压缩载荷下夹杂物对低密度钢应力场的影响
郭帅1，朱航宇1,2，周杰2，董帅3，梁印2
(1. 武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室， 湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081；3. 上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心， 上海 200240)
摘要：非金属夹杂物在加工过程中往往容易引起裂纹的萌生和扩展，为了明确典型非金属夹杂物对低密度钢性能的影响，采用Abaqus有限元软件分析了低密度钢中典型Al2O3、MnS、AlN、TiN单一夹杂和Al2O3-AlN、AlN-MnS复合夹杂及附近钢基体的应力场，研究了非金属夹杂物类型、尺寸、方向、分布等因素对低密度钢应力场的影响。结果表明，非金属夹杂物的变形能力、形状和尺寸显著影响低密度钢中应力场分布，夹杂物及其附近钢基体的最大应力值由大到小依次为TiN、AlN、Al2O3和MnS。夹杂物尺寸越大，应力场范围和最大应力值也越大。夹杂物长轴与载荷的夹角会造成裂纹萌生位置和传播方向发生变化，TiN和AlN夹杂物尖角位于载荷方向时可缓解夹杂物引起的应力集中。此外，团聚状的夹杂物易引起应力集中，夹杂物间距越小，引起的应力富集越大。对于复合夹杂物而言，Al2O3-AlN内部的Al2O3夹杂会阻碍复合夹杂物变形，引起应力值升高，增加AlN夹杂的危害性；而AlN-MnS复合夹杂物外部的MnS可以适度缓解内部AlN尖角处引起的应力集中，降低AlN夹杂的危害性。因此，在冶炼过程中应尽量控制脆性夹杂物数量和尺寸、避免聚集状AlN夹杂物的生成，通过工艺调控实现硫化物对AlN夹杂的完全包裹等措施可降低夹杂物对低密度钢的危害性。
关键词：低密度钢； Fe-Mn-Al-C； 非金属夹杂物； 应力场； 有限元模拟； 压缩载荷
1 引言
近年来，为响应国家绿色环保、节能减排的倡导，汽车轻量化已成为汽车行业的研究热点。Fe-Mn-Al-C系低密度钢作为汽车轻量化的潜在钢铁材料受到了汽车行业研究人员的关注，低密度钢的极限抗拉强度为600～1 800 MPa，伸长率为20%～100%，表现出优异的力学性能。该类钢主要通过加入铝元素来降低密度，但冶炼过程中铝易于与钢液中氧氮、冶金炉渣及耐火材料发生化学反应，形成非金属夹杂物。大多数非金属夹杂物会破坏钢基体的连续性和均匀性，在热处理和变形过程中引起应力富集，促进裂纹萌生，危害钢材的力学性能。Penna R V等认为低密度钢中的AlN夹杂性质脆而硬，呈多面体，尖角处容易产生应力集中。除单一AlN夹杂物外，低密度钢中也易形成Al2O3-MnS和AlN-MnS等复合夹杂物。Hosseini S B等发现钢中MnS夹杂在热轧过程中会沿轧制方向伸长，夹杂物周围的裂纹萌生方式和MnS夹杂与载荷的方向关系密切相关。WU Z F 等认为MnS包覆Al2O3形成的Al2O3-MnS复合夹杂物可以缓解夹杂物和基体之间的镶嵌应力，从而改善了铸态先进高强钢的断裂韧性。
随着计算机技术和有限元技术的发展，更多的研究者开始使用有限元仿真软件研究夹杂物对钢材力学性能的影响。Ahmadian P等的仿真计算结果表明，不锈钢中夹杂物尺寸越大，应力集中越明显；菱形夹杂物的变形趋势比方形夹杂物更均匀。CONG T等对火车轮毂接触应力分布进行了数值分析，发现夹杂物附近的应力集中尤为明显。此外，还可以利用有限元技术分析夹杂物对钢疲劳性能的影响。Cerullo M等基于Dang Van准则研究了滚动轴承中的Al2O3和TiN两种夹杂物对钢材疲劳寿命的影响，并认为夹杂物及附近基体的应力集中由夹杂物和钢基体的弹性模量差异决定。GU C等提出一种基于微观结构的建模方法，以解释快速冷却过程中硅酸盐夹杂物引起的残余应力对钢的疲劳裂纹萌生行为的影响。然而，低密度钢中典型夹杂物对其附近应力场及力学性能的影响报道较少，模拟低密度钢中夹杂物对其力学性能的影响对优化低密度钢冶炼工艺及夹杂物的控制具有借鉴意义。
本文采用Abaqus软件的静力学分析模块研究低密度钢中夹杂物在压缩载荷下的应力场分布，探索典型夹杂物的类型、形状、尺寸、方向、分布等对应力场分布的影响，为低密度钢冶炼过程夹杂物的控制提供理论指导。
2 精选图表
3 结论
(1)低密度钢中典型夹杂物引起的应力集中与夹杂物变形能力、形状和尺寸有关，夹杂物及其附近钢基体中的最大应力值由大到小依次为TiN、AlN、Al2O3和MnS。应力场范围和应力值随着夹杂物尺寸的增加而增加，但对应力场的空间分布规律没有明显的影响。
(2)夹杂物与载荷的方向关系显著影响夹杂物及附近钢基体的应力场分布，夹杂物长轴在载荷方向上的投影长度越长应力值越大，夹杂物尖角在载荷方向可缓解夹杂物附近应力集中。
(3)夹杂物间距越小，引起的应力富集越大。临近钢表面的夹杂物易产生高应力区，在加工过程中会造成产品的表面缺陷。
(4)以Al2O3为核心形成的Al2O3-AlN复合夹杂物比单一AlN夹杂物危害性更大，内部的Al2O3阻碍复合夹杂的弹性变形，造成复合夹杂物附近应力值增加。AlN夹杂被MnS完全包裹后可缓解应力集中，降低AlN夹杂的危害性。
