拉伸预应变对35CrMo钢扭转力学性能的影响

吴志煜，李 静，郑晓兰，陈海滨，王时越

(1.云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228； 2.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500)

1 引 言

35CrMo钢具有良好的综合力学性能，是工业生产特别是汽车行业中常用的一种合金结构钢。由于其在加工成型及使用过程中会有不同程度的拉伸预应变过载，例如汽车传动轴、刹车制动杆等在启动及停机的瞬间，这些构件往往会产生拉伸预应变过载，这些过载会对材料的力学性能带来一定的影响。目前，已有许多科研工作者研究了预应变或过载对材料力学性能的影响，如胡汉生等[1]研究了预应变对TRIP钢力学性能及硬化行为的影响，曾宇卓等[2]研究了拉伸预应变对TRIP钢显微组织和力学性能的影响。

为了进一步研究拉伸预应变及过载对35CrMo钢扭转力学性能的影响，本文将试件分别预拉伸至不同的应变，在ND-2000C微机控制扭转试验机上进行扭转试验[3]并比较不同预拉伸应变对其扭转力学性能的影响，以便为工业机械设计、检测等相关部门提供参考。

2 试验材料和试验方法

2.1 试验材料

试验所用材料为35CrMo钢，无热处理，由西宁特殊钢股份有限公司生产，其化学成分如表1所示。

表1 35CrMo钢化学成分(%)

参照GB/T 10128-2007对试件尺寸的要求，本试验试件尺寸如图1所示。

图1 试件尺寸

2.2 试验方法

试件先在MTS810材料试验机上进行预拉伸变形，预应变为1%、2%、3%、4%、5%，使试件产生塑性变形，然后再在ND-2000C微机控制扭转试验机上做扭转试验，直至试件扭断，每一种预拉伸应变下各3根试件。试验时转速为60°/min，试验的采样频率为10Hz。根据采集的数据点绘制扭转试验的扭矩-转角即Me-φ曲线，比较不同预拉伸应变下试件剪切屈服强度和抗扭强度的变化。

3 试验结果及分析

3.1 预拉伸试验

先将试件在MTS810材料试验机上进行预拉伸，其预拉伸应变及对应的载荷见表2。

表2 试件的拉伸预应变数值

试件在预拉伸应变作用下发生塑性变形，试件的标距增加，根据体积不变原理可知，试件横截面直径将变小，这与表2中测得的结果一致。

3.2 扭转试验

将预拉伸试件在ND-2000C微机控制扭转试验机上进行扭转试验，根据采集的扭矩-转角数据绘制Me-φ曲线，如图2所示。

图2 不同预拉伸应变下试件的Me-φ曲线

由图2可以看出，35CrMo钢试件经预拉伸后，其能够承受最大扭矩即承载能力有所下降，且随着预拉伸应变的增大而逐渐下降；扭转角φ变化不大，也就是说,预拉伸对试件的切应变影响不大。

3.3 结果分析

由图2可以看出，35CrMo钢试件扭矩-转角曲线没有明显的屈服平台，按照文献[4]中剪切屈服扭转角的计算方法来确定试件屈服时对应的扭转角φs，用下式计算：

(1)

式中，φp为比例切应力τp对应的扭转角，也就是Me-φ曲线中直线与曲线过渡区所对应的扭转角；l0为试件工作部分的标距；d0为试件工作部分的直径。

从式(1)可以看出，试件扭转试验中横截面最外层开始屈服时对应的扭转角φs等于Me-φ曲线中直线与曲线过渡区所对应的扭转角φp再加上0.006l0/d0，与屈服扭转角φs对应的扭矩即为屈服扭矩Ms。

为了试验结果相互之间的可比性，根据中华人民共和国国家标准GB/T 10128-2007规定，金属材料扭转剪切屈服强度τs和抗扭强度τb采用下式计算：

(2)

根据上述分析，可以求出35CrMo钢试件不同预拉伸强化后再扭转试验中的屈服扭矩Ms、屈服强度τs、最大扭矩Mb和抗扭强度τb，其值如表3所示。

表3 不同预拉伸应变下试件的屈服强度和抗扭强度

从表3可以看出，35CrMo钢试件经预拉伸强化后再扭转，其屈服扭矩Ms和剪切屈服强度τs比没有预拉伸强化试件的数值均有提高，且在本试验中随着预拉伸应变的增大而增加，但预拉伸强化试件的抗扭强度τb的变化幅度很小。文献[5,6]研究了907A钢在拉伸-扭转作用下的力学性能，结果和本试验中的现象一致，且预拉伸应变到达一定程度后试件的剪切屈服强度不再提高，即试件的扭转力学性能将不受预拉伸强化的影响。因此，在工程实际应用中，根据对35CrMo钢材料的扭转承载能力的要求，选择合适的预拉伸应变(低于试件抗拉强度对应的应变)对材料进行预拉伸强化，提高材料的使用价值。

3.4 剪切屈服条件

Tresca和Mises屈服条件[7]认为材料的静载拉伸屈服强度σs与扭转剪切屈服强度τs之间的关系为：

τs/σs=0.5

(3)

(4)

式(3)为Tresca屈服条件；式(4)为Mises屈服条件。

用试件(无拉伸预应变)进行单一拉伸试验，其静载拉伸屈服强度σs=540.86MPa，可得无拉伸预应变试件剪切屈服强度τs=317.85MPa，表4列出了由上述方法求出的扭转剪切屈服条件与Tresca和Mises屈服条件的比较。

表4 不同扭转剪切屈服条件的比较

从表4可以看出，本试验采用确定扭转剪切屈服条件的方法与Mises屈服条件很接近，误差很小。因此，可以通过静载拉伸屈服强度和Mises屈服条件来近似地计算其扭转剪切屈服强度。

4 结 论

(1)试件经预拉伸后，其能够承受的最大扭矩即承载能力有所下降，且随着预拉伸应变的增大而逐渐下降，而扭转角变化不大。

(2)预拉伸强化可以提高试件扭转时的剪切屈服强度，且随着预拉伸应变的增大而逐渐增大，但对试件抗扭强度的影响很小。

(3)可通过试件的静载拉伸屈服强度和Mises屈服条件来近似地计算其扭转剪切屈服强度。