中低速沖擊作用下316LN不銹鋼板失效模式與吸能特性研究

馬 博 莫嶸桓 陳樹寒 王怡航 肖新科

（南陽理工學院土木工程學院，河南 南陽 473004）

0 引言

防止核泄漏事件的發(fā)生是核電管道安全性研究的重點。316LN不銹鋼是核電管道的主要材料，對其各項性能的研究是必不可少的。目前，國內(nèi)外公開發(fā)布的大量文獻表明，316LN不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性［1-2］、高溫力學性能［3-6］，以及良好的焊接性能［7-8］，對316LN不銹鋼的性能優(yōu)化及工業(yè)推廣具有一定的指導意義。近年來，越來越多的學者對316LN不銹鋼的相關力學性能進行研究。張義帥等［3］探究了溫度和保溫時間對316LN不銹鋼組合和硬度的影響，研究結果表明，隨著固溶溫度的升高和固溶時間的延長，316LN不銹鋼中的鐵元素含量會逐漸降低，硬度出現(xiàn)下降的趨勢。郁鈞超等［5］采用熱力學試驗法來研究應變率和應力三軸度對316LN不銹鋼高溫斷裂行為的影響，研究結果表明，溫度相同時，316LN不銹鋼的斷裂應變隨應變率的增大而增大。李會鵬等［6］研究了應變速率對低溫拉伸316LN不銹鋼力學性能的影響。單寶路［9］對316LN奧氏體不銹鋼進行一系列材料力學性能測試，得到了修改的JC本構模型與JC失效模型的模型參數(shù)，并通過泰勒撞擊試驗進行驗證。Keshun等［10］觀察了316LN鑄態(tài)組織中的裂紋斷裂擴展行為，并將模擬的裂紋路徑與試驗結果進行比較，揭示了亞晶粒尺寸、形貌及其取向對沖擊荷載下斷裂和韌性的影響。

綜上所述，目前國內(nèi)外對316LN不銹鋼的研究大多為高溫和不同應變速率下的力學性能研究，而少有對其在中低速沖擊作用下的失效模式與吸能特性的研究。鑒于此，本研究采用平頭、半球形頭和卵形頭圓柱桿在6.5～10 m/s的撞擊速度范圍內(nèi)垂直沖擊316LN不銹鋼板，獲得316LN鋼板的沖擊吸能特性和失效模式，研究結果為316LN不銹鋼的應用提供參考。

1 試驗方案

穿刺試驗是在南陽理工學院材料力學實驗室的VHS高速拉伸機（見圖1）上開展的，沖頭有3種頭部形狀，分別為半球形頭、平頭與卵形頭，如圖2所示。靶板是直徑為60 mm、厚1.5 mm的316LN不銹鋼。穿刺試驗的沖頭速度分別為6.5 m/s、7.5 m/s和10 m/s，每個速度分別進行三次平行試驗。試驗前，先將靶板固定在夾具上，安裝靶板時要保證靶板放置在穿刺試驗夾具正中央，靶板放好后擰緊夾具。每次試驗結束后，要檢查穿刺試驗裝置和沖頭的穩(wěn)定性。每一次試驗過后對靶板進行回收，并檢查沖頭的磨損程度，以便及時更換。同時，在每次試驗開始前，要在沖頭和靶板接觸位置均勻涂抹潤滑油，用來減小二者間的摩擦。

圖1 高速拉伸機

圖2 三種沖頭示意圖（單位：mm）

2 失效模式

圖3為半球形沖頭穿刺試驗下，316LN不銹鋼靶板的破壞模式。從靶板破壞形貌可以看出，半球形沖頭在6.5 m/s、7.5 m/s、10 m/s三組平行試驗中，靶板全部被穿透，但穿透部分并未掉落，而與靶板仍有一小部分保持連接。靶板整體呈碟形破壞，沖出有塞塊。靶板未由夾具固定的部分全部發(fā)生變形，變形程度由靶板斷口開裂處向四周逐漸減小，靶板被穿透部分變形程度較大。不同沖擊速度下變形程度基本相同。因此，可認為沖頭速度對靶板的失效模式影響不大。

