G20Mn5N铸钢件微细观孔洞三维特征及形态演化
东南大学土木工程学院江苏省工程力学分析重点实验室 南京 211189
Three-Dimensional Characteristics and Morphological Evolution of Micro/Meso Pores inG20Mn5N Steel Castings
Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics, Department of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China
通讯作者: 靳 慧,jinhui@seu.edu.cn,主要从事钢结构损伤断裂的研究
责任编辑: 肖素红
收稿日期: 2018-04-11 修回日期: 2018-11-07 网络出版日期: 2019-02-28
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Corresponding authors: JIN Hui, professor, Tel: 13913959947, E-mail:jinhui@seu.edu.cn
Received: 2018-04-11 Revised: 2018-11-07 Online: 2019-02-28
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作者简介 About authors
闫华东,女,1990年生,博士生
基于高分辨率X射线三维成像技术,研究G20Mn5N低合金铸钢件中的初始微细观孔洞,对气孔、气缩孔和缩孔3类孔洞的数量、大小及圆整度等参数进行统计分析。此外,研究分析了G20Mn5N低合金铸钢件内部微细观孔洞在单调拉伸载荷作用下的演化行为。结果表明,G20Mn5N低合金铸钢中气孔的数量最多、形状最规则、体积最小;缩孔的数量最少,但体积最大、形状最复杂;气缩孔的数量、形状复杂程度和大小均介于气孔和缩孔之间。拉伸载荷作用下,微细观孔洞演化机制包括原有孔洞体积的增长、新孔洞的产生以及孔洞之间的聚合。使用统计方法进一步分析了微细观孔洞的形核和增长规律,结果表明,考虑材料初始孔洞密度和形核应变的指数函数能精确地拟合孔洞形核行为,孔洞平均半径的大小和增长速率不仅受孔洞体积增长的影响,还与孔洞形核有关。
关键词:
Cast steel is an important metal material that is widely used in civil engineering due to its strength and ductility. However, a variety of casting defects such as micro/meso pores are usually present in the as-cast components and can lead to the degradation of mechanical properties. In this work, the initial micro/meso pores in the G20Mn5N low-alloy cast steel were investigated based on high resolution 3D X-ray tomography technology. Based on their formation mechanism and characteristics, pores were classified into gas, gas-shrinkage and shrinkage pores, and the parameters such as the number, size and sphericity of three types of pores have been counted and analyzed. Then the evolutionary behavior of micro/meso pores in G20Mn5N low-alloy cast steel specimens under monotonic tensile loading has also been studied. The results showed that the volume of gas pore was small and its sphericity coefficients were high. Compared with the gas pore, the shrinkage pore had large volume and more complex shape in space. The volume and sphericity coefficients of gas-shrinkage pore were between the gas pore and the shrinkage. Damage evolution to metallic materials can be divided into void nucleation, growth and coalescence. The void nucleation and growth law were investigated by statistical analysis, which showed that the evolution of the void density could be modeled by an empirical function, and the evolution of void average radius was not only related to void growth but also affected by void nucleation.
Keywords:
本文引用格式
闫华东, 靳慧.
YAN Huadong, JIN Hui.
