1、第8 期2023年8 月机械设计与制造Machinery Design&Manufacture8930408奥氏体不锈钢弹塑性力学演变研究王加宁1,李光明,孙建桂3,胡效东1（1.山东科技大学机械电子学院，山东青岛2 6 6 5 9 0;2.山东思科赛德矿业安全工程有限公司，山东泰安2 7 10 0 0；3.沂南县计量测试所，山东临沂2 7 6 0 0 0)摘要：采用小冲杆测试技术测试30 40 8 奥氏体不锈钢的屈服强度及抗拉强度分别为19 5.43MPa、8 0 4.34MP a，运用扩展有限元的方法模拟了小冲杆试验的破裂过程，并基于弹塑性力学分析了某煤矿应力计压力枕的弹塑性变形。结果表明
2、：采用扩展有限元法模拟小试样破裂位置与试验破裂位置基本吻合，断裂位置先经历减薄，减薄区发生最大的塑性变形为12 3.1%,之后随着应力的增大，试件产生破裂。压力枕的弹塑性分析与试验结果的相对误差在(0.2 1 6.6 5)%之内，表明该方法用于应力计压力枕的设计是可行的。这里指在探索大塑性变形零部件的精细化设计问题，减少试验次数，提高设计精度。关键词：小冲杆测试；30 40 8 奥氏体不锈钢；应力计压力枕；弹塑性力学中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：10 0 1-39 9 7(2 0 2 3)0 8-0 0 8 9-0 5Investigation on Elastoplastic
3、Mechanical Evolutionof 30408Austenitic StainlessSteelWANG Jia-ning,LI Guang-ming,SUN Jian-gui,HU Xiao-dong(1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao266590,China;2.Shandong Succeed Mining Safety Engineering Co.,Ltd.,Shandong Taian
4、 271000,China;3.YinanCounty Institute of Metrology and Testing,Shandong Linyi 276000,China)Abstract:The yield strength and tensile strength of 30408 austenitic stainless steel were tested using the small plunger test tech-nology to be 195.43MPa and 804.34MPa respectively.The rupture process of the s
5、mall plunger test was simulated by the extendedfinite element method,and based on elastoplastic mechanics,the elastoplastic deformation of the pressure pillow of a coal minestress gauge is analyzed.The results show that the rupture position of the small sample simulated by the extended finite elemen
6、tmethod is basically consistent with the test rupture position.The fracture position first undergoes thinning,and the largest plasticdeformation in the thinned area is 123.1%.Then,as the stress increases,the specimen produce rupture.The relative error betweenthe elasto-plastic analysis of the pressu
7、re pillow and the test results is within(0.216.65)%,which indicates that the method isfeasible for the design of the stress gauge pressure pillow.lt aims to explore the fine design of parts with large plastic deformation,reduce the number of tests,and improve the design accuracy.Key Words:Small Punc
8、h Test;30408 Austenitic Stainless Steel;Stress Gauge Pressure Pillow;Elastoplastic Me-chanics1引言30408奥氏体不锈钢广泛应用于化工装备和家用电器等行业,其拉伸曲线具有明显的非线性,应变硬化能力强,没有明显的屈服点。该材料的具有较好的低温冲击性能，经过15%的应变时仍能表现出较好的冲击韧性2-3。小冲杆试验常用于常规试件难以取得或试样材料成本高、量少的场合4-7 。ABAQUS软件计来稿日期：2 0 2 2-0 6-18基金项目：山东省重点研发计划（2 0 18 GGX103019)作者简介：王加宁
