，可测量的物理量主要是台阶靶不同Lagrange位置的样品界面粒子速度，如何通过界面粒子速度获取实验材料的动力学响应，成了此类实验必须解决的问题。

针对斜波压缩实验数据为台阶靶样品自由面或样品/窗口界面速度历史的情形，多种方法(Lagrange方法^[19]、反积分方法^[20-21]和特征线方法^[22-23])被提出用于获取材料的压力-比容关系。反积分方法和特征线方法都是先假定材料参数，以实验测量的界面速度作为输入在时间轴逆向求解，其中反积分还要以不同厚度样品的加载面加载历史一致作为收敛的单一判据，因此对考虑诸如强度等力学特性的材料，需要预先设定的模型参数越多，该方法的使用难度就越大；此外，反积分方法和特征线方法要求材料模型参数的初设值与其真实值的偏差不能太大，否则会出现计算不收敛或收敛参数无意义的情况。采用Lagrange方法的优点是不需对材料参数做任何假定，可用于处理材料的复杂力学响应，但难点在于如何获得准确的原位粒子速度剖面。早期的工作采用自由面速度近似法^[19]计算原位速度；后来Volgler等人发展了增量阻抗匹配法^[24]；2013年，J.L.Brown等提出了转换函数法(transfer function method，TFM)^[25]。数值计算表明，采用转换函数方法可准确获得斜波压缩实验中的加载-卸载原位速度剖面，但前提是使用该方法过程中数值模拟的界面速度曲线和实验测量的速度曲线尽可能的一致。

为避免J.L.Brown等提出的使用转换函数方法中需进行高精度磁流体数值计算的需求，本文中提出一种联合使用正向Lagrange方法和转换函数来处理斜波压缩实验数据的新途径，分析转换函数方法的使用条件，并在此基础上讨论转换函数方法在斜波压缩下强度实验数据处理中的应用。

1. Lagrange正向数据处理方法

在Lagrange坐标下，一维等熵运动中的质量、动量和能量守恒方程可表达为^[19]:

$\left\{ \begin{array}{l} {{l}_{2}}/\partial \sigma /\partial h=-{{\rho }_{0}}\partial u/\partial t \\ ({{l}_{1}}\partial u/\partial h=-\partial \varepsilon /\partial t \\ (\sigma /{{\rho }_{0}})\left( \partial u/\partial h \right)=-\partial e/\partial t \\ \end{array} \right.$

(1)

式中：σ为应力(压力为正号)，ε为应变，ρ₀为初始密度，u为粒子速度，e为比内能，h、t为Lagrange坐标和时间，Lagrange声速的定义C_L=Δh/Δt，上式给出等熵线上扰动形成的状态增量形式为：

$\left\{ \begin{array}{l} {{l}_{2}}/\Delta \sigma =-{{\rho }_{0}}{{C}_{\text{L}}}\left( u \right)\Delta u \\ ({{l}_{1}}\Delta u=-{{C}_{\text{L}}}\left( u \right)\Delta \varepsilon \\ \Delta e=\sigma \Delta \varepsilon /{{\rho }_{0}} \\ \end{array} \right.$

(2)

由此可计算材料的应力-应变关系为：

$\Delta \sigma ={{\rho }_{0}}C_{\text{L}}^{2}\Delta \varepsilon$

(3)

采用Lagrange方法处理斜波压缩实验数据时，基本处理流程见图 1。在同一发实验中，测量不同厚度样品的自由面或样品/窗口界面粒子速度，将实验测量的界面速度转换为原位速度(in-situ velocity)后，再对不同厚度样品的速度-时间曲线做差，进而得出Lagrange波速与粒子速度关系。通过式(2)，可计算给出整个加载-卸载过程的C_L-u、σ-u、σ-ε曲线。显而易见，Lagrange正向数据处理的难点在于如何准确还原不同厚度样品的原位粒子速度。

图 1 Lagrange正向数据处理流程图

Figure 1. Flow chart of Lagrangian forward data processing

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2. 转换函数方法

转换函数方法(TFM)的物理思想为：假定数值计算可以准确的表征样品后界面反射波与前界面后续加载波的相互作用，采用数值计算给出后界面速度和原位速度之间的映射关系，将该映射关系对实验测量的速度剖面进行反演，即可获得实验对应的原位速度。该方法自2013年提出以来，在Sandia实验室迅速获得广泛应用^{[8, 14, 25-26]}。和自由面近似以及增量阻抗匹配方法相比，转换函数方法中可以考虑界面反射波与后续加载波的相互作用，准确的将非简单波情形还原为简单波情形。

