超声振动对建筑结构Q345GJC 板拉伸性能的影响研究

2024-01-07肖瑞亚

山西冶金 2023年11期

肖瑞亚

（新乡职业技术学院建筑学院，河南新乡 453000）

0 引言

结构钢的各项性能指标需要满足优异的力学性能及成形性能[1-2]，与传统材料比较，厚度方向性能钢板具备低密度、高比强度的优势，由于合金还能承受高温环境，使其被广泛应用于建筑等领域[3-5]。但钢板不具备良好的加工性能，无法制作成钣金结构。合金在室温环境下因具备较高的力学强度，在成形过程中需较高的压力，同时伸长率较小，只能产生小幅变形。由于合金具备较小的弹性模量，因此在变形阶段产生较大的回弹量，无法获得稳定的外形尺寸，降低了零件尺寸精度，甚至影响到实际使用效果，这对钢板室温成形加工造成了明显限制。本文针对钢板进行力学特性与室温加工性能的研究，通过超声振动辅助拉伸测试方法分析了超声振动引起的钢板力学特性变化与接触面摩擦状态改变情况。

1 超声振动对试样拉伸性能的影响

1.1 实验方案

可以利用拉伸测试方法表征板的力学特性参数，并根据应力-应变测试曲线对其进行力学指标分析，由此得到拉伸强度与伸长率等指标。根据拉伸测试原理以及超声振动作用机制，为拉伸设备配备了超声振动辅助系统，包括换能器、支架、超声振子、夹头等多个部分，使试样在拉伸过程中受到超声振动作用，该装置的具体结构和拉伸试样结构尺寸如图1 所示，拉伸试样如图2 所示。

图2 拉伸试样照片

1.2 力学性能分析

图3 给出了各个超声振动下材料的应力-应变数据。其中，未设置超声振动的情况下，Q345GJC 板拉伸强度为315.8 MPa，屈服强度为272.2 MPa，伸长率为32.4%。设置频率为20 kHz 的超声振动时，Q345GJC板拉伸强度与屈服强度都有所减小，振幅为10 μm、12 μm、14 μm 时对应的拉伸强度依次为298.4 MPa、288.4 MPa、264.7 MPa，屈服强度减小到257.3 MPa、259.1 MPa、234.3 MPa。产生上述变化的原因在于施加超声振动后，材料受到外部能量作用而发生强度下降现象，且当材料受到超声振动时还会引起明显的“软化效应”，使位错运动阻力大幅降低，有助于滑移系更快开动，减小塑性变形阶段产生的静态流动应力。相对于未设置超声振动的情况，设定超声振动幅度为10 μm 的试件伸长率达到了34.1%，逐渐提高振幅与频率后，伸长率持续降低；其中，频率为25 kHz、振幅为10 μm 时，Q345GJC 板伸长率快速减小。这是由于提高振动频率或振幅后，材料受到交变载荷作用而容易导致材料出现局部集中应力，从而发生断裂，同时伸长率有所减小。

图3 Q345GJC 板工程应力-应变曲线

1.3 摩擦性能分析

坯料加工过程中，模具表面存在凹凸结构，受到接触压力作用后，将会在坯料和模具间形成摩擦，使坯料变形规律发生变化，并对成形质量造成明显影响。采用超声振动辅助滑动摩擦测试时，需对固定块设置一个法向压力FN，同时对超声振子设置一个拉力Ff，使其保持匀速运动状态。测试期间，采用材质与表面粗糙度跟拉伸模具一致的固定块，本次选择45 号钢作为测试材料，表面粗糙度为1.6 μm，控制固定块法向压力为2 kN。图4 为各超声参数下摩擦力和滑动距离间关系。图5 为摩擦系数变化。未设置超声振动条件时，试样需克服较大摩擦力，同时发现当滑动距离增加后，形成了更大摩擦力，测试得到的平均摩擦力为726 N，摩擦系数为0.181。

图4 摩擦力与滑动距离关系

图5 超声振动参数与摩擦系数关系

设置超声振动条件后，试件滑动时的摩擦力明显降低，并且随着超声振幅与频率的提高，摩擦力持续下降。在振动振幅为10 μm 以及振动频率为25 kHz的情况下，Q345GJC 与45 号钢产生了257 N 的摩擦力，摩擦系数为0.063。与超声振幅相比，摩擦系数受到频率的影响更为显著，当提高频率后，摩擦系数发生了快速降低。处于超声振动环境中，试件和模具不断发生接触与分开，同时摩擦力方向也一直改变，受局部热效应影响，还会产生黏焊的情况，由此降低了坯料和模具的摩擦系数。