9、，（19 9 5-）,男，山东滕州人，硕士研究生，主要研究方向：过程装备先进设计及制造方法；胡效东，（19 7 1-）,男，山东曹县人，博士研究生，教授，主要研究方向：过程装备先进设计及制造方法算二维断裂问题中用到的扩展有限元法的子程序，能够充分利用非线性接触分析的求解功能8 。通过编制UEL用户子程序，可以完成金属材料三维疲劳裂纹扩展特性及剩余寿命计算9 。基于弹塑性损伤本构，采用扩展有限元法模拟接头被压弯破坏的过程，其模拟值与实验值较为接近10 1。在设计过程中主要参考相关行业标准给定的90屈服强度或许用应力，金属材料具有较大的强度余量。这里则通过小冲杆试验技术测量某煤矿应力计压力枕用30
10、 40 8 不锈钢的力学性能，基于弹塑性理论，采用扩展有限元法模拟分析小冲杆拉伸过程。探索一种大塑性变形机械零部件精细化设计方法。2小冲杆试验测试力学性能2.130408材料化学成分分析30408是典型的奥氏体不锈钢。这里使用固定式金属分析光谱仪测试材料的成分，选取厚度为1.3mm试件进行材料成分测试，其化学成分含量，如表1所示。表130 40 8 不锈钢板材的化学成分（wt%）Tab.1 Composition of 304 Stainless Steel Sheet(wt%)元素C含量%0.0672.2试验原理及试样的制备小冲杆试验冲杆加载速度为0.3m/min，记录试件在试验过程中的载荷
11、-位移曲线，得到相应材料的力学性能。小冲杆试验的原理和试验设备，如图1所示。载荷F小冲杆、钢珠dH(a）小冲杆试验原理图图1小冲杆试验原理及试验设备Fig.1 Principle of SPT and Test Equipment为减小试验误差，选取3个试件进行小冲杆试验。试件直径为10 mm，试件厚度为0.5 mm，试样的加工精度为0.0 1mm，为了保证提高试验准确性，需要除掉加工影响层，所以加工试件时留有0.1mm的余量，用于后续打磨。依次使用40 0 目、8 0 0 目、1000目和12 0 0 目砂纸对试件两个表面进行打磨抛光，用于除掉试件表面的加工纹路和受热硬化层，降低表面粗糙度，
12、直至获得较好的平面度和较低的表面粗糙度。小冲杆试件的试验前后图，如图2 所示。10mm(a)试验前的试件(b)试验后的试件图2 小冲杆试件的试验前后图Fig.2 Map of Small Punch Specimen Before and After Test3材料的屈服载荷和最大载荷小冲杆试验记录了试件从加载到失效过程中试件的载荷-位移数据，三组试件的试验数据拟合的载荷-位移曲线，如图3所示。王加宁等：30 40 8 奥氏体不锈钢弹塑性力学演变研究0.8图3三组小冲杆试件的载荷-位移曲线Fig.3 Curves of Load-Displacement ofThree Groups SPT
13、SpecimenSSi0.0010.46圆片试样夹头h第8 期-1组30002组3组24001800120060000.0MnP1.150.035(b)小冲杆试验设备0.4CrNi18.148.121.21.62.0u/mm下面以第2 组试件为例求解材料的屈服载荷和最大载荷，最大载荷Fmx为曲线的最高点，可以得出为3115.0 8 N。对于屈服载荷的确定,为了更加清晰的进行分析,载荷-位移曲线中的弹性变形阶段和塑性变形阶段进行放大绘图,最大载荷和屈服载荷的确定方法，如图4所示。试验曲线F(u)600最小二乘法拟合f（u）B300f(uFe=F(uA00.0Fig.4 Method for De
14、termining Yield Load确定小冲杆试验的屈服载荷有许多种方法，例如欧盟标准草案中使用的方法和二倍斜率法。这里采用欧盟草案中的方法，用最小二乘法拟合材料的屈服载荷。通过试验曲线中点A和点B定义以下两个方程见式(1），公式中第1个方程是试验弹性变形阶段的线性拟合方程；第2 个方程是试验塑性变形阶段中前段的线性拟合方程。两线性拟合方程的交点A是第一个方程的终点，同时是第二个方程的起点，B点是第二个方程的终点。(LLu,OuuUAf(u)=f-fA(u-ua)+fa,uauua(B-uA通过u=h(h-小冲杆试件厚度)作为第二个方程的终点，因此把ug=0.5带人到式(1)中通过改变ua
15、f(ua),使方程曲线和试验曲线良好吻合，在A点作垂线与试验曲线的交点的纵坐标为屈服载荷。4材料的屈服强度和抗拉强度根据文献1针对17 种不同材料的小冲杆试验，得出的拟合2.4C(0.113854,157.96)0.10.20.3u/mmuA图4屈服载荷的确定方法2.80.40.50.6UB0.7(1)No.8Aug.2023公式来计算本次试验中30 40 8 不锈钢的屈服强度和抗拉强度，屈服强度和抗拉强度拟合公式，如式(2）式(3)所示。0.3804F。Rel=。-2 5 (R =0.9 442)h2Rm=0.378Fm-147.96(R=0.950)hum式中：Re一屈服强度;Rm一抗拉强
16、度;h一试样的厚度;Fmax一最大载荷;um一最大载荷Fmx对应的位移;R?一决定系数;F一屈服载荷。根据上述公式得出三组小冲杆试件的屈服强度和抗拉强度，如表2 所示。表2 三组小冲杆试件的屈服强度和抗拉强度Tab.2 Yield Strength and Tensile StrengthofThreeGroupsSPTSpecimen组号(um,Fm)1(2.304291,2979.90）（0.10 0 7 5 6,15 0.8 2)2(2.396986,3115.08）(0.1138 5 4,15 7.9 6)3(2.373812,2816.16)(0.0846,125.82)平均值通过上述分析，取三组试验中屈服强度和抗拉强度的平均值，确定出所用材料的Re为19 5.43MPa,R为8 0 4.34MPa。5扩展有限元理论和断裂过程模拟5.1扩展有限元法理论基础扩展有限元（XFEM）可用于模拟静态、沿任意路径和解依赖性路径的裂纹扩展。扩展有限元法的利用独立于网格的剖分方法，来求解裂缝的扩展，避免了在变形和应力集中区需要划分密集网格带来的弊端，模拟的裂缝可以实现沿着任意路径扩展。在满