转换函数方法的使用步骤可归纳如下。

(1) 采用数值计算，获得样品/窗口界面的粒子速度剖面u_wc(t)和相同位置的原位速度剖面u_ic(t)，要求计算的u_wc(t)尽可能的和实验测量的样品/窗口界面速度剖面u_we(t)接近。

(2) 寻找u_wc(t)和u_ic(t)之间的转换函数f(t)。先将u_wc(t)和u_ic(t)变换到频率域，给出U_wc(ω)和U_ic(ω)，计算U_wc(ω)和U_ic(ω)之间的关联函数F(ω)= U_ic(ω)/ U_wc(ω), 再将F(ω)转换到时间域，即为u_wc(t)和u_ic(t)之间的转换函数f(t)。

(3) 利用转换函数f(t)对实验测量的样品/窗口界面的粒子速度剖面u_we(t)做卷积，给出实验对应的原位粒子速度剖面u_ie(t)：

${{u}_{\text{ie}}}\left( t \right)={{u}_{\text{we}}}\left( t \right)*f\left( t \right)=\int_{-\infty }^{+\infty }{{{u}_{\text{we}}}\left( t\text{-}\tau \right)f\left( \tau \right)\text{d}\tau }$

(4)

具体计算过程中，可先计算频率域的实验原位速度以避开卷积的计算：

${{U}_{\text{ie}}}\left( \omega \right)={{U}_{\text{we}}}\left( \omega \right)\cdot F\left( \omega \right)$

(5)

再将U_ie(ω)做傅里叶逆变换，还原为实验对应的原位粒子速度剖面u_ie(t)。

图 2是我们采用数值试验，对转换函数法在处理复杂结构波形时的验证结果。先设定材料参数和加载波形，分别计算铜/LiF窗口界面速度曲线和原位速度曲线，再以计算的界面速度曲线作为“实验”的速度曲线并对其进行转换函数还原，将还原结果和计算的原位结果进行比较，发现还原的结果和计算结果完全吻合，表明该方法对复杂结构的速度波形具有良好的适用性。

图 2 转换函数方法的验证

Figure 2. Validation of transfer function method

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在实际过程中，考虑到材料强度、粘性耗散等因素，很难做到计算的界面速度波形和实验结果完全吻合，因此需对转换函数方法的健壮性进行考核，即当计算的速度波形和实验速度波形存在一定的偏差时，采用转换函数计算的原位速度是否可靠。图 3给出了采用未考虑强度效应的计算波形对考虑了强度效应的“实验”波形进行近似，转换函数方法计算的原位速度波形和真值的比较。由于强度效应只是导致计算和“实验”速度波形在峰值位置出现较明显的偏差，因此对还原的原位速度影响不大。图 4分别为计算的速度幅值相对“实验”结果偏差10%和计算波形的脉宽相对“实验”结果偏差5%时，采用转换函数方法计算的原位粒子速度与真值的比较。比较结果表明速度偏差10%，脉宽偏差5%时，转换函数方法仍具有较好的适用性。此外，我们还计算了不同窗口阻抗匹配以及自由面情形下的原位速度还原，均获得了满意的结果。

图 3 不考虑强度效应时的转换函数方法健壮性验证

Figure 3. Robustness validation of transfer function method by ignoring the strength effect

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图 4 转换函数方法健壮性验证

Figure 4. Robustness validation of transfer function method

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3. 斜波压缩实验数据处理

以磁驱动斜波压缩强度测量实验结果为例，联合使用正向Lagrange方法和转换函数方法对实验结果进行分析，分析结果如图 5所示。图 5(a)给出了台阶靶的自由面速度曲线，对实验测量的自由面速度曲线做1/2近似，以此获得的原位速度曲线做正向数据处理，给出C_L-u曲线如图 5(b)所示。由图 5(b)可知，给出加载段体波声速的线性拟合为C_L= C₀+2λu=3.34+2.55u，由此给出Grüneisen状态方程的C₀=3.34 km/s，λ=1.27，将其带入反积分程序^[21]，计算加载界面的压力和速度历史，并给出Grüneisen状态方程的参数优化值。以反积分提供的加载界面压力(或速度)边界为基础，正向计算给出样品自由面的速度剖面，要求计算的界面速度曲线和实验结果尽量的接近；同时正向计算可给出样品厚度位置的原位速度剖面，计算结果如图 5(c)所示。再根据计算的界面速度和原位速度，采用转换函数方法，对实验测量的自由面速度进行还原，获得的原位速度如图 5(d)所示。利用实验结果的原位速度，正向计算给出加载-卸载过程中材料的C_L-u曲线如图 5(e)所示。