圖4為平頭沖頭沖擊時靶板的破壞模式，9次穿刺試驗的靶板全部被穿透。沖頭以不同速度沖擊靶板的破壞形狀基本相同，失效模式為剪切沖塞。同時，伴有明顯的結構塑性變形，但靶板的變形程度較圖3所示的靶板變形程度要小很多。斷口較為平齊，被沖出的塞塊沒有出現(xiàn)明顯的變形。因此，可初步判定316LN不銹鋼在平頭沖頭下抗沖擊性能比半球形沖頭弱。

卵形沖頭沖擊下316LN不銹鋼靶板的破壞形狀如圖5所示。靶板呈四瓣花瓣狀開裂，開裂部分為韌性斷裂，且變形程度較大。大部分變形發(fā)生在卵形沖頭造成破壞的附近，靶板未由夾具約束部分并未全部發(fā)生變形。不同沖擊速度下花瓣開裂的程度沒有明顯差別，失效模式基本相同。

綜上所述，316LN不銹鋼板在不同形式?jīng)_頭的中低速沖擊作用下，失效模式存在明顯差異，失效模式可分為三種，即蝶形破壞、剪切沖塞破壞及花瓣狀開裂破壞。在相同沖頭下，沖擊速度對靶板的失效模式影響不大。

圖3 半球形沖頭穿刺試驗靶板破壞形狀

圖4 平頭沖頭穿刺試驗靶板破壞形狀

圖5 卵形沖頭穿刺試驗靶板破壞形狀

3 316LN不銹鋼沖擊性能分析

圖6到圖8分別為三種沖頭沖擊靶板時，靶板的載荷—時間曲線圖。從圖中可看出，不同沖頭下靶板所能承受的極限載荷有較大區(qū)別。其中，半球形沖頭下靶板所能承受的極限載荷最大（約為50 kN），平頭沖頭次之（約為39 kN），卵形沖頭最小（約為10 kN）。在同一沖頭沖擊作用下，靶板所能承受的極限載荷對速度并不十分敏感。隨著沖頭的沖擊速度減小，靶板被破壞所用的時間逐漸增加。半球形沖頭和平頭沖頭沖擊時，沖擊載荷隨時間增加而增加，直至靶板斷裂時沖擊載荷突然下降。而在卵形沖頭沖擊時，沖擊載荷隨時間的增加先增加到最大值，之后逐漸降低到約極值的40%，接著再略微增加到極值的60%，最后又緩慢降低直至0。卵形沖頭沖擊時復雜的載荷歷程與靶板相對復雜的變形和斷裂模式以及沖頭-靶板作用過程有關，還要進一步的數(shù)值模擬研究。

圖6 半球形沖頭載荷—時間曲線

圖7 平頭沖頭載荷—時間曲線

圖8 卵形頭沖頭載荷—時間曲線

4 結論

本研究以核電管道的抗沖擊防護為應用背景，采用VHS高速拉伸機，對1.5 mm厚的316LN不銹鋼靶板在6.5～10.0 m/s的撞擊速度下進行穿刺試驗，研究316LN不銹鋼在不同沖頭、不同速度下的失效模式和抗沖擊特性。得出以下結論。

①316LN靶板的失效模式與沖頭頭部形狀密切相關。在半球形、平頭和卵形頭沖頭的沖擊下，靶板分別發(fā)生蝶形破壞、剪切沖塞和花瓣開裂。

②極限沖擊載荷與沖頭頭部形狀密切相關，半球形沖頭最大，平頭沖頭略低，卵形沖頭則很低，約為半球形沖頭的1/5。

③對所研究的三種沖頭，在同一沖頭沖擊作用下，靶板所能承受的極限載荷對速度并不敏感。

④沖擊載荷歷程與沖頭形狀密切相關。對半球形沖頭和平頭沖頭而言，沖擊載荷隨時間的增加而快速增加，之后突然下降。而在卵形頭沖擊時，沖擊載荷的歷程最為復雜，先增加至極值，然后降低至極值的40%左右，再略微增加到極值的60%，最后緩慢降低直至0。