低合金铸钢件具有诸多优点,例如材质均匀、工业化水准高、力学性能优良等,在现代化建设中的应用越来越广泛。然而,在铸造过程中由于合金成分、浇铸工艺、铸件形状等综合因素的影响,铸钢节点内部不可避免地分布着气孔、缩松、夹渣、裂纹等宏观和微细观初始缺陷,其中以微细观孔洞最为常见[1,2,3,4]。由于铸造缺陷的存在,工作载荷作用下整体结构还处于弹性阶段时,缺陷附近却会因为应力集中而屈服,发生损伤并演化累积,最终导致铸件过早失效破坏,造成重大的人员伤亡和经济损失[5]。在铸件出厂时,为了消除铸造缺陷对铸件服役性能的影响,满足结构安全性要求,必须通过超声波辅以磁粉和渗透探伤,检验铸件内部的质量状况,并根据《铸钢件超声探伤及质量评级方法》(GB/T 7233-1987)等规范对铸钢件进行质量等级评定。但是,传统的无损探伤方法无法判定铸钢件中微细观缺陷的尺寸和位置,更无法分析微细观缺陷对出厂铸钢件服役性能的影响。在很多工程设计中,工程师往往采用过大的安全系数以消除微细观缺陷对铸钢件力学性能产生的不确定影响,但这无疑增加了结构重量,造成了不必要的资源浪费[6,7]。因此,通过有效手段探查、分析铸钢件中的微细观缺陷在外部载荷作用下的演化行为,对推进工程结构的精准化设计和评估结构的安全可靠性水平,都是非常重要的[8]。
本工作采用高分辨率X射线三维成像技术对G20Mn5N低合金铸钢件中的微细观孔洞进行观察和统计,分析了铸件中初始孔洞的分布规律及三维特征,并记录了试样加载过程中微细观孔洞的发展演化,为进一步研究微细观孔洞对铸件宏观力学行为的影响奠定基础,为结构的损伤断裂分析提供理论依据。
1 实验方法
用于拉伸和X射线扫描实验的试件取自G20Mn5N低合金铸钢件的随炉力学性能测试块,测试块尺寸为25 cm×18 cm×6 cm,重量约30 kg,采用砂型铸造。铸造过程中,合金浇铸温度为1600 ℃,浇铸速率为0.07 m/s,空冷。通过SPECTRO MAXx LMF15直读光谱仪分析,铸钢件主要化学成分(质量分数,%)为:Fe 97.200,C 0.213,Si 0.430,Mn 1.580,P 0.005,S 0.026,Cr 0.037,Mo 0.015,Ni 0.290。依据GB/T 228-2010中拉伸试样的尺寸规定,利用电火花线切割机在力学性能测试块中切取7根相同的缺口试样,试样的形状和尺寸如图1所示。为了观测和记录在单调拉伸载荷作用下试样内部微细观孔洞的形态演化规律,首先对试样1~3进行单调拉伸实验,然后对试样4~7进行单调拉伸与X射线扫描耦合实验,实验过程设计如下:(1) 采用INSTRON 3367双立柱台式电子万能材料试验机,以0.3 mm/min的速率对缺口试样1~3进行加载,计算平均值得到G20Mn5N低合金铸钢试样的载荷-位移曲线。(2) 在步骤(1)得到的载荷-位移曲线上设置若干个扫描点,如图2所示。当试样4~7加载到扫描点时对其卸载,然后进行X射线三维扫描,扫描后再次对试样加载。多次加载、卸载和扫描直至试样完全断裂。X射线扫描设备为YXLON Compact-225型CT,其操作模式为锥束扫描,设备最高工作电压为225 kV,最高理论像素尺寸为5 μm。CT扫描仪的实际工作参数设置如下:电压为195 kV,电流为0.29 mA,样品与探测器探头的距离为204 mm,每次采集投影图像1350张,像素尺寸为16 μm。(3) 基于VGStudio MAX 3.0软件,得到三维重构试样在不同应变下的二维扫描投影图,统计、分析试样内部微细观孔洞的体素、表面积和圆整度等特征信息。(4) 利用S-4300SE场发射扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸扫描试样断口的形貌特征,观察前用丙酮将断口处的灰尘清洗干净。
图1
图2
图2
缺口试样的平均载荷-位移曲线及加载、卸载路径示意图
Fig.2
Average load-displacement curve of notched specimens and loading or unloading paths
2 实验结果与分析
2.1 初始微细观孔洞特征的统计分析
式中,V为孔洞实际体积,s为孔洞实际表面积。
通过X射线扫描检测和VGStudio实验数据处理,得到了G20Mn5N低合金铸钢试样内部三维孔洞的统计信息,为了减少噪音影响,本工作不考虑20个体素以下的孔洞。图3为G20Mn5N低合金铸钢试样标距段初始状态的三维X射线扫描结果。试样4标距段共检测到190个满足要求的孔洞,孔洞体积分数为0.300%;试样5标距段检测到184个孔洞,孔洞体积分数为0.176%;试样6标距段检测到192个孔洞,孔洞体积分数为0.156%;试样7标距段检测到151个孔洞,孔洞体积分数为0.184%。
图3
图3
