姜志宏１,２,王寶雨１,龔姚騰２,黃信建２

(１．北京科技大學機械工程學院,北京 １０００８３;２．江西理工大學機電工程學院,贛州 ３４１０００)

摘 要:利用振動拉伸試驗機對 Q２３５A 鋼在不同頻率、不同激振力下進行了振動拉伸試驗,研究了頻率和激振力對該鋼平均載荷和屈服強度的影響.結果表明:與常規拉伸相比,振動拉伸時試驗鋼的平均載荷和屈服強度均減小,表現出明顯的體積效應;隨激振力的增大,試驗鋼的屈服強度和在不同變形階段的平均載荷均呈線性減小;隨頻率的減小,試驗鋼的屈服強度和在不同變形階段的平均載荷先增大后減小,在９０Hz時達到最大.

關鍵詞:低頻振動;拉伸試驗;屈服強度;體積效應

中圖分類號:TH１１７;TH４０４ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００１４Ｇ０３

TensileDeformationBehaviorofQ２３５ASteelunderLowＧFrequencyVibrationJIANGZhihong

１,２,WANGBaoyu１,GONGYaoteng

２,HUANGXinjian２

(１．SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing１０００８３,China;

２．SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou３４１０００,China)

Abstract:Usingavibrationtensiletester,thevibrationtensiletestsunderdifferentfrequencyandexcitationforcewereconductedonQ２３５Asteel．Theeffectsoffrequencyandexcitationforceontheaverageloadandyieldstrengthofthesteelwerestudied．Theresultsshowthatcomparingtothoseinregulartensile,boththeaverageloadandyieldstrengthofthetestedsteeldecreaseinthevibrationtensile,indicatinganobviousvolumeeffect．Withtheincreaseofexcitationforce,theyieldstrengthandaverageloadindifferentdeformationstagesofthetestedsteel

decreaselinearly．Withthefrequencydecreasing,theyieldstrengthandaverageloadindifferentdeformationstages

firstincreasesthendecreasesandreachesthelargestvalueat９０Hz．

Keywords:lowＧfrequencyvibration;tensiletest;yieldstrength;volumeeffect

０ 引 言

在金屬材料的塑性成形加工中引入適當的振動,可以極大地改善其加工質量和效率[１Ｇ２],這主要是源于振動對材料內部應力的體積效應和對模具與被加工件之間摩擦的表面效應[３].

自１９５５年 BLAHA 和 LANGENEEKER 在測試鋅晶體屈服強度時偶然發現體積效應后,國內外研究者從超聲振動或高頻振動入手,對振動在塑性成形方面的應用做了大量的研究工作.LIU 等

發現在超聲振動作用下,金屬材料的成形力會減小,殘余應力發生松弛,摩擦因數降低,成形極限增加;WEN 等[５]在１５kHz頻率下分析了 AZ３１合金的拉伸行為,發現該高頻振動對 AZ３１合金的成形性能、成形載荷與失效形式有較大影響,并且指出振幅直接影響體積效應與表面效應的效果;在低頻振動方面,何勍等[６]基于應變疊加原理,解釋了金屬在振動作用下塑性加工平均應力減小的原因,初步給出了體積效應的數學描述;韓清凱等[７]試驗發現,低頻振動亦能降低金屬在塑性變形過程中的平均應力;蔡改貧等[８]從黏彈塑性本構模型出發,利用數值模擬定量分析了低頻振動作用下塑性成形中體積效應的形成條件,并進行了振動擺輾成形試驗研究.在上述研究中,研究者均指出振動會使金屬材料在塑性變形時表現出變形抗力降低的體積效應,但體積效應的影響因素,以及激振力與振動頻率對塑性成形過程的影響均未進行詳細分析.為了揭示低頻振動塑性成形中體積效應的影響。

規律,作者以 Q２３５A 鋼為研究對象,在正弦波激勵振動條件下進行了拉伸試驗,通過與常規拉伸數據的對比,分析了低頻振動下 Q２３５A 鋼的拉伸變形行為特點,為振動塑性成形加工中體積效應的分析與利用提供試驗支撐。

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為 Q２３５A 鋼,退火態,化學成分(質量分數/％)為０．１４~０．２２C,０．３０~０．６５Mn,≤０．０３０Ni,

≤０．３０Si,≤０．０４５P,≤０．０５０S,≤０．０３０Cr,≤０．０３０Cu.

