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摘要：非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。通过研究16MnR钢中夹杂物的种类、形状、尺寸，在有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型，通过有限元模拟计算、分析得到夹杂物对16MnR钢初始损伤行为的影响。
关键词：16MnR钢 初始损伤 夹杂物 有限元分析
1 概述
钢中夹杂物主要以非金属化合态存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，这些夹杂物的存在会造成钢的组织不均匀[1]。由于夹杂物与基体的变形程度不同，这样就会在夹杂物及其基体接合面上产生一定的应力、应变集中，从而导致夹杂物与基体剥离，萌生了裂纹，导致材料不能承担外加载荷，甚至导致材料失效[2]。夹杂物的几何形状、化学成分、物理性能等不仅影响钢的冷、热加工性能和理化性能，而且影响钢的力学性能和疲劳性能，主要表现对钢的强度、延性、韧性、疲劳等诸方面的影响[3，4]。但由于钢中夹杂物种类、大小、分布在实际中很难控制，因此在实际中，很难通过控制夹杂物种类、尺寸、分布来研究夹杂物对钢的力学性能的影响。而有限元软件通过建模的方式，可以人为地设置夹杂物的种类、尺寸和分布[5]，从而用有限元软件来研究夹杂物对钢初始损伤行为的影响是很有意义的。
2 原材料的选择
16MnR钢原始组织为条带状铁素体加珠光体[6]，其化学成分如表1所示。通过分析，16MnR钢中夹杂物有单个长条形MnS（椭圆），单个细小球形SiC和细小密集分布的Al2O3夹杂物，如图1所示。
表1 16MnR钢化学成分（wt%）
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（a） （b） （c）
图1 16Mn钢中夹杂物的SEM照片
3 拉伸试验
热处理：试样毛坯加热到900℃，保温2小时后，空气冷却。拉伸试验于室温下在岛津AG-10TA万能拉伸机上进行拉伸实验，拉伸速度为1mm/min。通过拉伸实验采样得到16MnR钢的塑性应力-应变关系，计算出16MnR钢的工程应力-应变、真实应力-应变和加工硬化系数K。这些数据作为16Mn钢的宏观力学参数，为有限元分析提供材料参数。
4 有限元模拟及分析
用有限元方法模拟16MnR钢中夹杂物的类型分布，进行有限元模拟计算分析，得到夹杂物引起的局部应力和应变分布。选取模拟夹杂物实体尺寸为200×200×50μm3，模型的左端固定，在模型的右端加载一个沿X轴方向300MPa的力，如图2所示。夹杂物的分类如表2所示，弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3。
表2 16MnR钢夹杂物的分类
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含不同夹杂物的模型的应力应变分析：用表2所述的数据，建立单个不同宽长比的椭圆MnS夹杂物、单个不同球径的SiC夹杂物和密集（以四个夹杂物为例，两两夹杂物间的距离为2μm）的不同球径的Al2O3夹杂物的模型，通过有限元方法模拟得到夹杂物的局部应力和应变分布图，颜色越靠近红色表示应力应变越大。
分析得到不同尺寸的椭圆形MnS夹杂物的局部最大应力、应变，见表3。
表3 不同尺寸的椭圆形MnS夹杂物的最大应力应变
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对不同夹杂物、不同尺寸、分布情况进行有限元模拟计算，输出得到特定路径上各点的应力、应变值。然后分别计算输出沿着路径y和路径x的应力、应变值，对所得到的数据进行处理，得到以路径的距离为X轴，应力、应变值为Y轴的分布曲线，并在单一变量的情况下做比较。（说明：路径y是指沿Y轴方向（垂直于加载方向），经过夹杂物底部的一条特殊路径，路径x是指沿着X轴方向（沿着加载方向），经过夹杂物底部的一条特殊路径。）
①同一夹杂物，不同路径的应力应变比较。取球径为8μm的球形SiC夹杂物路径y和路径x，经过模拟计算得到应力、应变值进行比较，如图3所示。
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图3 SiC夹杂物不同路径的应力应变比较
取球径为3μm，两夹杂物间的距离为2μm的密集型球形Al2O3夹杂物组成的夹杂长为8μm的路径y和路径x，经过模拟计算得到应力、应变值进行比较，分析比较中可以看出，在SiC和Al2O3夹杂物中，沿着路径y上的应力、应变值普遍大于路径x上的应力、应变值，且应力、应变值在夹杂物中间段上的值较大，也就是在夹杂物底部产生应力、应变值比较大，说明在垂直于加载方向上沿着Y轴方向的路径上容易产生应力集中，也间接说明在路径y上容易产生裂纹。
