熊自柳,吝章國,孫 力,董伊康,羅 楊,王 健

(河鋼集團鋼研總院,石家莊 ０５００００)

摘 要:對 DP５９０鋼板和 CR３４０LA 鋼板在應變速率為０．００３s－１(準靜態(tài))和２０~７００s－１(動態(tài))下進行了室溫拉伸試驗,研究了試驗鋼板的動態(tài)拉伸變形行為、應變速率敏感性和動態(tài)斷裂行為.結果表明:兩種試驗鋼板的動態(tài)真應力Ｇ真應變曲線均無屈服平臺,屈服后真應力隨真應變的增加先快速增大后緩慢增大;應變速率對屈服強度的影響略高于對抗拉強度的影響,并且 DP５９０鋼板的應變速率敏感性和硬化指數均高于 CR３４０LA 鋼板的;兩種試驗鋼板的均勻伸長率均隨應變速率的增加而降低;隨應變速率的增加,DP５９０ 鋼 板 中 的 位 錯 密 度 增 加,當 應 變 速 率 不 小 于２００s－１時出現位錯胞;DP５９０鋼板在準靜態(tài)拉伸時發(fā)生明顯頸縮,而動態(tài)拉伸時未發(fā)生頸縮,且隨應變速率的增加,拉伸斷口上的 C形韌窩數量減少,等軸狀韌窩數量增加.

關鍵詞:動態(tài)拉伸;應變速率;高強汽車鋼板;變形行為

中圖分類號:TG１４２ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０８Ｇ００１８Ｇ０６

０ 引 言

近年來,因汽車輕量化和安全設計的要求,雙相(DP)鋼、高強度低合金(HSLA)鋼等高強度鋼板得到了廣泛應用[１].汽車設計工程師通過減小板厚和優(yōu)化結構來降低車的自重,再通過合理的選材和結構設計來提高汽車的安全性能[２].汽車的輕量化設計和碰撞安全設計依賴于準確的材料基礎性能數據[３Ｇ４],包括靜態(tài)力學性能、基礎成形性能和動態(tài)力學性能等.靜態(tài)力學性能數據可用于結構強度校核、剛度和模態(tài)的計算,基礎成形性能數據可以用于指導材料的制造加工工藝,動態(tài)力學性能數據則被用于材料碰撞安全性能設計等.目前,有關高強度汽車鋼板靜態(tài)屈服強度、抗拉強度、硬化指數、伸長率等力學性能及參數的測試與研究比較充分,能夠為結構強度、剛度和模態(tài)的計算提供 詳 實 而 準 確 的 數 據,但 是 有 關 其 動 態(tài)力學性 能 的 測 試 與 研 究 相 對 較 少[５Ｇ６].這 一 方 面是因為動態(tài) 力 學 性 能 測 試 設 備 比 較 昂 貴,測 試 費用高;另一方 面 是 因 為 動 態(tài) 力 學 性 能 數 據 需 要 經過專業(yè)的處理才能真實地反映材料的動態(tài)力學屬性.而高強度鋼板在高速變形過程中的強度變化和塑 性 變 形 機 制 與 靜 態(tài) 拉 伸 時 的 并 不 完 全 相同[７],因此靜 態(tài) 力 學 性 能 不 能 替 代 動 態(tài) 力 學 性 能而用于碰撞安全性能的計算.為了在汽車車身結構設計時進行合理選材并提高汽車安全性能,需要對高強鋼在高應變速率下的應變和應力響應特性、硬化和斷裂特性進行研究,從而得 到 高 應 變 速 率 下 的 性 能 數 據 和 失 效 行 為.

DP５９０、CR３４０LA 鋼是目前應用最廣泛的汽車高強鋼,二者的力學性能較為接近.為了給汽車結構件的安全設計提供基礎數據,作者對這兩種鋼板的動態(tài)應力/應變響應、動態(tài)加工硬化特征和動態(tài)斷裂行為等進行了研究.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為河鋼集團生產的連續(xù)退火高強度鋼板,牌 號 分 別 為 DP５９０ 和 CR３４０LA,厚 度 均 為１．２mm,化學成分如表１所示.從圖１可以看出,DP５９０ 鋼 板 的 顯 微 組 織 由 鐵 素 體 和 馬 氏 體 組 成,CR３４０LA 鋼板的由鐵素體和珠光體組成.

將試驗鋼板沿軋制方向線切割出尺寸如圖２所示的拉 伸 試 樣,在 ZWICK HM１６０１０ 型 動 態(tài) 拉伸試驗機上 進 行 室 溫 拉 伸 試 驗,應 變 速 率 分 別 為０．００３s－１(準靜態(tài))和２０,５０,１００,２００,４００,７００s－１(動態(tài)).利用 ULTRA５５型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌.在 DP５９０鋼板的動態(tài)拉伸試樣斷口上取樣,經打磨、離子減薄后,在 TecnaiF３０型透射電鏡(TEM)上觀察微觀形貌.

