一般来说内径是直径还是半径（微观结构机械性能之间的关系）

文 | 檐前语

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在液压成形技术中，加压液体用于成型产品。通过上述技术成型扁平和管状金属板产品是常用的。最著名的液压成型产品的例子是自行车车架和许多汽车部件，例如承载车架、车身、发动机支架和消声器。目前最大的兴趣集中在形成可变闭合轮廓，特别是具有不同直径、半径及其衍生物。

汽车行业目前是封闭型液压成型产品的最大接受者，其次是航空航天工业。该方法的优点包括减少结构中的焊接接头数量和特殊设备的数量，以及获得壁厚更薄、尺寸公差和表面状况更好的零件。这种成型方法的缺点是生产周期慢，工具成本高。

尽管液压成形技术已经为人所知约30年，但液压成形管状部件的应用在过去十年中显著增加。其原因是更先进的压制控制技术，以及支持工具和组件设计的FEM的可用性。 然而，为了确保生产技术的优化，仍然需要真正的产品控制测试，其目的是收集尽可能多的实验数据，以便对生产过程进行充分的建模。

在汽车工业中，铝，不锈钢和DP，TRIP和TWIP钢的产品通过这种方法制造，以便在快速变形时获得降低能量强度的附加值。与使用深冲钢相比，减少零件质量并获得更好性能的能力完全抵消了这些金属的较高成本。用于排气系统的奥氏体不锈钢目前优于铁素体钢。

根据ASTM的所谓300系列不锈钢奥氏体钢包括含有至少10.5%质量Cr和最低8%质量Ni的宽钢组。这种钢具有极其有利的化学性能组合，例如耐腐蚀和抗氧化性，以及良好的机械和塑性成型能力。这些钢的全球消费和生产仍处于高水平，目前呈近6%/年的增长趋势。

应该指出的是，奥氏体不锈钢总产量的95%用于制造塑料形状的产品，其中近10%用于汽车行业。这些钢塑性成型的技术问题之一是奥氏体转化为马氏体。这会导致钢产品内部的结构不均匀。复杂的变形条件、形状和结构会导致液压成型产品中的应力分布不均匀且变化。

研究的目的是确定管道的机械性能，例如残余应力和硬度，以及其微观结构和壁厚减少。为了进行测试，在管道上切出了四个区域，其中三个位于管道形状变化很大的位置，而一个，靠近管端的地方是管道横截面形状最接近圆形的地方。在每个周长上，每隔~4°指示1个点。

从而总共获得16个应力测量点：A1-A4，B1-B4，C1-C4和D1-D4。标有相同编号的点位于一条管道生成线上。使用配备两个探测器的X射线PROTO测定管道中的表面应力. Kα使用波长为0.21030 nm的Mn辐射。

研究中确定的管道周向和纵向应力基于衍射反射，hkl = 311;杨氏模量，E = 167 GPa;和泊松比，v = 0.2。为了确定钢的相组成，Seifert衍射仪和Kα使用波长为 0.17903 nm 的 Co 辐射。

在3千克的载荷下，通过维氏方法对从管道中取出的试样的外表面进行硬度测试。每个试样的尺寸约为50×70毫米。从管道中取出的试样还用于检查管道表面状况，管壁厚度测量以及制作金相微切片和进行钢的微观组织观察。

最多样化的圆周应力位于C区，即平均值最小的区域。在其他地区，特别是B和D，应力更高和不太多样化，就纵向应力而言，对于A区，其平均大小与圆周应力相似。在区域B和D，纵向应力较小，而在C区，这种应力更高。

将确定的表面应力的范围和平均值与从制造商获得的成型管道的数值模型进行了比较，并在早期的工作中以图形方式呈现。根据该模型，管道在末端区域受到最大的变形，而在中间部分受到最小变形的影响。此外，在区域C中，在两个方向上确定的表面应力的平均大小，是最小的。

需要注意的是，X射线正弦2ψ法用KαMn波长是指钢的最大厚度约为0.17μm的表面层。即使是更薄的表面层中的应力也可以使用g-sin2ψ方法确定。在对大型实际产品进行计算机建模的情况下，通常在较厚的材料层中分析变形。

在实践中，模型中表示的管钢变形程度可以通过测量各个管道区域的管壁厚度和硬度来表示。这两个参数的测量结果如图所示。由于表面曲率和壁厚小，管道的直接硬度测试只能在有限的范围内进行。因此，对从管道中取出的试样表面进行了硬度测量。

这意味着在管壁厚度最小的A和B区域，钢经历了最严重的塑性变形，因此也经历了应变硬化。尽管管壁厚度不同，但这两个区域的硬度值相当。尝试将确定的应力值与各个管道区域的管道壁厚相关联，发现与假定规则存在一些偏差，该规则指出在最小壁厚的位置应预期较大的应力。