试样标距段孔洞的X射线三维成像结果
Fig.3
Pores inspected with 3D X-ray tomography technology in the specimen gauge section
(a) specimen 4 (b) specimen 5 (c) specimen 6 (d) specimen 7
观察4根试样中的717个孔洞,按照形貌特征和体积大小将孔洞分为气孔、气缩孔或缩孔,并对每类孔洞的信息进行统计,然后根据每类孔洞中圆整度的出现频率对该类孔洞进行二次定义,孔洞的数值统计结果见表1。4根试样的气孔总数为354,平均体素为53.39,平均表面积为0.032,平均圆整度为0.55;缩孔总数为32,平均体素、表面积和圆整度分别为776.09、0.305和0.35;气缩孔的总数为331,其平均体素、表面积和圆整度均介于气孔和缩孔之间。图4给出了X射线扫描得到的典型孔洞形貌,图4a~c所示为气孔的形貌特征,图4d~f所示为气缩孔的形貌特征,图4g~i所示为缩孔的形貌特征。本工作中观察到的3类孔洞的形貌特征与已发表文献[10,16]对孔洞形貌的描述吻合程度较高。
表1 试样4~7中初始气孔、气缩孔和缩孔的特征数据
Table 1
Specimen | Pore type | Number | Voxel | Surface area / mm2 | Sphericity | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
No. | Max. | Min. | Mean | Max. | Min. | Mean | Max. | Min. | Mean | ||
4 | Gas pore | 98 | 159 | 20 | 50.66 | 0.08 | 0.02 | 0.03 | 0.70 | 0.51 | 0.56 |
Gas-shrinkage pore | 84 | 678 | 24 | 89.74 | 0.23 | 0.02 | 0.05 | 0.50 | 0.41 | 0.47 | |
Shrinkage pore | 8 | 7315 | 212 | 1676.25 | 2.12 | 0.14 | 0.55 | 0.38 | 0.24 | 0.34 | |
5 | Gas pore | 86 | 540 | 20 | 59.62 | 0.15 | 0.04 | 0.04 | 0.64 | 0.51 | 0.55 |
Gas-shrinkage pore | 88 | 454 | 20 | 76.41 | 0.19 | 0.02 | 0.05 | 0.50 | 0.40 | 0.47 | |
Shrinkage pore | 10 | 779 | 38 | 289.90 | 0.32 | 0.04 | 0.15 | 0.39 | 0.33 | 0.37 | |
6 | Gas pore | 102 | 210 | 20 | 52.04 | 0.09 | 0.02 | 0.03 | 0.66 | 0.51 | 0.55 |
Gas-shrinkage pore | 87 | 622 | 20 | 115.61 | 0.23 | 0.02 | 0.07 | 0.50 | 0.41 | 0.46 | |
Shrinkage pore | 3 | 751 | 37 | 341.00 | 0.39 | 0.04 | 0.19 | 0.39 | 0.28 | 0.35 | |
7 | Gas pore | 68 | 186 | 20 | 51.49 | 0.08 | 0.02 | 0.03 | 0.65 | 0.51 | 0.54 |
Gas-shrinkage pore | 72 | 424 | 20 | 84.18 | 0.18 | 0.02 | 0.05 | 0.50 | 0.40 | 0.45 | |
Shrinkage pore | 11 | 1280 | 224 | 682.09 | 0.56 | 0.12 | 0.30 | 0.39 | 0.28 | 0.34 |
图4
图4
G20Mn5N铸钢中典型微细观孔洞的形貌及特征
Fig.4
Morphologies and characteristics of representative micro/meso pores in G20Mn5N cast steel
(a~c) gas pore (d~f) gas-shrinkage pore (g~i) shrinkage pore
2.2 孔洞损伤演化分析
试样的轴向应力(σAxial)和轴向应变(εAxial)为[17]:
式中,F为试件承受的载荷,bm为试样最小横截面的宽度,hm为试样最小横截面的厚度,bi为试样最小横截面的初始宽度,hi为试样最小横截面的初始厚度。
