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层合轧压SMAT纳米化是如何提高304不锈钢管强度与韧性
时间:2021-05-25 08:29:22        点击量:【 】次

    不锈钢管的强度和韧性对于机械和土木结构的完整性与可靠性都是至关重要的。科学工作者一直都致力于高强度高韧性结构材料的设计与研究,其中包括多种表面改性技术,如喷丸、电镀、喷涂、气相沉积(PVD/CVD)激光处理和表面化学处理等。这些技术通过改善不锈钢管表面组织微结构,极大地提高了不锈钢管的性能近年来,随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入,将表面处理技术与纳米技术相结合成为研究的热点。Chen等通过把表面机械研磨处理技术与轧压技术相结合,制备了304不锈钢管试件并进行了实验研究.实验结果表明,处理后的304不锈钢管拥有高强度(屈服强度为878 MPa,是块状粗材料的两倍多)和期望的韧性(失效应变为48%,是具有相同屈服强度、通过普通硬化加工得到的材料的三倍)。同时,在脆性纳米界面层观察到大量的微裂纹的萌生和演化,这也被用来解释纳米化材料的增韧机制。

    随着计算机性能的不断提高,数值分析方法逐渐成为材料设计中一个不可或缺的部分,并经常能够为材料的设计与优化提供可靠的参考.对于层合轧压SMAT纳米化304不锈钢管,Guo等在文献中利用数值方法进行了相关的损伤研究并得到了较好的结论,但是他们没有考虑纳米层界面处的剪切破坏,而文献中的实验观察,发现界面剪切损伤明显存在。

    本文作者在损伤力学框架下,应用通用有限元软件ABAQUS,建立层合轧压SMAT纳米化304不锈钢管的内聚有限元模型.在考虑其纳米晶界面剪切批伤破坏的基础上,用数值方法验证其增韧机制,进而研究纳米层性能,包括法向内聚强度、切向内聚强度、损伤演化断裂能和体积含量对结构材料整体强度与韧性的影响。

    (1)建立了考虑切向内聚强度的用于分析层合轧压SMAT纳米化304不锈钢管材料的强度与韧性的二维内聚有限元模型。采用该模型在平面拉伸载荷作用下,模拟其损伤与演化过程,并与实验结果进行对比,取得满意的结果,验证了模型的有效性和正确性。

    (2)评枯了纳米晶层内聚强度和断裂能对整体性能的影响。法向内聚强度和切向内聚强度的增加,都会增加材料的整体失效应变。降低纳米晶层的断裂能也有利于材料韧性的增加。

    (3)研究了纳米晶层体积含量对304不锈钢管整体失效应变和强度的影响。通过对两种不同纳米晶层分布方式模型的计算发现,无论是哪种方式,增加纳米晶层的体积含量,都会增加材料的强度,但韧性会明显减小。说明304不锈钢管对纳米晶层的厚度很敏感,在艺中要根据需要慎重设计加工。

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