壓縮載荷下夾雜物對低密度鋼應力場的影響
郭帥1，朱航宇1,2，周杰2，董帥3，梁印2
(1. 武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學鋼鐵冶金新工藝湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430081；3. 上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心， 上海 200240)
摘要：非金屬夾雜物在加工過程中往往容易引起裂紋的萌生和擴展，為了明確典型非金屬夾雜物對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復合夾雜及附近鋼基體的應力場，研究了非金屬夾雜物類型、尺寸、方向、分布等因素對低密度鋼應力場的影響。結果表明，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力場分布，夾雜物及其附近鋼基體的最大應力值由大到小依次為TiN、AlN、Al2O3和MnS。夾雜物尺寸越大，應力場范圍和最大應力值也越大。夾雜物長軸與載荷的夾角會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可緩解夾雜物引起的應力集中。此外，團聚狀的夾雜物易引起應力集中，夾雜物間距越小，引起的應力富集越大。對于復合夾雜物而言，Al2O3-AlN內部的Al2O3夾雜會阻礙復合夾雜物變形，引起應力值升高，增加AlN夾雜的危害性；而AlN-MnS復合夾雜物外部的MnS可以適度緩解內部AlN尖角處引起的應力集中，降低AlN夾雜的危害性。因此，在冶煉過程中應盡量控制脆性夾雜物數(shù)量和尺寸、避免聚集狀AlN夾雜物的生成，通過工藝調控實現(xiàn)硫化物對AlN夾雜的完全包裹等措施可降低夾雜物對低密度鋼的危害性。
關鍵詞：低密度鋼； Fe-Mn-Al-C； 非金屬夾雜物； 應力場； 有限元模擬； 壓縮載荷
1 引言
近年來，為響應國家綠色環(huán)保、節(jié)能減排的倡導，汽車輕量化已成為汽車行業(yè)的研究熱點。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)研究人員的關注，低密度鋼的極限抗拉強度為600～1 800 MPa，伸長率為20%～100%，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能。該類鋼主要通過加入鋁元素來降低密度，但冶煉過程中鋁易于與鋼液中氧氮、冶金爐渣及耐火材料發(fā)生化學反應，形成非金屬夾雜物。大多數(shù)非金屬夾雜物會破壞鋼基體的連續(xù)性和均勻性，在熱處理和變形過程中引起應力富集，促進裂紋萌生，危害鋼材的力學性能。Penna R V等認為低密度鋼中的AlN夾雜性質脆而硬，呈多面體，尖角處容易產(chǎn)生應力集中。除單一AlN夾雜物外，低密度鋼中也易形成Al2O3-MnS和AlN-MnS等復合夾雜物。Hosseini S B等發(fā)現(xiàn)鋼中MnS夾雜在熱軋過程中會沿軋制方向伸長，夾雜物周圍的裂紋萌生方式和MnS夾雜與載荷的方向關系密切相關。WU Z F 等認為MnS包覆Al2O3形成的Al2O3-MnS復合夾雜物可以緩解夾雜物和基體之間的鑲嵌應力，從而改善了鑄態(tài)先進高強鋼的斷裂韌性。
隨著計算機技術和有限元技術的發(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鋼材力學性能的影響。Ahmadian P等的仿真計算結果表明，不銹鋼中夾雜物尺寸越大，應力集中越明顯；菱形夾雜物的變形趨勢比方形夾雜物更均勻。CONG T等對火車輪轂接觸應力分布進行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物附近的應力集中尤為明顯。此外，還可以利用有限元技術分析夾雜物對鋼疲勞性能的影響。Cerullo M等基于Dang Van準則研究了滾動軸承中的Al2O3和TiN兩種夾雜物對鋼材疲勞壽命的影響，并認為夾雜物及附近基體的應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構的建模方法，以解釋快速冷卻過程中硅酸鹽夾雜物引起的殘余應力對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其附近應力場及力學性能的影響報道較少，模擬低密度鋼中夾雜物對其力學性能的影響對優(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軟件的靜力學分析模塊研究低密度鋼中夾雜物在壓縮載荷下的應力場分布，探索典型夾雜物的類型、形狀、尺寸、方向、分布等對應力場分布的影響，為低密度鋼冶煉過程夾雜物的控制提供理論指導。
2 精選圖表
3 結論
(1)低密度鋼中典型夾雜物引起的應力集中與夾雜物變形能力、形狀和尺寸有關，夾雜物及其附近鋼基體中的最大應力值由大到小依次為TiN、AlN、Al2O3和MnS。應力場范圍和應力值隨著夾雜物尺寸的增加而增加，但對應力場的空間分布規(guī)律沒有明顯的影響。
(2)夾雜物與載荷的方向關系顯著影響夾雜物及附近鋼基體的應力場分布，夾雜物長軸在載荷方向上的投影長度越長應力值越大，夾雜物尖角在載荷方向可緩解夾雜物附近應力集中。
(3)夾雜物間距越小，引起的應力富集越大。臨近鋼表面的夾雜物易產(chǎn)生高應力區(qū)，在加工過程中會造成產(chǎn)品的表面缺陷。
(4)以Al2O3為核心形成的Al2O3-AlN復合夾雜物比單一AlN夾雜物危害性更大，內部的Al2O3阻礙復合夾雜的彈性變形，造成復合夾雜物附近應力值增加。AlN夾雜被MnS完全包裹后可緩解應力集中，降低AlN夾雜的危害性。
