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1、第九届全国冲击动力学学术会议论文集 G 5 0 钢的力学性能实验研究 王可慧12 ，张颖2 ，段建2 ，李明2 。王金海2 ，周刚2 ( 北京理I 大学，北京，1 0 0 0 8 l 。：西北棱技术研究所西安7 1 0 。2 r ) 摘要率文利用材料实验机、s 肺拉伸装置和冲击试验装置对G 5 0 锵枉应蹙牢从1 0 4 2 0 0 0 s l 、室温和5 0 0 K 高温条件下的静态力学性能和动态力学性能进行，实验研究，对G 5 0 铡的抗冲击断裂韧性、应变率效应世温度效应 进行r 分析。根据实验数据，# 【厶了该材科的J o h c o 乩模型参数。 关键自：力学性能断裂韧性应叠率J o
2、h n s o n 弋0 0 k 模型 0 前言 航空航大及军事领域中某些结构件由于要承受报高的冲击过载，其材料要求具备高强度和高韧 性等优良的力学性能。川于航空航天和军事领域的超高强钢主要有三种：c r M n s _ ( N 1 ) 和 c r - M n s l N l M o 一( v ) 系低台金超高强扦 ，N l c o M o _ T 】系神l M oT l 无c o 马氏体时效钢，及 N i c o M o c r 系一次硬化钢。美国主要的超高强制有：4 3 4 0 、D 6 c 、H P 9 4 2 0 和H P 9 4 3 0 等，我国常用的 超i l | i 强钢材料主要
3、有3 5 c r l i r I s lN i 2 、3 0 c r M n s i N l 2 、F 1 7 5 、D T 3 0 0 、G 5 0 钢等。其中G 5 0 钢作为新型 的超高强钢由于成分新颖、综合性能优异和经济性妤，在航空航大和军事领域中席用渐J _ 。该锢的 成分为低N i 无c n ，即具有低龠金超高强度钢( 3 5 c 堋n S lN i 2 A 、4 3 4 0 、D 6 c ) 价格低的特点t 义具有 禽钴钢( 如H P 9 4 3 0 、F 1 7 5 铜) 的高强高韧性能。 随着人们对金属材料冲击动力学复杂性的认知及实验条什的政进，咒1 。金属材料的冲，h 动力
4、学 特性的研究很多“，位从调岍情扰来看，芙r c 5 0 钢的动态力学性能研究的报道很少。本文利用材 料试验机、s 胛B 实验装置雨J 冲h 实验装置，对G 5 0 钢的力学性能及动力学响麻进行了实验研究，根据 实验数据，拟台了G 5 0 钢的J o h n S o n C o o k 模型计算参数。 1 材料力学性能实验及结果 11 静态力学性能实验 分别进行r G 5 0 钢的静态拉伸实验、抗冲击韧性实验和抗断裂韧性实验，检测材料的强度、塑性 及抗冲h 断裂韧性。 静态拉伸实验采j M T S 8 1 0 材料试验机进行，图l 为G 5 0 材料的静态拉忡应力一应变曲线。可见， 6 5 0
5、 材料几有较高的屈服强度、抗拉强度年较高怕埔强比，其抗拉强度高选l7 9 0 M P a 。试样断裂前往 宏观h 发生了较人颠缩，表现了髓好的塑性。断口周边出现明显的剪切屑，中部存在粗糙不平的纤 维区，表明其断裂过程中经历丁剧烈的塑性变形为韧性断裂。采用J s M 6 4 6 0 扫描L b 子显徽镜对试什 拉伸断口进行了扫描，扫揣的c 5 0 断口彤貌如I 划3 所示。可咀看f | ，断面上现人量的蜂窝状韧窝， 表明G 5 0 铡1 有较盘_ 的断裂韧性”1 。 采州摆锤式电子测力冲h 实验机进行了G 5 0 钢的冲击韧性实验，采川三点弯曲s E ( B ) 试样，在 M T S 8 8 0
6、 试验机1 进行r 断裂韧眺的测定。实验结果表明，G 5 0 钢具有较高的冲击韧性和断裂韧性，其 冲击韧性为6 65J c m 2 ，是3 5 c r M n s l N l 2 的两倍，断裂韧性高达1 1 0M P a - m l 2 。 削lG 鲫拉忡应力一m 蹙曲线 鹣 幽2 拉忡试样断u 窟脱形貌 H H H H强 第九届全国冲击动力学学术会议论文集 藤圉 幽3 拉伸试样断口电镜# I 描照H凹4G 5 0 冲击韧性试样 G 5 0 钢的各项实测力学性能见表l 。 表1 实删G 印钢的力学性能 ， 材料 巩 2 ( J c m 2 ) ( M P a ) ( M P a )( M P
7、a ) G 5 0 6 65 2 动态拉伸实验 2l 动态拉仲试样 基丁对试样测试结果尺度教麻的理论分析搜实验加载能力，确定了动态柑伸试样的尺寸如 图所示：采用哑铃形状，两端螺纹迎接，实验段K 度5 咖，直径o3 唧，过渡倒角为l 唧。 试样统一墩材和同批热处理。 圈5 动态拉仲试扦K 寸 122 实验简介 动态拉伸实验采J s H B 拉伸实验装嚣，系统由底庸，支架，气室，发射管，入射杆，透射杆，撞 块和缓冲装置组成。贴在入射杆和透射荆上的应变计分别记录入射杆利透射杆中的麻变脉冲信号， 通过对测试信号进行处理，即可得到试样的麻变牢及相麻的应力应变曲线。 高温实验采H 电阻丝加热法，使川l b