图 5 Lagrange方法和转换函数方法在强度实验数据分析中的应用

Figure 5. Application of Lagrangian method and transfer function methods in experimental strength data analysis

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由图 5(e)可见，采用转换函数方法进行数据处理获得的声速在加载末期出现了下降，这体现了加载后期应变率的剧烈变化以及加载波形衰减对声速计算的影响。采用转换函数方法计算的卸载声速相对自由面1/2近似计算结果偏小约8%，转换函数方法计算的卸载时弹性纵波声速的最大值和理论结果更为接近。根据实验测得的加载-卸载过程中拉氏声速的变化，即可参照文献[15]计算斜波压缩下的材料强度。

4. 结论

将Lagrange方法和转换函数方法在斜波压缩实验数据的正向处理中成功进行了应用，建立了斜波压缩实验数据处理的新流程，获得了可靠的实验结果。该数据处理方法的建立，将有效减小以往斜波压缩实验强度数据的计算误差，对强度实验数据的分析具有重要的作用。

图 1 异形试件尺寸（单位：mm）

Figure 1. Dimensions of abnormal specimens (unit: mm)

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图 2 高温下的应力应变曲线

Figure 2. Stress-strain curves at different temperatures

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图 3 载荷-位移曲线模拟值与试验值比较

Figure 3. Comparison of load-displacement curves between simulation and test

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图 4 试件等效应力云图

Figure 4. Equivalent stress distribution of specimens

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图 5 细长圆柱载荷-位移曲线

Figure 5. Load-displacement curves of thin cylinders

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图 6 45°缺口平板载荷-位移曲线

Figure 6. Load-displacement curves of butterfly plates

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图 7 各试件应力三轴度-等效塑性应变曲线

Figure 7. Evolution of stress triaxiality for various specimens

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图 8 断裂应变-应力三轴度曲线拟合

Figure 8. Fracture strain stress triaxiality curve fitting

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图 9 试件的断裂形态

Figure 9. Fractured specimens

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表 1 异形试件

Table 1. Abnormal specimens

序号	试件	载荷	数量	应力三轴度范围
a	R4缺口圆棒	拉伸	3	[1/3,+∞]
b	R2缺口圆棒	拉伸	3	[1/3,+∞]
c	45°缺口平板	拉伸	4	[0,1/3]
d	0°缺口平板	拉伸	4	[0,1/3]
e	短粗圆柱	压缩	3	[−1/3,0]
f	细长圆柱	压缩	3	[−1/3,0]

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表 2 30CrMnSiNi2A钢的化学成分(质量分数，%)

Table 2. Composition of 30CrMnSiNi2A steel (mass fraction, %)

C	Cr	Mn	Si	Ni	Cu	P	S
0.300	1.030	1.160	1.040	1.680	0.080	0.014	0.020

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表 3 光滑圆棒试件的屈服应力和断裂应变

Table 3. Yield strength and fracture strain of round bars

序号	温度/K	应变率/s⁻¹	屈服应力/MPa	断裂应变
1	298	0.001	1 163	0.753
2	298	1 000	1 591	0.775
3	298	2 000	1 716	0.881
4	298	4 000	1 883	0.962
5	473	0.001	1 115	0.827
6	773	0.001	698	1.513

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表 4 平均应力三轴度和断裂应变对应表

Table 4. A summary of average stress triaxiality and equivalent plastic fracture strain

序号	应力三轴度理论值	平均应力三轴度	断裂应变
1	−1/3	−0.246 3	1.203
2	−1/3	−0.097 2	0.437
3	0	0.013 6	0.281
4	1/6	0.086 6	0.455
5	1/3	0.609 4	0.753
6	0.652	1.069 0	0.382
7	0.893	1.353 0	0.337

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施引文献

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