2.2.1 孔洞形核
金属材料孔洞形核主要是由于材料微细观结构上的不均匀性造成的,孔洞既可以在第二相粒子与基体的界面分离处产生,又可因为第二相粒子自身的开裂而产生[18,19]。统计了不同应变状态下试样4标距段的孔洞密度(N,每立方厘米的孔洞数),如图5所示。由图5可知,在拉伸变形开始时N增长缓慢,但是当材料的应变累积到一定程度后N增长加快[20]。Cao等[13]和Bouaziz等[21]研究表明,金属材料的形核行为可以通过多种形式的函数方程拟合得到,Maire等[22]基于三维X射线成像技术对双相钢的形核行为进行了研究,提出了指数形式的拟合公式;Fansi等[17]通过多项式函数得到了高碳钢形核行为的理想拟合曲线。本工作提出了考虑低合金铸钢初始孔洞密度和形核应变的指数函数N(εAxial),其表达式为:
图5
图5
轴向拉伸载荷作用下试样4中孔洞密度(N)的测量值及形核公式拟合曲线
Fig.5
Measured and fitted void density (N) in specimen 4 under the uniaxial tensile loading (εAxial—axial strain)
式中,N0为G20Mn5N低合金铸钢的初始孔洞密度,其值为5014 cm-3;εN为G20Mn5N铸钢的形核应变,其值取为0.3[23];A为形核系数;B为形核指数。
使用式(4)对实验测得的孔洞密度进行拟合,得到参数A和B的拟合值分别为88.50和1.87。从图5的拟合曲线可以看出,考虑初始孔洞密度和形核应变的指数函数拟合效果较好。
2.2.2 孔洞增长
孔洞的平均半径(Rarv)能够有效反应载荷作用下孔洞的增长行为。假设试件中共有M个孔洞,每个孔洞的体积为Vm,则:
为了研究轴向拉伸载荷作用下Rarv的变化趋势,计算了试样4在不同应变时50个最大孔洞的平均半径(
图6
图6
轴向拉伸载荷作用下试样4标距段内不同数量孔洞的平均半径(Rarv)演化规律
Fig.6
Evolution of average radius (Rarv) for different numbers of examined pores in the gauge section of specimen 4 during the uniaxial tensile loading
2.2.3 孔洞聚合
图7
图7
在轴向拉伸载荷作用下试样4标距段的二维扫描投影图
Fig.7
Scanning slices of the specimen 4 gauge section during the uniaxial tensile loading
(a) εAxial=0.214 (b) εAxial=0.343 (c) εAxial=0.422 (d) εAxial=0.460
图8
图8
轴向拉伸载荷作用下试样4标距段孔洞的X射线三维成像结果
Fig.8
Pores inspected with 3D X-ray tomography technology in the gauge section of specimen 4 during the uniaxial tensile loading
(a) εAxial=0.214 (b) εAxial=0.343 (c) εAxial=0.422 (d) εAxial=0.460
2.3 试样断口扫描分析
图9为G20Mn5N低合金铸钢试样4的拉伸断口形貌的SEM像。可见,材料表现为韧窝断裂,并且从图中可以观察到不同尺寸的韧窝,大韧窝间分布着小韧窝。这一现象可以通过在载荷作用下材料内部微细观孔洞的演化过程解释,即材料发生孔洞形核、长大,然后聚合形成韧窝,最终导致材料破坏。
图9
图9
试样4的断口形貌的SEM像
Fig.9
Low (a) and high (b) magnified fractured surface SEM image of specimen 4
3 结论
(1) G20Mn5N低合金铸钢试样中存在气孔、气缩孔和缩孔3种类型的微细观孔洞。依据孔洞成因及形态特征将其统计分类发现,气孔的平均圆整度为0.55,其数量最多、形状最规则,但平均体积和平均表面积最小;缩孔的平均圆整度为0.35,其数量最少、体积最大,空间形态非常复杂;气缩孔的平均圆整度为0.45,其体积和表面积均介于气孔和缩孔之间。
(2) 单调拉伸载荷作用下,G20Mn5N低合金铸钢件内部微细观孔洞的演化机制为:原有孔洞体积的增加、新孔洞的产生以及孔洞之间的聚合。使用统计方法对微细观孔洞的形核和增长规律进行了分析,结果表明,考虑低合金铸钢材料初始孔洞密度和形核应变的指数函数能精确地拟合试样的形核行为;试样中孔洞平均半径的大小和增长速率是由孔洞的长大行为和形核行为共同决定的。