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摘要：为了研究流体压力作用下典型材料的成形规律及作用机理，采用塑性理论和实验相结合的方法分析了流体压力对不锈钢棒材成形性能、断口形貌的影响规律，研究结果表明：流体压力对不锈钢棒伸长率的影响显著，在低应变速率下其伸长率相比普通单拉时提高了24.2%，应变速率为0.01 s-1时则提高了39%；与普通单拉断口形貌相比，流体压力作用下断口中心韧窝区较大，但韧窝分布稀疏，细小韧窝均未长大，其断裂形式以剪切分离为主。
关键词：流体压力；不锈钢棒；单向拉伸；断口形貌；成形性能
中图分类号：TG302 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0016-05
0、引言
不同加载形式可以改变金属塑性成形中的受力状态，对其在室温条件下的成形性能也将产生重要影响，同时也决定了所成形零件的使用性能，Bridg-man通过充液拉伸实验发现静水压力可有效提高钢材的塑性变形能力，Spitzig、Weinrich等分别针对多晶体、单晶体的钢材、铝材进行了充液拉伸实验研究，分析了静水压力对材料的应力应变关系、塑性变形能力、断裂机制的影响，结果表明，其对材料的断裂机制及断裂发生时的塑性变形行为影响显著。通过施加流体压力可以改变材料的受力状态，从而实现常规条件下不可变形脆性材料的塑性成形，静液挤压技术将这一思想变为现实，实验结果表明，流体高压条件下低塑性材料、脆性材料如大理石等可实现大变形量塑性变形，同时不会发生开裂等缺陷形式，Mohr等引设计并制造了可提供三向复杂应力载荷的双向测试装置，通过对特殊设计的异形试样施加各项剪切应力与正应力的组合载荷用于预测断裂处裂纹萌生的机制，但该装置由于其结构特性所需测量的数据均需另配传感器，这在结构稳定性保证的前提下降低了测量精度。Dunand等通过改变试样的几何形状使其在常规单向拉伸或压缩条件下受到不同组合形式的复杂应力载荷，但具有复杂形状的试样其制备工艺要求较高，精度难以保证。
综上可知，改变受力状态是提高金属塑性成形能力的有效途径之一，但针对复杂应力条件下，尤其是流体压力作用下现有的、行之有效的高精度材料成形性能分析测试手段却较少。因此，迫切需要提出一种结构简单合理、实施方便的流体压力作用下典型材料成形性能测试装置及方法，对复杂应力条件下材料的成形性能、断裂机理等基础理论问题的深入研究及应用具有重要作用。
1、研究方案
1.1 力学分析
由前述分析可知，在流体高压成形条件下单向拉伸棒材的受力状态及成形性能均发生相应变化，其作用原理及受力状态如图1所示。
由于流体压力的作用，棒材单向拉伸成形过程中的单元应力状态为一拉两压的复杂应力状态而非普通单拉时的简单应力状态，如图1（b）所示，在流体压力与轴向拉力的共同作用下其对棒材的成形性能均有重要影响，因此，本文提出研制了一种可施加流体压力作用的单向拉伸实验装置并利用其进行测试研究。
1.2 装置研制
图2为已设计并制造了流体加压作用下单向拉伸实验装置原理图及研究用棒材试样尺寸。
流体高压单向拉伸实验原理如图2（a）所示，将棒材试样置于左右镶块内，镶块内表面保证与试样发生良好接触，避免在试样标距外产生应力集中，再将镶块平稳地置于滑动冲头内，以保证试样不受其余外力的影响，将试样、镶块与冲头组成的整体送入模腔内，然后将整个装置通过上下夹持端与拉伸试验机连接，油路系统通过高压油管向模腔内注入流体介质，直至模腔内压达到所需压力，在该压力环境下通过计算机控制拉伸试验机以设定速率对试样进行拉伸，以此达到试样法向受压、轴向受拉的三向复杂应力环境。
根据GB228-2002设计出试验所用棒材拉伸试样，其尺寸及形状如图2（b）所示，试样标距长度为40 mm、直径为8 mm。
