预扭变形的低碳钢拉伸特性的研究

预扭变形的低碳钢拉伸特性的研究

张锦荣， 罗彦琦

（东莞理工学院城市学院，广东东莞523419）

摘 要：通过对低碳钢进行预扭变形拉伸试验，测得变形后屈服极限和强度极限的数据，与静态拉伸试验数据进行比较，得出预扭变形后材料的屈服极限、强度极限等性能指标均得到提高的结论，该结论具有一定的实用价值。

关键词：预扭变形；拉伸试验；屈服极限；强度极限

0 引言

研究金属材料强度的目的就是根据内应力来说明宏观性质的本性，通过试验检测，金属材料经过冷变形加工后，由于冷作硬化层和残余压应力区的存在，因此有效地提高了各种性能指标，从而满足工业领域对金属材料提出的技术要求。

1 试验材料与试验过程

低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，这类钢材广泛使用在各种工程领域中，在拉伸试验中表现出典型的力学性能[1]，因此以低碳钢作为试验对象，研究其冷变形加工后的力学性能特点，其常规力学性能如表1所示。

表1 低碳钢材料力学性能参数

按照国家标准（GB/T228-2010）制造标准试件，圆截面的试件几何尺寸及实物图如图1、图2所示。试件中间等直杆部分为试验段，长度l称为标距，试件两端为装夹部分，标距l与直径d之比l：d=10：1[2]。试件直径d=10 mm、标距l=100 mm。

图1 试件几何尺寸图

拉伸试验设备采用美特斯工业系统（中国）有限公司的200 kN液压万能试验机（CHT4205），该试验机满足标准GB/T 228-2010金属材料室温拉伸试验方法。因此在试件制造过程中，试件按照国家标准GB/T228-2010制造标准试件，保证试验数据按国家标准进行采集，保证数据的正确性和可靠性。通过美特斯工业系统（中国）有限公司的微机控制电子扭转试验机（CTT1202）对试样预扭至不同的变形状态，扭转速度60°/min，如图3所示。对静拉伸试样和预扭试样进行拉伸变形与破环试验，拉伸位移速度为5 mm/min。

图2 试件实物图

图3 杆件在扭转时的受力与变形图

图4 低碳钢静拉伸试验曲线图

静拉伸试验结果如表2、图4所示。预扭拉伸试验结果如表3、表4、图5、图6所示。

表2 低碳钢静拉伸试验报告一

图5 低碳钢预扭60°、120°、240°、360°的拉伸试验曲线图

表3 低碳钢预扭拉伸试验报告表二

表4 低碳钢预扭拉伸试验报告三

图6 预扭480°、600°、720°的拉伸试验曲线图

2 试验数据结果分析

1）最大抗拉力值随着预扭角度的增加而阶梯性增加。在预扭角度60°～240°范围内，最大抗拉力值介于42.28～42.69 kN之间。预扭角度达到360°，最大抗拉力值为45.25 kN。预扭角度达到480°，最大抗拉力值为45.38 kN。预扭角达到600°时，最大抗拉力值为48.64 kN，继续增加到720°，最大抗拉力值为49.09 kN。从以上数据可得预扭角度在60°～240°和600°～720°范围内，最大抗拉力基本保持不变。预扭角度在360°～600°范围内，最大抗拉力值呈现递增现象。

2）预扭变形后，上、下屈服力相同，屈服力消失，应力不变而变形显著增加的现象消失。上屈服力由28.01 kN增加到42.62 kN，屈服极限显著提高。

3）预扭变形拉伸，变形位移会随着预扭角的增加而减少。静拉伸变形位移基本不变，在数值32 mm左右波动。预扭角度从60°～720°，预扭变形拉伸位移递减，由31 mm递减到20 mm。

3 原因分析

试件在预扭过程中，当施加的转矩使试件材料中的应力超过屈服极限时，试件表层将产生塑性变形，继续增大转矩，塑性层将继续往深处延伸。当试件弹性变形时，横截面上的剪切应力τ1分布如图7（a）所示，当试件产生塑性变形时，应力分布如图7（b）所示。图中应力τ2为材料的剪切屈服极限，图中直径d1以外的区域为塑性层，直径d1以内的区域为弹性层。当转矩载荷取消时，试件直径d1以内的区域恢复其弹性变形，而直径d1以外的区域则阻碍其恢复变形。弹性恢复力矩使塑性变形层产生二次变形，应力分布状态亦随之改变，如图7（c）所示。τ3（试件预扭之后横截面上的剪切应力）的方向与τ1、τ2的相反。试件预扭转一定角度，当表层剪切应力超过屈服极限但低于强度极限时，试件表层产生塑性变形而形成一定的冷作硬化层和残余压应力区。由于预扭后产生的冷作硬化层和残余压应力区的出现，因此预扭有效地提高了最大抗拉力。

图7 试件扭转时横截面积上的应力分布图

4 试验结论

1）从图表研究结果得出预扭变形引起的塑性损伤不明显;2）低碳钢在预扭变形后，屈服阶段不明显;3）随着预扭角度的增大，屈服极限和拉伸强度都有明显的提高，其中拉伸强度呈阶段性提高；4）低碳钢在预扭变形后拉伸，变形位移会随着预扭角的增加而减少；5）预扭强化具有塑性损伤不明显、强化幅度大等优点，低碳钢适用该加工工艺。

以上结论以低碳钢为检测对象而得到，预扭角越大，强化效果越明显，试件的抗变形能力越高。因为预扭角度存在最大值，所以确定最合适的预扭角度，对发挥材料力学性能具有极其重要的工程意义。如何找出最合理的预扭角，有待进一步研究。

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（编辑 黄 荻）

中图分类号：TG 115.52

文献标志码：A

文章编号：1002－2333（2017）07－0029－03

作者简介：张锦荣（1978—），男，讲师，硕士，主要从事机械智能制造方面的研究。

收稿日期：2016-11-07

基金项目：2012年广东省民办高等教育专项资金资助（粤财教[2013]62号）；东莞理工学院城市学院2013年青年教师发展资金资助项目(ZR11)