中低速冲击作用下316LN不锈钢板失效模式与吸能特性研究

马 博 莫嵘桓 陈树寒 王怡航 肖新科

（南阳理工学院土木工程学院，河南 南阳 473004）

0 引言

防止核泄漏事件的发生是核电管道安全性研究的重点。316LN不锈钢是核电管道的主要材料，对其各项性能的研究是必不可少的。目前，国内外公开发布的大量文献表明，316LN不锈钢具有优异的耐腐蚀性［1-2］、高温力学性能［3-6］，以及良好的焊接性能［7-8］，对316LN不锈钢的性能优化及工业推广具有一定的指导意义。近年来，越来越多的学者对316LN不锈钢的相关力学性能进行研究。张义帅等［3］探究了温度和保温时间对316LN不锈钢组合和硬度的影响，研究结果表明，随着固溶温度的升高和固溶时间的延长，316LN不锈钢中的铁元素含量会逐渐降低，硬度出现下降的趋势。郁钧超等［5］采用热力学试验法来研究应变率和应力三轴度对316LN不锈钢高温断裂行为的影响，研究结果表明，温度相同时，316LN不锈钢的断裂应变随应变率的增大而增大。李会鹏等［6］研究了应变速率对低温拉伸316LN不锈钢力学性能的影响。单宝路［9］对316LN奥氏体不锈钢进行一系列材料力学性能测试，得到了修改的JC本构模型与JC失效模型的模型参数，并通过泰勒撞击试验进行验证。Keshun等［10］观察了316LN铸态组织中的裂纹断裂扩展行为，并将模拟的裂纹路径与试验结果进行比较，揭示了亚晶粒尺寸、形貌及其取向对冲击荷载下断裂和韧性的影响。

综上所述，目前国内外对316LN不锈钢的研究大多为高温和不同应变速率下的力学性能研究，而少有对其在中低速冲击作用下的失效模式与吸能特性的研究。鉴于此，本研究采用平头、半球形头和卵形头圆柱杆在6.5～10 m/s的撞击速度范围内垂直冲击316LN不锈钢板，获得316LN钢板的冲击吸能特性和失效模式，研究结果为316LN不锈钢的应用提供参考。

1 试验方案

穿刺试验是在南阳理工学院材料力学实验室的VHS高速拉伸机（见图1）上开展的，冲头有3种头部形状，分别为半球形头、平头与卵形头，如图2所示。靶板是直径为60 mm、厚1.5 mm的316LN不锈钢。穿刺试验的冲头速度分别为6.5 m/s、7.5 m/s和10 m/s，每个速度分别进行三次平行试验。试验前，先将靶板固定在夹具上，安装靶板时要保证靶板放置在穿刺试验夹具正中央，靶板放好后拧紧夹具。每次试验结束后，要检查穿刺试验装置和冲头的稳定性。每一次试验过后对靶板进行回收，并检查冲头的磨损程度，以便及时更换。同时，在每次试验开始前，要在冲头和靶板接触位置均匀涂抹润滑油，用来减小二者间的摩擦。

图1 高速拉伸机

图2 三种冲头示意图（单位：mm）

2 失效模式

图3为半球形冲头穿刺试验下，316LN不锈钢靶板的破坏模式。从靶板破坏形貌可以看出，半球形冲头在6.5 m/s、7.5 m/s、10 m/s三组平行试验中，靶板全部被穿透，但穿透部分并未掉落，而与靶板仍有一小部分保持连接。靶板整体呈碟形破坏，冲出有塞块。靶板未由夹具固定的部分全部发生变形，变形程度由靶板断口开裂处向四周逐渐减小，靶板被穿透部分变形程度较大。不同冲击速度下变形程度基本相同。因此，可认为冲头速度对靶板的失效模式影响不大。

图4为平头冲头冲击时靶板的破坏模式，9次穿刺试验的靶板全部被穿透。冲头以不同速度冲击靶板的破坏形状基本相同，失效模式为剪切冲塞。同时，伴有明显的结构塑性变形，但靶板的变形程度较图3所示的靶板变形程度要小很多。断口较为平齐，被冲出的塞块没有出现明显的变形。因此，可初步判定316LN不锈钢在平头冲头下抗冲击性能比半球形冲头弱。

卵形冲头冲击下316LN不锈钢靶板的破坏形状如图5所示。靶板呈四瓣花瓣状开裂，开裂部分为韧性断裂，且变形程度较大。大部分变形发生在卵形冲头造成破坏的附近，靶板未由夹具约束部分并未全部发生变形。不同冲击速度下花瓣开裂的程度没有明显差别，失效模式基本相同。

综上所述，316LN不锈钢板在不同形式冲头的中低速冲击作用下，失效模式存在明显差异，失效模式可分为三种，即蝶形破坏、剪切冲塞破坏及花瓣状开裂破坏。在相同冲头下，冲击速度对靶板的失效模式影响不大。

图3 半球形冲头穿刺试验靶板破坏形状

图4 平头冲头穿刺试验靶板破坏形状

图5 卵形冲头穿刺试验靶板破坏形状

3 316LN不锈钢冲击性能分析

图6到图8分别为三种冲头冲击靶板时，靶板的载荷—时间曲线图。从图中可看出，不同冲头下靶板所能承受的极限载荷有较大区别。其中，半球形冲头下靶板所能承受的极限载荷最大（约为50 kN），平头冲头次之（约为39 kN），卵形冲头最小（约为10 kN）。在同一冲头冲击作用下，靶板所能承受的极限载荷对速度并不十分敏感。随着冲头的冲击速度减小，靶板被破坏所用的时间逐渐增加。半球形冲头和平头冲头冲击时，冲击载荷随时间增加而增加，直至靶板断裂时冲击载荷突然下降。而在卵形冲头冲击时，冲击载荷随时间的增加先增加到最大值，之后逐渐降低到约极值的40%，接着再略微增加到极值的60%，最后又缓慢降低直至0。卵形冲头冲击时复杂的载荷历程与靶板相对复杂的变形和断裂模式以及冲头-靶板作用过程有关，还要进一步的数值模拟研究。

图6 半球形冲头载荷—时间曲线

图7 平头冲头载荷—时间曲线

图8 卵形头冲头载荷—时间曲线

4 结论

本研究以核电管道的抗冲击防护为应用背景，采用VHS高速拉伸机，对1.5 mm厚的316LN不锈钢靶板在6.5～10.0 m/s的撞击速度下进行穿刺试验，研究316LN不锈钢在不同冲头、不同速度下的失效模式和抗冲击特性。得出以下结论。

①316LN靶板的失效模式与冲头头部形状密切相关。在半球形、平头和卵形头冲头的冲击下，靶板分别发生蝶形破坏、剪切冲塞和花瓣开裂。

②极限冲击载荷与冲头头部形状密切相关，半球形冲头最大，平头冲头略低，卵形冲头则很低，约为半球形冲头的1/5。

③对所研究的三种冲头，在同一冲头冲击作用下，靶板所能承受的极限载荷对速度并不敏感。

④冲击载荷历程与冲头形状密切相关。对半球形冲头和平头冲头而言，冲击载荷随时间的增加而快速增加，之后突然下降。而在卵形头冲击时，冲击载荷的历程最为复杂，先增加至极值，然后降低至极值的40%左右，再略微增加到极值的60%，最后缓慢降低直至0。