在該鋼上 截 取 拉 伸 試 樣,尺 寸 如 圖 １ 所 示.根 據GB/T２２８．１－２０１０,在 WB１０００型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,加載速率為kN??min－１.測得試驗鋼的抗拉強度σb 為３７０~５００ MPa,則其斷裂拉力為１０~１４kN。

根據振動拉伸試驗要求,參照高頻疲勞試驗機的結構,在 GPS１００型試驗機的基礎上自行設計制造了電磁諧振振動拉伸試驗機,結構如圖２所示。

力采用電磁諧振加載,平均載荷采用直流伺服電機加載.按照文獻[７]的試驗設計方法,以試驗鋼最小斷裂拉力的５％~３０％作為激振力,在自制的電磁諧振。

振動拉伸試驗機上進行振動拉伸試驗.拉伸速度、試樣尺寸等與上述常規拉伸試驗的相同,激振力和頻率如表１所示,記錄得到平均載荷Ｇ時間關系曲線。

２ 試驗結果與討論

２．１ 激振力對平均載荷和屈服強度的影響在頻率

１２０Hz、激振力３kN 作用下,試樣在振動拉伸時設備報警,未能完成試驗.而其他試驗條件下,振動拉伸試驗均順利完成。

由圖３和表２可知:在頻率１２０Hz的不同激振力作用下,試樣的振動拉伸平均載荷均小于常規拉伸時的平均載荷,這充分體現出振動拉伸過程中體積效應的存在;在常規拉伸過程中,試樣沒有出現明顯的屈服階段,而在振動作用下,試樣表現出明顯的屈服階段(５０~３００s),且隨著激振力的增大,試樣屈服的時間縮短且屈服強度依次下降;在拉伸時間分別為２００,１０００s,即屈服和塑性變形階段,試樣的振動拉伸平均載荷隨激振力的增加呈線性下降.由圖３ 和 表 ２ 還 可 以 看 出,在 塑 性 變 形 階 段(１０００s),平均載荷的變化服從疊加原理,即常規拉伸時試樣的平均載荷等于振動拉伸時的激振力與平均載荷之和。

在循環載荷拉伸過程中,金屬在塑性變形時由于位錯的短程效應、應變時效而導致其林位錯密度增加[９].在振動拉伸過程中,低頻振動會使晶界滑移而造應力松馳,同時在低頻振動任一周期中,反向變形時的位錯阻力小于繼續正向變時的位錯阻力.當在振動正半周期金屬進行正向變形時,位錯沿某滑移面進行,遇林位錯而彎曲;若在振動負半周期時施加反向力,位錯被迫做反向運動,由于在反向

路徑上,林位錯障礙數量較少,故位錯可以在較低應力下移動較大距離,最終表現為屈服強度和平均載荷的下降.

２．２ 頻率對平均載荷和屈服強度的影響

由圖４和表３可知,在３kN激振力、不同頻率振動拉伸時,試樣的拉伸平均載荷均小于常規拉伸時

的,同樣表現出體積效應,但從平均載荷數值上看,并不服從疊加原理;隨著頻率的增加,試樣更早進入屈服階段,其屈服強度為常規拉伸時的６３％~７０％;其屈服強度和振動拉伸時間分別為２００,１０００s時的平均載荷均隨頻率的增加先增后降,當頻率為９０Hz時達到最大,分別為２６２MPa和７．４１,１０．０９kN。

３ 結 論

(１)在頻率為７０~１２０Hz,激振力為０~３kN振動下拉伸時,Q２３５A 鋼表現出明顯的體積效應,即相對于 常 規 拉 伸 時 的 平 均 載 荷 減 小,屈 服 強 度降低。

(２)在頻率為 １２０ Hz,隨激振力 從 ０ 增 大 至３kN,Q２３５A 鋼的屈服強度和不同變形階段的平均載荷均呈線性降低;在塑性變形階段,常規拉伸下的平均載荷為振動拉伸下激振力和平均載荷之和,服從疊加原理。

(３)在激振力為３kN,隨頻率從１００ Hz遞減到７０Hz,試驗鋼屈服強度和在不同變形階段的平均載荷均先增大后減小,且均在９０Hz時達到最大。