壓縮載荷下夾雜物對(duì)低密度鋼應(yīng)力場(chǎng)的影響
郭帥1，朱航宇1,2，周杰2，董帥3，梁印2
(1. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金新工藝湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；3. 上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心， 上海 200240)
摘要：非金屬夾雜物在加工過(guò)程中往往容易引起裂紋的萌生和擴(kuò)展，為了明確典型非金屬夾雜物對(duì)低密度鋼性能的影響，采用Abaqus有限元軟件分析了低密度鋼中典型Al2O3、MnS、AlN、TiN單一夾雜和Al2O3-AlN、AlN-MnS復(fù)合夾雜及附近鋼基體的應(yīng)力場(chǎng)，研究了非金屬夾雜物類型、尺寸、方向、分布等因素對(duì)低密度鋼應(yīng)力場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，非金屬夾雜物的變形能力、形狀和尺寸顯著影響低密度鋼中應(yīng)力場(chǎng)分布，夾雜物及其附近鋼基體的最大應(yīng)力值由大到小依次為TiN、AlN、Al2O3和MnS。夾雜物尺寸越大，應(yīng)力場(chǎng)范圍和最大應(yīng)力值也越大。夾雜物長(zhǎng)軸與載荷的夾角會(huì)造成裂紋萌生位置和傳播方向發(fā)生變化，TiN和AlN夾雜物尖角位于載荷方向時(shí)可緩解夾雜物引起的應(yīng)力集中。此外，團(tuán)聚狀的夾雜物易引起應(yīng)力集中，夾雜物間距越小，引起的應(yīng)力富集越大。對(duì)于復(fù)合夾雜物而言，Al2O3-AlN內(nèi)部的Al2O3夾雜會(huì)阻礙復(fù)合夾雜物變形，引起應(yīng)力值升高，增加AlN夾雜的危害性；而AlN-MnS復(fù)合夾雜物外部的MnS可以適度緩解內(nèi)部AlN尖角處引起的應(yīng)力集中，降低AlN夾雜的危害性。因此，在冶煉過(guò)程中應(yīng)盡量控制脆性?shī)A雜物數(shù)量和尺寸、避免聚集狀A(yù)lN夾雜物的生成，通過(guò)工藝調(diào)控實(shí)現(xiàn)硫化物對(duì)AlN夾雜的完全包裹等措施可降低夾雜物對(duì)低密度鋼的危害性。
關(guān)鍵詞：低密度鋼； Fe-Mn-Al-C； 非金屬夾雜物； 應(yīng)力場(chǎng)； 有限元模擬； 壓縮載荷
1 引言
近年來(lái)，為響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保、節(jié)能減排的倡導(dǎo)，汽車輕量化已成為汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)。Fe-Mn-Al-C系低密度鋼作為汽車輕量化的潛在鋼鐵材料受到了汽車行業(yè)研究人員的關(guān)注，低密度鋼的極限抗拉強(qiáng)度為600～1 800 MPa，伸長(zhǎng)率為20%～100%，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。該類鋼主要通過(guò)加入鋁元素來(lái)降低密度，但冶煉過(guò)程中鋁易于與鋼液中氧氮、冶金爐渣及耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成非金屬夾雜物。大多數(shù)非金屬夾雜物會(huì)破壞鋼基體的連續(xù)性和均勻性，在熱處理和變形過(guò)程中引起應(yīng)力富集，促進(jìn)裂紋萌生，危害鋼材的力學(xué)性能。Penna R V等認(rèn)為低密度鋼中的AlN夾雜性質(zhì)脆而硬，呈多面體，尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。除單一AlN夾雜物外，低密度鋼中也易形成Al2O3-MnS和AlN-MnS等復(fù)合夾雜物。Hosseini S B等發(fā)現(xiàn)鋼中MnS夾雜在熱軋過(guò)程中會(huì)沿軋制方向伸長(zhǎng)，夾雜物周圍的裂紋萌生方式和MnS夾雜與載荷的方向關(guān)系密切相關(guān)。WU Z F 等認(rèn)為MnS包覆Al2O3形成的Al2O3-MnS復(fù)合夾雜物可以緩解夾雜物和基體之間的鑲嵌應(yīng)力，從而改善了鑄態(tài)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的斷裂韌性。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，更多的研究者開始使用有限元仿真軟件研究夾雜物對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響。Ahmadian P等的仿真計(jì)算結(jié)果表明，不銹鋼中夾雜物尺寸越大，應(yīng)力集中越明顯；菱形夾雜物的變形趨勢(shì)比方形夾雜物更均勻。CONG T等對(duì)火車輪轂接觸應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物附近的應(yīng)力集中尤為明顯。此外，還可以利用有限元技術(shù)分析夾雜物對(duì)鋼疲勞性能的影響。Cerullo M等基于Dang Van準(zhǔn)則研究了滾動(dòng)軸承中的Al2O3和TiN兩種夾雜物對(duì)鋼材疲勞壽命的影響，并認(rèn)為夾雜物及附近基體的應(yīng)力集中由夾雜物和鋼基體的彈性模量差異決定。GU C等提出一種基于微觀結(jié)構(gòu)的建模方法，以解釋快速冷卻過(guò)程中硅酸鹽夾雜物引起的殘余應(yīng)力對(duì)鋼的疲勞裂紋萌生行為的影響。然而，低密度鋼中典型夾雜物對(duì)其附近應(yīng)力場(chǎng)及力學(xué)性能的影響報(bào)道較少，模擬低密度鋼中夾雜物對(duì)其力學(xué)性能的影響對(duì)優(yōu)化低密度鋼冶煉工藝及夾雜物的控制具有借鑒意義。
本文采用Abaqus軟件的靜力學(xué)分析模塊研究低密度鋼中夾雜物在壓縮載荷下的應(yīng)力場(chǎng)分布，探索典型夾雜物的類型、形狀、尺寸、方向、分布等對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，為低密度鋼冶煉過(guò)程夾雜物的控制提供理論指導(dǎo)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)低密度鋼中典型夾雜物引起的應(yīng)力集中與夾雜物變形能力、形狀和尺寸有關(guān)，夾雜物及其附近鋼基體中的最大應(yīng)力值由大到小依次為TiN、AlN、Al2O3和MnS。應(yīng)力場(chǎng)范圍和應(yīng)力值隨著夾雜物尺寸的增加而增加，但對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的空間分布規(guī)律沒(méi)有明顯的影響。
(2)夾雜物與載荷的方向關(guān)系顯著影響夾雜物及附近鋼基體的應(yīng)力場(chǎng)分布，夾雜物長(zhǎng)軸在載荷方向上的投影長(zhǎng)度越長(zhǎng)應(yīng)力值越大，夾雜物尖角在載荷方向可緩解夾雜物附近應(yīng)力集中。
(3)夾雜物間距越小，引起的應(yīng)力富集越大。臨近鋼表面的夾雜物易產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，在加工過(guò)程中會(huì)造成產(chǎn)品的表面缺陷。
(4)以Al2O3為核心形成的Al2O3-AlN復(fù)合夾雜物比單一AlN夾雜物危害性更大，內(nèi)部的Al2O3阻礙復(fù)合夾雜的彈性變形，造成復(fù)合夾雜物附近應(yīng)力值增加。AlN夾雜被MnS完全包裹后可緩解應(yīng)力集中，降低AlN夾雜的危害性。