实验测试装置如图3所示，本装置核心包括镶块装配与动密封装配，镶块结构如图3（a）所示，其内腔空间足够大，可与不同尺寸的棒材试样配合使用，镶块与滑动冲头通过螺纹连接构成动态密封系统，如图3（b）所示，其中冲头底部设有两凹槽处，放置O型密封圈用于实现动态密封。
通过对实验过程中冲头的受力分析可以确定影响试样成形性能、断口形貌的力学因素及误差，如图4所示。
冲头在实验过程中作为夹头置于拉伸试验机上下两夹持端，此时，冲头底部受到模腔内部液压施加的压力P与拉伸试样反向作用施加的拉力Ⅳ及模腔内壁与冲头之间的滑动摩擦力，冲头顶部受到拉伸试验机施加的拉力F，为保持冲头的匀速运动，其所受合力为零，即通过转换得到拉伸试样反作用力N的表达式为
N=P+F-f （1）
内部液压由油路系统控制设定为恒压，即P值不变；O型密封圈与模腔内壁动摩擦系数已知可求，相对滑动速率恒定（由拉伸试验机控制），因此滑动摩擦力，可确定；试验机所施加的拉力F可由其盘式力学传感器直接测定，将以上数值带入式1中，即可得到拉伸试样反向作用施加于冲头底部的拉力Ⅳ，同时Ⅳ也是试样在实验过程中所受到的拉力，通过除以试样的标距内截面积即得到试样在拉伸过程中所受到的拉应力，因此，实验过程中影响棒材试样单向拉伸成形的力学因素以及由此引起的误差是已知可控的。
1.3 实验方案
针对有无流体压力作用的不锈钢棒材单向拉伸力学性能实验，选取304不锈钢作为试样材料，其化学成分如表1所示。
按有无流体压力作用将实验分为两组，其中流体压力由油路系统控制，每组取试样10个，将每组的10个试样再5、5分成两组，分别在应变速率0.001 s-1、0.01 s-1条件下进行实验。实验设备为css-44300万能材料试验机，实验过程中通过试验机系统计算机记录动态数据，实验结束后测量并计算拉伸试样的断后伸长率，取各相同条件下平均值对比分析，通过线切割手段截取拉伸试样一侧的断口试样，将断口试样置于丙酮与乙醇的混合液中进行超声波振荡清洗，然后采用FEI Sirion扫描电子显微镜（sEM）观察试样的断口形貌，进而对不同条件下的试样断口形貌进行对比分析。
关键词：流体压力；不锈钢棒；单向拉伸；断口形貌；成形性能
中图分类号：TG302 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0016-05
0、引言
不同加载形式可以改变金属塑性成形中的受力状态，对其在室温条件下的成形性能也将产生重要影响，同时也决定了所成形零件的使用性能，Bridg-man通过充液拉伸实验发现静水压力可有效提高钢材的塑性变形能力，Spitzig、Weinrich等分别针对多晶体、单晶体的钢材、铝材进行了充液拉伸实验研究，分析了静水压力对材料的应力应变关系、塑性变形能力、断裂机制的影响，结果表明，其对材料的断裂机制及断裂发生时的塑性变形行为影响显著。通过施加流体压力可以改变材料的受力状态，从而实现常规条件下不可变形脆性材料的塑性成形，静液挤压技术将这一思想变为现实，实验结果表明，流体高压条件下低塑性材料、脆性材料如大理石等可实现大变形量塑性变形，同时不会发生开裂等缺陷形式，Mohr等引设计并制造了可提供三向复杂应力载荷的双向测试装置，通过对特殊设计的异形试样施加各项剪切应力与正应力的组合载荷用于预测断裂处裂纹萌生的机制，但该装置由于其结构特性所需测量的数据均需另配传感器，这在结构稳定性保证的前提下降低了测量精度。Dunand等通过改变试样的几何形状使其在常规单向拉伸或压缩条件下受到不同组合形式的复杂应力载荷，但具有复杂形状的试样其制备工艺要求较高，精度难以保证。
