460 MPa耐火钢高温硬度试验测试研究

2022-05-10周诗琦王连庆马文江

中国测试 2022年4期

周诗琦，王连庆，马文江

(1. 北京科技大学自然科学基础实验中心，北京 100083; 2. 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

压痕测试方法简单、精准度高、成本低，具有在同一个试件上进行多次试验而且无破坏的优点[1]。因此，目前硬度试验方法在材料性能研究中的应用受到广泛关注[2-3]。尽管硬度测试方法很多，但有关硬度的定义一直没有统一，可以是材料抵抗残余变形和破坏的能力，也可以是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力[4]。由于常温环境所得金属材料力学性能不能完全反映高温条件下的实际情况，因此通过高温力学性能测试模拟实际工况尤为重要。金属的高温硬度反映了材料在高温下抵抗塑性变形的能力，且与其他高温力学性能存在一定关系，可以被当作其他高温试验的预选性试验[5]。目前国内对高温硬度测试方法的研究文献较少，牛瞳[6]等人利用高温硬度计对测量过程中不同试验力的保持时间，以及实验结束后停止真空泵时不同试样的温度进行对比研究，但未考虑冷却降温过程对硬度值所引起的误差。Zhang[7]等人使用定制的高温硬度计进行一系列高温硬度试验。然而目前一些高温硬度计无法在高温下测量压痕尺寸，基于上述情况，本文首先对460 MPa耐火钢进行不同温度下维氏硬度试验，然后通过有限元方法模拟冷却降温过程，得到降温后的硬度模拟值，最后给出该方法测量高温维氏硬度值的修正公式。

1 热环境下耐火钢材料的维氏硬度试验研究

1.1 耐火钢的高温硬度测试试验方案及实施

参照国家标准GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》[8]，在不同温度（常温 25 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃）下完成460 MPa耐火钢维氏硬度试验。试验过程：将试样放入加热炉中，加热至设定温度，保温15 min；然后用49.03 N的试验力压入试样表面，恒载10 s后卸除试验力；测量试样表面压痕对角线长度，计算460 MPa耐火钢维氏硬度值，在每个温度条件下重复3次试验。

1.2 试验结果及分析

由于试验仪器的局限性，不能在高温下测量压痕对角线长度，需冷却后在常温下测量压痕对角线长度，计算维氏硬度值见表1。

从表1结果可以看出，该材料在25～300 ℃之间硬度值变化不明显。随温度进一步升高硬度值降低明显，600 ℃时硬度整体下降30%左右。同一温度下的3个测量硬度值相对稳定，误差较小。

表1 不同温度下维氏硬度硬度试验结果

1.3 硬度测试过程中的热变形影响因素分析

常温下的硬度试验一般分为两个阶段如图1所示。第一阶段为加载，压头从试件表面压入，产生局部弹塑性变形；第二阶段为卸载阶段。根据压痕几何尺寸，计算硬度的测试值。

图1 常温下与600 ℃高温下维氏硬度各阶段的压痕位示意图

在高温环境下的硬度试验也应该与常温下相同，分为上述两个阶段，在当前环境温度下测量压痕尺寸。但是，往往由于试验条件所限，有时无法对高温下的压痕尺寸进行直接测量，而改用冷却至常温下再进行测量，这样的做法实质上忽略了冷却回弹过程引起的硬度测试偏差。

分析冷却回弹需考虑的因素有：1）由于温度降低而引起的热收缩变形；2）随着温度的自然冷却，温度在逐渐降低，这使得弹性模量和屈服极限都会随温度的降低而变化，从而导致原有的残余应力和残余变形的改变。

根据冷却到常温后压痕的几何尺寸，计算出相应的硬度值。如果将此硬度值当作高温下的硬度值，会造成试验结果的偏差，因为该测试方法没有考虑到冷却回弹过程对压痕尺寸变化的影响。

2 压痕热弹塑性变形的有限元分析

2.1 材料力学性能的温度依赖性及材料参数

由460 MPa耐火钢拉伸试验分析可知：耐火钢材料为各向同性强化弹塑性材料，具有较为敏感的温度依赖性。通过拉伸试验得到各参数与温度的关系曲线如图2和图3所示。

图2 460 MPa耐火钢的弹性模量随温度的变化曲线

图3 460 MPa耐火钢的屈服强度随温度的变化曲线

采用Ramberg-Osgood公式进行不同温度下应力-应变曲线拟合[9]拟合公式如下：

拉伸试验的材料力学性能参数的试验结果作为有限元数值模拟的输入参数[10]。

有限元数值分析不同温度下维氏硬度试验中四棱锥压头加载和卸载问题，属于三维热弹塑性接触问题，具有较强的非线性。为了得到较为准确的数值结果，这里采用Abaqus/Standard隐式方法求解器进行有限元分析[11]。由于结构和载荷的对称性，为减小求解器的计算量以及模拟时间，对模型的1/4进行建模[12]。将硬度实验测试的实际载荷49.03 N作为模拟压痕过程的载荷。

2.2 有限元网格尺度敏感性分析及网格划分

单元类型和网格密度直接影响有限元结果的准确性[13]。网格的单元类型选用C3D8R型8节点六面体线性减缩积分单元。此单元积分点数目少且计算速度快，对以位移求解的单元计算更精确，并且在网格变形较大时，计算分析精度不会受到大影响。

针对460 MPa耐火钢维氏硬度数值模拟结果，分析C3D8R型8节点六面体线性减缩积分单元网格密度对数值结果的影响。由于邻近接触面的局部区域变形较大，而远离接触面的区域变形较小，特别是在与压头锥尖接触的附近区域会有较强的应力集中，因此采用非均匀网格进行分析较为合理。

有限元模拟中若计算硬度值，需得到压痕深度值，因此载荷-深度曲线是否收敛尤为重要。为验证网格尺寸大小对结果是否有影响，分别对5种网格尺寸进行计算，得到5种网格尺寸下的载荷-深度曲线，结果如图4所示。

图4 不同网格尺寸下的载荷深度曲线

从图4可看出：0.1 mm的网格尺寸的载荷-深度曲线误差较大，其他网格的误差较小。其中，0.01 mm与0.005 mm的网格尺寸下的载荷-深度曲线基本重合，说明当网格尺寸小于等于0.01 mm时计算结果收敛，此时网格尺寸对模拟结果影响较小。因此采用网格尺寸为0.01 mm进行计算。有限元网格模型如图5所示。