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30CrMnSiNi2A钢的动态性能研究

周义清  
【摘要】: 30CrMnSiNi2A钢是一种低合金超高强度钢,在航空、航天、舰船、交通运输和国防等领域有着广泛的应用,研究其在动态载荷作用下的力学行为及其数学模型-动态本构关系,是动态测试领域中一个重要的课题,具有重要的意义。本文首先利用热处理实验装置和电子万能材料实验机,对30CrMnSiNi2A钢试样进行了热处理实验和静态压缩实验,分析了经过不同热处理后,30CrMnSiNi2A钢硬度、组织的变化,得到了静态实验下试样的应力-应变曲线。并且采用分离式Hopkinson压杆测试装置较为全面地研究了30CrMnSiNi2A钢在不同热处理制度下的动态力学性能。主要内容如下: 1.从经过正火热处理的30CrMnSiNi2A钢的成形弹体上取六块材料进行热处理实验,其中一块保持原状态,另外的五块分别通过箱式电阻炉进行860℃淬火热处理,淬火后材料经油冷后又分别进行200℃,300℃,400℃,500℃,600℃回火油冷的热处理实验。实验后用洛氏硬度计测得了不同热处理制度下材料的硬度值。结果表明正火后30CrMnSiNi2A钢硬度值最低;淬火后其硬度值最高;淬火后又回火的材料,其硬度值随回火温度的降低而升高。并通过金相图片分析了不同热处理温度下材料的微观组织变化。 2.选用经正火处理、860℃淬火200℃回火、860℃淬火600℃回火热处理后的三组材料在电子万能材料实验机上进行静态压缩实验,首先把所选三组材料制成尺寸为Φ4×6mm的小试样,然后利用该实验机进行了应变率为10-1/s,10-3/s的静态压缩实验,得到了试样在不同应变率下的静态应力-应变曲线。结果表明:30CrMnSiNi2A钢屈服强度具有一定的率敏感性,同一组试样在不同应变率下的屈服强度均随应变率增加而增加;不同组试样在同等应变率下的屈服强度变化规律为:经正火热处理后的钢屈服强度值最低,经淬火、回火热处理后的钢屈服强度值随回火温度降低而升高。 3.利用SHPB动态测试装置,对上述所选三组材料进行了应变率均值为1000/s, 3000/s, 5000/s, 10000/s, 12000/s的动态压缩实验,试样尺寸为Φ4×4mm,Φ3×2mm和Φ1×1mm,得到了试样在不同应变率下的动态应力-应变曲线,结果表明:该合金钢动态屈服强度具有一定的率敏感性,同组试样在不同应变率下的屈服强度值随应变率 增加而增加,860℃淬火200℃回火热处理后的钢率敏感性在高应变率时更加明显,860℃淬火600℃回火热处理后的钢率敏感性相对要弱一些;不同组试样在同一应变率下的屈服强度值变化规律为:正火热处理后钢的屈服强度值最低,淬火后经过回火处理的钢屈服强度值随回火温度的降低而升高。 4.根据静态、动态实验结果,结合Perzyna得到的屈服强度与应变率的关系式,得到了经过不同热处理后30CrMnSiNi2A钢屈服强度与应变率之间的关系式:正火热处理: 860℃淬火、200℃回火: 860℃淬火、600℃回火: 比较了通过Perzyna公式计算的屈服强度值和实验得到的屈服强度值,二者结果较接近,即该模型能较好的描述每组钢屈服强度和应变率的关系。 其次利用静态、动态实验结果,结合JOHNSONCOOK模型拟合出了不同热处理制度下30CrMnSiNi2A钢的本构方程为: 正火热处理后:860℃淬火、200℃回火:860℃淬火、600℃回火: 对比了通过方程得到的应力-应变曲线和实验曲线,结果表明该方程能较好描述材料的本构关系。 5.基于以上实验研究结果,在考虑应变率的情况下,应用有限元分析法,对SHPB动态压缩实验技术进行了数值模拟,有限元分析结果与实验结果吻合较好。


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