然而，可以注意到，这种关系确实发生在纵向应力下。在多个圆周应力的情况下，它们的幅度偏离了上述关系。在这两种应力情况下，偏差最大和最大的是C2点处的应力。为了验证该区域的应力大小不是由于测量误差引起的，在另一个实验室中使用相同类型的衍射仪进行了测量。

比考虑壁厚时更清楚，将确定的应力值与各个管道区域的管道硬度相关联。指出在管道硬度较高的管道区域可以找到更大的应力的关系。在这里，我们必须考虑到硬度是在从管道中取出的部分上确定的，并且可以假设由于部分应力松弛而导致的切割发生了应力状态的变化。

因此，可以看出，管道中的应力状态与各个管道区域的微观结构有关，这些微观结构没有因应力松弛而改变。硬度和应力关系的一般规则，无论考虑的管道生成线如何，硬度都遵循相同的模式在管道长度上变化，但应力以更复杂的方式分布。

硬度值表示应力的分布σc和σl仅沿生成线 1 和应力σc沿生成线 3.在生成线 4 时，应力分布的特征与硬度分布相似，而在生成线 2 时，硬度和应力之间没有任何相关性。因此，确定的硬度主要反映钢的微观结构状况，而不是切割前管道中的实际应力。

钢X5CrNi18-10，其中管道是制造的，属于具有奥氏体结构的300系列耐热钢组。由于奥氏体晶粒内的钢中仍然存在许多滑移线和变形孪晶，这是其塑性成形的结果。在壁厚减小最多的区域A1中，颗粒内的滑带数量估计大于壁厚最大的区域C1。因此，C1区的钢硬度最低。

衍射测量证实了钢在管道A1和C1区域的不同状态。表面状态的差异涉及钢的织构和相组成，在区域 A1 中，发现了平面最清晰的纹理 。这种纹理是在AISI304级钢的强拉伸应变下形成的。在C1区，钢织构较弱，衍射强度的相互关系与奥氏体标准PDF4中的相似性更强。

衍射图还显示，在标有A1和C1的管道的两个测试区域中，钢在成形过程中转变为马氏体。在A10区域，马氏体的百分比估计约为1体积%，在C4区域约为1体积%。相比之下，在拉伸试验中变形直至破裂的同一钢中，由于相变，形成了超过40 V%的马氏体。

通过液压成形方法成型管材的特殊性是在管材内表面上没有机械摩擦。只有外管表面与模具发生机械摩擦。在我们的样品中，这在宏观上反映在表面上既有技术锈蚀的条纹，也有一般的表面平滑，在内表面上未观察到。管面粗糙度测量表明，R的值一个与R相比，外表面平均小2倍一个内表面的值。

本文介绍了一个封闭式零件的示例，即排气系统管道，其独特而复杂的形状只能通过使用液压成型技术来实现。管道的复杂、不对称变形涉及管道内部复杂应力状态的形成。这样的零件没有部分塑料材料可以流动的自由边缘，因此可以进行部分应力降低。

因此，在操作条件下，急剧变化的拉伸应力可能会导致零件的尺寸变化。在所研究的液压成形技术形成的排气系统管道中，发现了周向和纵向应力的不均匀分布。沿管道长度和管道周边的应力值不同。应力值通常与各区域的钢硬度相关，即硬度越高，应力值越大。

纵向应力与管道壁厚呈关系，而圆周应力仅部分存在关系。与预期关系的最大偏差发生在管道区域C，其特点是相对最小的壁厚减少，这是由作者自己的测量和数值建模确定的。在该区域，应力值的分散性最大，即管道中确定的最小和最大的应力都发生在那里。

在管道中确定的最大应力值为290 MPa，接近应变硬化304L钢的屈服点。管道中发生的临界应力的位置可能是管道运行过程中变形或损坏风险最大的。管材应力水平和壁硬度受304L钢的显微组织影响，其中在变形的影响下发生过渡γ→α'。

在较高的应力和硬度区域，转变程度更高。因此，管道中的应力，更具体地说是奥氏体相中的应力，是奥氏体晶格变形程度和马氏体在结构中的份额的共同作用的结果，这是由于TRIP现象引起的。液压成形技术的特点是单边没有零件与模具的摩擦。

因此，在被研究的管道的情况下，其内表面只会与液体接触。液压成型零件的壁厚变薄通常发生在封闭部分的角落，特别是当施加最大液体压力以准确再现所需的尺寸和形状时。在被调查的管道中，尽管没有拐角，但管壁不均匀地变薄。