0 引言
58SiMn钢是我国自主研制的一种高破片率、高强度的弹体钢,它通过大幅度提高C、Si和Mn的含量,使钢的强度提高、韧性降低、缺口敏感度增大[1]。跟传统的炮弹钢D60相比,58SiMn钢具有更加优良的综合力学性能。
文中从实际工程需求出发,以杀爆弹壳体材料58SiMn钢为研究对象,利用材料试验机和霍普金森拉杆开展了58SiMn钢的准静态和动态拉伸试验。得到了58SiMn钢在不同应变率下的应力-应变关系,较全面了解了58SiMn钢在不同应变率加载下的力学特性。通过进一步的扫描电镜(SEM)试验观察试样断口形貌,得到了58SiMn钢在不同应变率下的失效模式,研究成果可为杀爆弹结构设计提供重要参考。
1 准静态和动态拉伸试验
1.1 试验试样
试样材料为58SiMn合金钢,利用X射线能谱分析(EDS)局部面扫描的方法检测材料的元素含量组成,其化学成分如表1所示。
表1 58SiMn钢化学成分表 % |
| 元素 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | O | Fe | K | P | |
| 质量分数 | 63 | 8 | 18 | 35 | 59 | 11 | 10 |
1.2 准静态拉伸试验
准静态拉伸试验的加载设备为型号WDW-500E的电子式万能试验机,电子引伸计型号为YYU-25,试验加载应变率为0.001 s-1和0.01 s-1,试验装置如图3所示。试样两端采用配套的夹具固定,引伸计通过橡皮筋固定在试样上,这种固定方式牢靠,能够保证试样和夹具之间以及引伸计和试样之间不会发生相对滑动。试验时,试样承受的拉力与试验机横梁的荷载相等,可由力传感器测得,试样标距内的形变量由引伸计测量。
1.3 动态拉伸试验
2 试验结果分析
2.1 准静态拉伸试验结果
2.2 动态拉伸试验结果
不同加载应变率下试样的应力-应变关系曲线如图8所示。需要说明的是,试验时采用了Kirana 5M超高速相机拍摄了动态拉伸时试样的断裂过程,从而保证试样被拉伸时不会发生多次加载而断裂的情况。
图8(a)给出了58SiMn钢在动态拉伸时不同应变率下的真实应力-真实应变关系曲线,图8(b)将不同应变率对应的流动应力-塑性应变曲线进行了对比。从图8(a)中可以看出,58SiMn钢在1 000~2 700 s-1应变率范围内的应力-应变曲线呈现相似的特征,且随着应变率的提高,材料的应变硬化效应得到了增强。图8(b)可以看出,58SiMn钢在动、静态下表现出的力学特性差异显著,其动态屈服强度和动态抗拉强度较准静态均有显著的提高,且屈服强度增幅明显高于抗拉强度增幅,具有显著的应变率强化效应。准静态的断裂应变值在0.10~0.13范围内;动态断裂应变值波动较大,与试样的断裂情况相符,主要是由于58SiMn在动态拉伸下发生的是脆性断裂,断裂原因是材料内部缺陷引起应力集中使得缺陷处的应力远大于材料的抗拉强度,从而造成58SiMn钢动态断裂的随机性较大。
3 断裂模式分析
首先从断口宏观特征分析,图9给出了两种不同应变率下试样拉伸断口的对比图。可以看出,58SiMn钢动、静态断裂形式一致,断口平面与轴向拉应力垂直,发生正拉脆性断裂,因而58SiMn钢作为弹体材料具有较高的破碎率。
从试样断口的SEM照片来看,不同倍镜下断口形貌具有相似的特征。从低倍镜下的断口形貌来看,试样断口粗糙,呈现脆性断裂的特征;由高倍镜的断口形貌中可以看出,断口主要的特征由解理台阶、微孔以及微孔断裂区周边塑性变形形成的撕裂棱组成,是一种典型的准解理断裂特征。准解理断裂是一种介于解理断裂和塑坑断裂之间的过渡断裂机理[14],准解理断裂也使得材料断口具有更为锋利的结构,提高了破片的杀伤威力,体现了58SiMn钢作为杀爆弹壳体材料的优越性。
4 结论
通过58SiMn钢的动、静态拉伸试验和对回收试样断口形貌的观察分析,得出了以下结论:
1)58SiMn钢在不同应变率加载下表现出不同的力学特性,准静态拉伸的应力-应变曲线未出现屈服现象,应变硬化段呈双线性;动态拉伸应力-应变曲线出现屈服现象,应变硬化段呈线性。随着应变率的提高,材料的屈服强度和抗拉强度随之提高,且屈服强度增幅明显高于抗拉强度增幅,具有应变率强化效应。
2)58SiMn钢的断裂模式与加载应变率无关,从试样宏观断口形貌来看,断口粗糙、断口平面与轴向拉力垂直,是一种正拉脆性断裂;从试样微观断口形貌来看,解理台阶、微孔以及微孔断裂区周边塑性变形形成的撕裂棱是微观断口的主要特征,是一种典型的准解理断裂。