②相同路径，不同夹杂物间的比较。取宽长比为0.2的长条形MnS夹杂物，球径为8μm的球形SiC杂物，球径为3μm、两夹杂物间的距离为2μm的密集型球形Al2O3夹杂物组成的夹杂长为8μm的Al2O3夹杂物，相同路径上应力、应变值进行比较。
从数据比较分析中可以看出，长条形MnS夹杂物在相同载荷下的应力应变值最小，在路径y上，密集型球形Al2O3夹杂物底部产生的应力集中比较复杂明显，单个球形SiC夹杂物底部产生的应力值也较大。而单个球形SiC夹杂物底部产生的应变值明显高于长条形MnS夹杂物和密集型球形Al2O3夹杂物。
5 结论
①夹杂物作为独立相存在于16MnR钢中，夹杂物的尺寸，种类和分布破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种使用性能。并在外载荷的作用下，由于细观结构的缺陷（夹杂物的存在），导致应力集中，致使缺陷扩展，容易引起疲劳断裂。
②通过有限元分析可知，16MnR钢的应力和应变集中在夹杂物底部，并且，随着夹杂物尺寸的增大，应力、应变就越明显和集中，产生裂纹的几率也就越大。
③通过同一夹杂物不同路径的应力应变曲线的比较可知，在夹杂物底部产生应力、应变值较大，在垂直于加载方向上沿着Y轴方向的路径上容易产生应力集中，也间接说明在该路径上容易产生裂纹。
④相同路径、不同夹杂物间的应力应变比较可知，长条形MnS夹杂物引起的应力应变值最小，密集球形Al2O3夹杂物底部产生的应力集中比较复杂明显，而应变值相对较小，单个球形SiC夹杂物底部产生的应力应变值均较大。
参考文献：
[1]翟俊，吴巍等.16MnR钢铸坯夹杂物研究[J].连铸，2009，2（1）.
[2]韩孝永.压力容器用16MnR钢国内生产概述[J].江苏冶金，2004，6，32（3）.
[3]王国珍，杨伟顺等.初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的细观力学分析[J].兰州：兰州理工大学学报，2006，8，32（4）.
[4]秦华，胡传顺等.16MnR（HIC）和16Mn钢中夹杂物和晶粒度的对比研究[J].化工机械，2007.
[5]屠立群，刘宝剑等.基于ANSYS的16MnR钢疲劳裂纹扩展分析[J].轻工机械，2010（3）.
[6]张贺全.初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响及机理[D].兰州理工大学，2007，6.
关键词：16MnR钢 初始损伤 夹杂物 有限元分析
1 概述
钢中夹杂物主要以非金属化合态存在，如氧化物、硫化物、氮化物等，这些夹杂物的存在会造成钢的组织不均匀[1]。由于夹杂物与基体的变形程度不同，这样就会在夹杂物及其基体接合面上产生一定的应力、应变集中，从而导致夹杂物与基体剥离，萌生了裂纹，导致材料不能承担外加载荷，甚至导致材料失效[2]。夹杂物的几何形状、化学成分、物理性能等不仅影响钢的冷、热加工性能和理化性能，而且影响钢的力学性能和疲劳性能，主要表现对钢的强度、延性、韧性、疲劳等诸方面的影响[3，4]。但由于钢中夹杂物种类、大小、分布在实际中很难控制，因此在实际中，很难通过控制夹杂物种类、尺寸、分布来研究夹杂物对钢的力学性能的影响。而有限元软件通过建模的方式，可以人为地设置夹杂物的种类、尺寸和分布[5]，从而用有限元软件来研究夹杂物对钢初始损伤行为的影响是很有意义的。
2 原材料的选择
16MnR钢原始组织为条带状铁素体加珠光体[6]，其化学成分如表1所示。通过分析，16MnR钢中夹杂物有单个长条形MnS（椭圆），单个细小球形SiC和细小密集分布的Al2O3夹杂物，如图1所示。
表1 16MnR钢化学成分（wt%）
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（a） （b） （c）
图1 16Mn钢中夹杂物的SEM照片
3 拉伸试验
热处理：试样毛坯加热到900℃，保温2小时后，空气冷却。拉伸试验于室温下在岛津AG-10TA万能拉伸机上进行拉伸实验，拉伸速度为1mm/min。通过拉伸实验采样得到16MnR钢的塑性应力-应变关系，计算出16MnR钢的工程应力-应变、真实应力-应变和加工硬化系数K。这些数据作为16Mn钢的宏观力学参数，为有限元分析提供材料参数。
4 有限元模拟及分析
用有限元方法模拟16MnR钢中夹杂物的类型分布，进行有限元模拟计算分析，得到夹杂物引起的局部应力和应变分布。选取模拟夹杂物实体尺寸为200×200×50μm3，模型的左端固定，在模型的右端加载一个沿X轴方向300MPa的力，如图2所示。夹杂物的分类如表2所示，弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3。