２ 試驗結果與討論

２．１ 動態(tài)拉伸性能

試驗測得的真應力Ｇ真應變曲線含有設備系統性誤差,須 進 行 傅 里 葉 降 噪 或 濾 波 處 理,并 采 用JohnsonＧCook模型[８Ｇ９]進行擬合,JohnsonＧCook 模型表達式為

式中:σ 為真應力;A 為屈服強度;B 為硬化模量;n為硬化指數;C 為應變速率敏感系數;ε 為等效塑性應變;ε?? 為等效塑性應變速率;ε??０ 為參考應變速率.

利用式(１)對試驗測得的真應力Ｇ真應變曲線進行擬合并外延,如圖３所示.由圖３可以看出:兩種試 驗鋼板在不同應變速率下的真應力Ｇ真應變曲線都沒有出現屈服平臺,屈服后試驗鋼板的真應力先隨真應變的增加快速增大,當真應變達到０．１０左右時真應力增大的趨勢有所減緩;當真應變由０．０２增至１．００時,DP５９０鋼板和 CR３４０LA 鋼板在準靜態(tài)拉伸過程中的真應力分別增加了５７４,２７６ MPa,在應變速率為７００s－１ 的動態(tài)拉伸過程中分別增加了

５７０,２７４MPa,可見 DP５９０鋼板的應變速率敏感性高于CR３４０LA鋼板的.試驗鋼板在準靜態(tài)與動態(tài)拉伸過程中的真應力隨真應變的變化趨勢一致,表明動態(tài)拉伸過程中的塑性變形機制沒有發(fā)生本質變化.

由表２ 可知:當應變速率從 ０．００３s－１ 增加 到７００s－１時,DP５９０鋼板和CR３４０LA 鋼板的屈服強度(真應變?yōu)椋埃埃矔r的應力)分別增加了１８９,１８６MPa,抗拉強度(真應變取均勻伸長率)分別增加了１４９,１３９MPa.由此可見,應變速率對屈服強度的影響略高于對抗拉強度的,并且 DP５９０鋼板的應變速率敏感性高于CR３４０LA鋼板的.這是因為在塑性變形初期(真應變?yōu)椋埃埃瞺０．１０),強度較低的 CR３４０LA鋼板更容易發(fā)生塑性變形而導致顯著的應變強化[１０],而在塑性變形后期(真應變大于０．１０),溫度效應[１１]削弱了應變速率對抗拉強度的影響.在圖３的真應力Ｇ真應變曲線上取點,繪制得到DP５９０鋼板在不同真應變下的真應力Ｇ應變速率曲線.由圖４可以看出:隨著應變速率的增加,DP５９０鋼板的真應力先快速增大,當應變速率大于２００s－１后,增大趨勢變緩;在不同真應變下,應變速率對真應力的影響程度幾乎相同.

由圖５可以看出:在準靜態(tài)拉伸時,DP５９０ 鋼板與 CR３４０LA 鋼板的均勻伸長率相當;隨著應變速率的增加,兩種試驗鋼板的均勻伸長率均降低;DP５９０鋼板的均勻伸長率在應變速率小于４００s－１時低于CR３４０LA鋼板的,在應變速率大于等于４００s－１時高于 CR３４０LA 鋼板的.

結合表１分析可知,DP５９０鋼板中含有更多的鉻和硅元素,能起到排碳的作用,而在變形過程中較低碳含量鋼的位錯更容易啟動和增殖,真應力隨真應變增加得更快,因此在應變速率小于４００s－１時,DP５９０鋼板的均勻伸長率降低得更多.但當應變速率增至４００s－１及以上時,在變形過程中試驗鋼板幾乎處于絕熱狀態(tài),溫升效應對均勻伸長率產生顯著的影響;同時 DP５９０鋼板特殊的軟質相鐵素體＋硬質相馬氏體組織能有效改善均勻伸長率.在溫升效應和 顯 微 組 織 的 綜 合 作 用 下,當 應 變 速 率小于４００s－１時 DP５９０鋼板的 均 勻 伸 長 率 又 高 于CR３４０LA 鋼板的.

２．２ 加工硬化及應變速率敏感性

為了進一步明確動態(tài)拉伸變形過程中試驗鋼板的真應力隨真應變的變化規(guī)律,研究了硬化指數隨真應變的變化規(guī)律.假定應變速率一定,應變速率敏感系數為定值,則式(１)可以變換為式(２)兩邊取對數,可得

利用 式 (３)對 圖 ３ 中 的 數 據 進 行 處 理,得 到和lnε 的關系曲線;對曲線進行微分處理,求得不同真應變對應的曲線斜率,即得到了不同真應變下的硬化指數.由圖６可見:在相同的應變速率和真應變下,DP５９０鋼板的硬化指數高于 CR３４０LA 鋼板的;在低應變速率(不大于２００s－１)下,DP５９０鋼板的硬化指數峰值約為０．２３,CR３４０LA 鋼板的為０．１４~０．１８,在高應變速率(大于２００s－１)下,DP５９０鋼板的硬化指數峰值下降到約０．１２,CR３４０LA 鋼板的低于０．１２;在低應變速率下,兩種試驗鋼板的硬化指數增加到 峰 值 后 降 低 至 穩(wěn) 定 值 附 近,而 在 高 應變速率下,硬 化 指 數 增 加 到 峰 值 后 略 微 下 降 達 到穩(wěn)定值,應變 速 率 顯 著 影 響 著 硬 化 指 數 隨 真 應 變的變化趨勢.