综上可知，改变受力状态是提高金属塑性成形能力的有效途径之一，但针对复杂应力条件下，尤其是流体压力作用下现有的、行之有效的高精度材料成形性能分析测试手段却较少。因此，迫切需要提出一种结构简单合理、实施方便的流体压力作用下典型材料成形性能测试装置及方法，对复杂应力条件下材料的成形性能、断裂机理等基础理论问题的深入研究及应用具有重要作用。
1、研究方案
1.1 力学分析
由前述分析可知，在流体高压成形条件下单向拉伸棒材的受力状态及成形性能均发生相应变化，其作用原理及受力状态如图1所示。
由于流体压力的作用，棒材单向拉伸成形过程中的单元应力状态为一拉两压的复杂应力状态而非普通单拉时的简单应力状态，如图1（b）所示，在流体压力与轴向拉力的共同作用下其对棒材的成形性能均有重要影响，因此，本文提出研制了一种可施加流体压力作用的单向拉伸实验装置并利用其进行测试研究。
1.2 装置研制
图2为已设计并制造了流体加压作用下单向拉伸实验装置原理图及研究用棒材试样尺寸。
流体高压单向拉伸实验原理如图2（a）所示，将棒材试样置于左右镶块内，镶块内表面保证与试样发生良好接触，避免在试样标距外产生应力集中，再将镶块平稳地置于滑动冲头内，以保证试样不受其余外力的影响，将试样、镶块与冲头组成的整体送入模腔内，然后将整个装置通过上下夹持端与拉伸试验机连接，油路系统通过高压油管向模腔内注入流体介质，直至模腔内压达到所需压力，在该压力环境下通过计算机控制拉伸试验机以设定速率对试样进行拉伸，以此达到试样法向受压、轴向受拉的三向复杂应力环境。
根据GB228-2002设计出试验所用棒材拉伸试样，其尺寸及形状如图2（b）所示，试样标距长度为40 mm、直径为8 mm。
实验测试装置如图3所示，本装置核心包括镶块装配与动密封装配，镶块结构如图3（a）所示，其内腔空间足够大，可与不同尺寸的棒材试样配合使用，镶块与滑动冲头通过螺纹连接构成动态密封系统，如图3（b）所示，其中冲头底部设有两凹槽处，放置O型密封圈用于实现动态密封。
通过对实验过程中冲头的受力分析可以确定影响试样成形性能、断口形貌的力学因素及误差，如图4所示。
冲头在实验过程中作为夹头置于拉伸试验机上下两夹持端，此时，冲头底部受到模腔内部液压施加的压力P与拉伸试样反向作用施加的拉力Ⅳ及模腔内壁与冲头之间的滑动摩擦力，冲头顶部受到拉伸试验机施加的拉力F，为保持冲头的匀速运动，其所受合力为零，即通过转换得到拉伸试样反作用力N的表达式为
N=P+F-f （1）
内部液压由油路系统控制设定为恒压，即P值不变；O型密封圈与模腔内壁动摩擦系数已知可求，相对滑动速率恒定（由拉伸试验机控制），因此滑动摩擦力，可确定；试验机所施加的拉力F可由其盘式力学传感器直接测定，将以上数值带入式1中，即可得到拉伸试样反向作用施加于冲头底部的拉力Ⅳ，同时Ⅳ也是试样在实验过程中所受到的拉力，通过除以试样的标距内截面积即得到试样在拉伸过程中所受到的拉应力，因此，实验过程中影响棒材试样单向拉伸成形的力学因素以及由此引起的误差是已知可控的。
1.3 实验方案
针对有无流体压力作用的不锈钢棒材单向拉伸力学性能实验，选取304不锈钢作为试样材料，其化学成分如表1所示。
按有无流体压力作用将实验分为两组，其中流体压力由油路系统控制，每组取试样10个，将每组的10个试样再5、5分成两组，分别在应变速率0.001 s-1、0.01 s-1条件下进行实验。实验设备为css-44300万能材料试验机，实验过程中通过试验机系统计算机记录动态数据，实验结束后测量并计算拉伸试样的断后伸长率，取各相同条件下平均值对比分析，通过线切割手段截取拉伸试样一侧的断口试样，将断口试样置于丙酮与乙醇的混合液中进行超声波振荡清洗，然后采用FEI Sirion扫描电子显微镜（sEM）观察试样的断口形貌，进而对不同条件下的试样断口形貌进行对比分析。