表2 16MnR钢夹杂物的分类
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含不同夹杂物的模型的应力应变分析：用表2所述的数据，建立单个不同宽长比的椭圆MnS夹杂物、单个不同球径的SiC夹杂物和密集（以四个夹杂物为例，两两夹杂物间的距离为2μm）的不同球径的Al2O3夹杂物的模型，通过有限元方法模拟得到夹杂物的局部应力和应变分布图，颜色越靠近红色表示应力应变越大。
分析得到不同尺寸的椭圆形MnS夹杂物的局部最大应力、应变，见表3。
表3 不同尺寸的椭圆形MnS夹杂物的最大应力应变
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对不同夹杂物、不同尺寸、分布情况进行有限元模拟计算，输出得到特定路径上各点的应力、应变值。然后分别计算输出沿着路径y和路径x的应力、应变值，对所得到的数据进行处理，得到以路径的距离为X轴，应力、应变值为Y轴的分布曲线，并在单一变量的情况下做比较。（说明：路径y是指沿Y轴方向（垂直于加载方向），经过夹杂物底部的一条特殊路径，路径x是指沿着X轴方向（沿着加载方向），经过夹杂物底部的一条特殊路径。）
①同一夹杂物，不同路径的应力应变比较。取球径为8μm的球形SiC夹杂物路径y和路径x，经过模拟计算得到应力、应变值进行比较，如图3所示。
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图3 SiC夹杂物不同路径的应力应变比较
取球径为3μm，两夹杂物间的距离为2μm的密集型球形Al2O3夹杂物组成的夹杂长为8μm的路径y和路径x，经过模拟计算得到应力、应变值进行比较，分析比较中可以看出，在SiC和Al2O3夹杂物中，沿着路径y上的应力、应变值普遍大于路径x上的应力、应变值，且应力、应变值在夹杂物中间段上的值较大，也就是在夹杂物底部产生应力、应变值比较大，说明在垂直于加载方向上沿着Y轴方向的路径上容易产生应力集中，也间接说明在路径y上容易产生裂纹。
②相同路径，不同夹杂物间的比较。取宽长比为0.2的长条形MnS夹杂物，球径为8μm的球形SiC杂物，球径为3μm、两夹杂物间的距离为2μm的密集型球形Al2O3夹杂物组成的夹杂长为8μm的Al2O3夹杂物，相同路径上应力、应变值进行比较。
从数据比较分析中可以看出，长条形MnS夹杂物在相同载荷下的应力应变值最小，在路径y上，密集型球形Al2O3夹杂物底部产生的应力集中比较复杂明显，单个球形SiC夹杂物底部产生的应力值也较大。而单个球形SiC夹杂物底部产生的应变值明显高于长条形MnS夹杂物和密集型球形Al2O3夹杂物。
5 结论
①夹杂物作为独立相存在于16MnR钢中，夹杂物的尺寸，种类和分布破坏了钢基体的连续性，加大了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种使用性能。并在外载荷的作用下，由于细观结构的缺陷（夹杂物的存在），导致应力集中，致使缺陷扩展，容易引起疲劳断裂。
②通过有限元分析可知，16MnR钢的应力和应变集中在夹杂物底部，并且，随着夹杂物尺寸的增大，应力、应变就越明显和集中，产生裂纹的几率也就越大。
③通过同一夹杂物不同路径的应力应变曲线的比较可知，在夹杂物底部产生应力、应变值较大，在垂直于加载方向上沿着Y轴方向的路径上容易产生应力集中，也间接说明在该路径上容易产生裂纹。
④相同路径、不同夹杂物间的应力应变比较可知，长条形MnS夹杂物引起的应力应变值最小，密集球形Al2O3夹杂物底部产生的应力集中比较复杂明显，而应变值相对较小，单个球形SiC夹杂物底部产生的应力应变值均较大。
参考文献：
[1]翟俊，吴巍等.16MnR钢铸坯夹杂物研究[J].连铸，2009，2（1）.
[2]韩孝永.压力容器用16MnR钢国内生产概述[J].江苏冶金，2004，6，32（3）.
[3]王国珍，杨伟顺等.初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的细观力学分析[J].兰州：兰州理工大学学报，2006，8，32（4）.
[4]秦华，胡传顺等.16MnR（HIC）和16Mn钢中夹杂物和晶粒度的对比研究[J].化工机械，2007.
[5]屠立群，刘宝剑等.基于ANSYS的16MnR钢疲劳裂纹扩展分析[J].轻工机械，2010（3）.
[6]张贺全.初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响及机理[D].兰州理工大学，2007，6.