8、 热炉对试样进行加热，井通过电磁继电器的通断控制温度。 为保证试样温度均匀性，往温度到达所须温度之后保温3 分钟以t ，且使2 保持在实验值2 误差 范用内。 I23 实验结果 动态拉忡实验麻变率范围1 5 0 0 2 0 0 0 s 。，分室温和高温5 0 0 K 两个温度点，宝温条件r 3 个应变率 点，高温1 个动态麻变率点( 1 5 0 0s ) ，每种条中| = r 2 3 个重复较好的实验数据。m 剐的动志拉仲实 验波形如 幽6 扯型实验曲线 图7 寅验后的动志拉仲试样圈所小，幽7 为实验后 争 第九届全国冲击动力学学术会议论文集 拉断的试样 幽6 典型实验曲线图7 实验后韵动春拉
9、伸试样埘 幽8 为对实验测试波形经过处理后获得的G 5 0 的静态与动态拉伸应力一应变曲线及室温与高温条 件F 的应力一麻蹙曲线。 兰! ，鼍、融 ： 、 ：u v 普 ( 日) 室潞条件下静态与动态拂拽( b ) 功态条仆F 室泓与高赳“n 线 目8 【，5 0 材料动态j i 山一应变曲线 离成变率条仆FG 5 0 发现出了J 变率强化技应J 5 0 0 一，2 0 0 0 s 。麻娈率加载条件F ，其动态j 2 l 服 强度和抗拉强度较准静态条件F 均有所提高，材料的颤缩点麻变比静态F 颁缩点应变略有挺高，而 断裂应变明显提高。不同温艘下的麻力一应变曲线对比表明，c 5 0 的温度软化效
10、廊较为明显相同 麻变率下，5 0 0 K 温度状态F 的材料强度较室温下显著降低，断裂麻变相麻减小。 2 材料本构模型参量的拟合 1 9 8 3 年 第7 膈国际弹道会议上6RI o h n s o n 币wHc 0 0 k 报告了捕述金屈变形巾与麻变硬化、 温度、麻变率相式的训筇模刑”H J o h n s o n c o o k 横刑。该横“能较奸的描述金属材# I 的麻壹硬化 教臆、应变串娥麻和温度软化敛庸。在材料冲- h 动力学响应的训掉中得判了J 泛的麻删， J o h n s n n c n 眺材料模删表哒式蛐F + 吲州扣( 格y 式中，t 为应变率，s o = l s ，L 为
11、熔点为室温。 、B 、n 、c 、m 为材料常数参数。农让 式分为二二项，第项我示席变硬化般艟，第二项表示I 越变率效麻第二项表示温度技麻，各项之闸 棚且独征。本构咒系巾5 个特定系数，稿不同府变率冉l 不同温度祭1 J | _ F 的盹力一麻变戈系实塘曲线 上进l 坟5 个状态点进行拟即u r 获得参数，拟台过种分为咀F4 个步骤： 1 ) ) 处理实验数据得到真实应力应变曲线； 2 ) 选扦= 条曲线，准静态室温曲线动态窜温曲线，动态高温曲线； 3 ) 取二条曲线t5 个数据点：静态屈服点，静态麻变岛点静态极限强度点，动态琏变“点， 高温动态廊变晶点，获得5 个数据点的应力麻变坐标； 第九
12、届全国冲击动力学学术会议论文集 4 ) 将数据点坐标代入J - C 模型公式即可求解获得各参量。根据实验数据，拟合获得J C 模型参量 如下：A = 1 4 4 5 肝a ，B = 1 3 2 6 M P a ，n = 0 3 5 6 ，C = 0 0 0 5 ，m = 1 1 2 。 3 结论 本文对G 5 0 材料的静态力学性能及动态力学性能进行了较为全面的实验研究，对材料的强度、韧 性、应变率效应及温度效应进行了分析。作为超高强钢材，G 5 0 不仅具有较高的强度，并体现了很好 的抗冲击和抗断裂韧性。在高温和动态加载条件下，材料分别呈现了温度软化效应和应变率强化效 应。 根据实验数据，本
13、文拟合得到了G 5 0 材料的J C 模型参量，为数值模拟提供了参考。 参考文献 1 桂毓林无钻合会钢的冲击响戍实验研究高胜物理学报，v 0 1 1 9 ，2 0 0 5 2 张林D 6 A 、9 2 1 和4 5 钢的动态破坏和低压冲击特性研究1 向居物理学报，v 0 1 1 7 ，2 0 0 3 3 胡一明，贺红亮，胡时胜D 6 A C 钢的动态力学性能研究兵器材料科学j 丁程，第2 6 卷第2 期，2 0 0 3 年3 月 4 刘孝敏T 程材料的微细规结构和力学性能中国科学技术人学出版社，2 0 0 3 ，1 3 3 1 4 1 5 J o h n s o nGR ，C o o k WH
14、 Ac o n s t i t u t i v em o d e la n dd a t af o rm e t a l ss u b j e c t e dt ol a r g es t r a i n s ，h i g hs t r a i n r a t e sa n dh i g ht e m p e r a t u r e s P r o c e e d i n g so ft h e7t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s T h eH a g u e ， N e t h e r l a n d s 1 9 8 3 ：5 4 1 5 4 7 5 3 0
