太原科技大学赵春江教授团队:304 不锈钢压缩断裂的应力三轴度研究

引用格式：Xiaosong Zhao, Yiwei Xu, Chunjiang Zhao, Ping Lin, Jianguo Liang. Stress triaxiality at compressive fracture of 304 stainless steel[J]. FORGING & STAMPING TECHNOLOGY, 2026, 51(2):277-283.

  304 不锈钢凭借优异的耐腐蚀性与力学性能在工业和建筑领域广泛应用，实际工况中其常面临复杂应力状态，应力三轴度作为决定材料延性破坏的关键要素，对 304 不锈钢断裂行为的影响不容忽视。为揭示应力三轴度对 304 不锈钢压缩断裂应变的影响机制，太原科技大学赵春江教授团队采用实验与有限元分析相结合的方法，设计 0°、30°、45°、60° 和 90° 五种缺口角度的 304 不锈钢试样开展压缩实验，结合电子背散射衍射（EBSD）技术进行微观结构分析，探究了应力三轴度与断裂应变的关联及微观作用机理，为 304 不锈钢工程应用的结构设计优化和安全性提升提供实验与理论支撑。

  团队选取 304 不锈钢为实验材料，经特定热处理后，采用电火花线切割加工制备预设缺口角压缩实验试件（PCSS），在试件中心对称位置设置两个圆形缺口，缺口倾斜角度分别为 0°、30°、45°、60° 和 90°，试样记为 PCSS0、PCSS30、PCSS45、PCSS60 和 PCSS90（图 1），并构建了 PCSS 的三维结构（图 2）。实验采用 30 t 液压万能试验机开展压缩实验（图 3），压下速率设定为 0.5 mm・min⁻¹，每组试样重复至少 3 次以保证结果可靠性；基于 ABAQUS/Explicit 求解器建立各 PCSS 的几何模型与相应有限元模型（图 4），采用 Johnson-Cook（J-C）本构模型描述材料弹塑性特性，计算不同缺口角度试样的应力三轴度与断裂应变；利用 EBSD 技术分析试样变形后的晶界取向差、应变集中及裂纹萌生扩展等微观特征。

  实验与数值模拟结果表明：304 不锈钢试样的应力三轴度随缺口角度增大呈递增趋势，断裂应变则随之递减，其中 0° 缺口试样应力三轴度最低、断裂应变最大，90° 缺口试样承受单轴压缩应力，塑性变形最强且裂纹扩展缓慢。图 5~ 图 7 分别为不同缺口角度的 PCSS 的等效应力、等效塑性应变分布云图，以及应力三轴度随时间变化曲线，从图中可清晰观察到不同缺口角度试样的应力、应变分布特征与应力三轴度变化规律：PCSS0 主要承受纯剪切应力，应力三轴度低，塑性变形强；PCSS30 受剪切和压缩应力共同作用，应力集中明显；PCSS90 承受单轴压缩应力，应力三轴度最低，裂纹扩展缓慢。

  EBSD 微观分析显示，随缺口角度增加，试样晶界取向差逐渐增大，晶粒变形从均匀状态转为集中状态，裂纹萌生难度显著降低，扩展路径由曲折趋于直接，且各微观特征的差异随缺口角度增大愈发显著。低应力三轴度下，材料晶界取向差小、晶格畸变程度弱，裂纹萌生多起源于晶内缺陷或弱界面，扩展需绕行不同取向晶粒；高应力三轴度下，晶界处应变极端集中，成为裂纹萌生和扩展的关键区域，裂纹沿最大应力梯度方向快速延伸，导致材料断裂韧性急剧降低。图 8 为 PCSS 的 EBSD 结果，其中 IPF 图与 KAM 图直观呈现了不同缺口角度试样的晶粒取向分布、局部应变集中状态，清晰反映出 30°、45°、60° 缺口试样的晶界取向差与应变集中的梯度变化特征。

结论

(1) 304 不锈钢不同缺口角度试样的应力三轴度存在显著差异，且对断裂应变影响明显；缺口角度为 0° 时试样应力三轴度最低、断裂应变最大，应力三轴度随缺口角度增加而增大，断裂应变呈递减趋势。

(2) 基于 ABAQUS 构建的有限元模型计算结果与实验数据高度吻合，验证了模型的精确性，该模型可有效预测 304 不锈钢在不同应力三轴度下的断裂行为。

(3) 应力三轴度决定了 304 不锈钢压缩变形的微观特征与断裂机制：低应力三轴度下晶界取向差小、晶粒变形均匀、裂纹萌生难且扩展路径曲折；应力三轴度升高时，晶界取向差增大、晶粒变形不均匀，裂纹萌生概率提升且扩展受晶界和晶体学方向制约；高应力三轴度下，晶界取向差大幅增加、晶粒变形高度集中，裂纹极易在晶界形核并快速蔓延。

  该研究明确了应力三轴度对 304 不锈钢压缩断裂应变的影响规律及微观作用机制，为工程中通过调控构件几何形状以优化应力三轴度、提升 304 不锈钢结构的抗断裂性能提供了重要的实验依据和理论参考，相关成果发表于《锻压技术》2026 年第 51 卷第 2 期。