綜上可知:不同變形階段試驗鋼板的加工硬化特性不同,不同應變速率下的加工硬化特性也存在明顯差異.兩種試驗鋼板加工硬化特性的差異與其顯微 組 織 的 差 異 有 關. 結 合 圖 １ 分 析 可 知:

CR３４０LA 鋼板中的鐵素體晶粒比 DP５９０鋼板中的細小,且含有鈮、釩等析出強化相,因此 CR３４０LA鋼板中 鐵 素 體 的 硬 度 更 高,塑 性 變 形 能 力 更 弱;CR３４０LA 鋼板中的硬質相是珠光體,具有一定的變形能力,在變形過程中可以吸收部分鐵素體產生的位錯塞積而降低位錯累積速率,而 DP５９０鋼板中的馬氏體硬度高,幾乎不參與塑性變形,易于在晶界形成位錯塞積.因此,在不同應變速率拉伸過程中,CR３４０LA 鋼板的硬化指數都低于 DP５９０鋼板的,且硬化指數隨真應變的變化程度也不同.

２．３ 動態(tài)斷裂行為

由圖７可以看出:在應變速率為０．００３s－１(即準靜態(tài))下拉伸后,DP５９０鋼板的拉伸斷口呈平直狀,有明顯的頸縮產生;在應變速率為２００s－１ 下拉伸后,其拉伸斷口與拉伸方向 成 ６０°角,斷 口 邊 緣 平直,幾乎沒有頸縮產生.

由圖８可以看出,在準靜態(tài)拉伸時,當真應變達到０．２２時DP５９０鋼板的真應力達到最大,隨后隨真

應變的增加真應力降低,DP５９０鋼板發(fā)生頸縮直至斷裂.將真應力下降到抗拉強度的２/３時視為試樣斷裂,則在準靜態(tài)拉伸時,DP５９０ 鋼板斷裂時的真應變?yōu)椋埃玻?頸縮應變量為０．０５.結合圖７(b)和圖８分析可知:在應變速率為２００s－１ 下,當真應變不大于０．１２時,DP５９０鋼板幾乎沒有出現斷裂前的失穩(wěn)現象,整個變形區(qū)內發(fā)生均勻的變形;當真應變達到０．１８時,DP５９０鋼板沿著與拉伸方向成６０°角的方向開裂,當真應變達到０．２１時斷裂,頸縮應變量為０．０３.可見 DP５９０鋼板在動態(tài)變形時的頸縮應變量小于在準靜態(tài)變形時的.準靜態(tài)拉伸時,DP５９０鋼板的變形速率較小,在塑性變形時組織中的位錯有充分時間沿著滑移帶滑移而貫 穿 整 個 晶 粒[３];從 開 始 頸 縮 至 斷 裂 過 程 中DP５９０鋼板的真應變達到０．０５的持續(xù)時間較長,為７．０６s.依據金屬塑性變形原理[１２],開始頸縮至斷裂過程會伴隨晶粒的轉動,并且晶粒轉動方向與宏觀應力增加方向一致,這會使裂紋沿著垂直于拉伸方向擴展,即與頸縮方向一致,這是因為這個方向的截面積最小、應力最大,且裂紋擴展路徑最短;但如果裂紋源位于試樣表面,則會導致試樣在較短時間內斷裂而不發(fā)生頸縮,斷口形貌也隨機出現.在應變速率２００s－１下拉伸時,DP５９０鋼板在開始頸縮至斷裂時的真應變?yōu)椋埃埃?持續(xù)時間只有６．４５×１０－５s.由于變形極快,組織內部某些晶粒應力達到材料承受極限而無法通

過晶粒轉動和位錯滑移得到釋放,導致應力集中,使裂紋萌生并迅速擴展到表面,整個變形過程不會發(fā)生宏觀頸縮變形.理論上裂紋沿著局部微觀應力最大的方向擴展,與組織中鐵素體與馬氏體相的比例、晶粒度和分布有關,并且由于晶粒難以轉動,裂紋擴展所經歷的距離最短,斷口在宏觀上表現得較為平滑.

３ 結 論

(１)在不同應變速率下拉伸時,DP５９０鋼板和CR３４０LA 鋼板 的 真 應 力Ｇ真 應 變 曲 線 均 無 屈 服 平臺,屈服后真應力隨真應變的增加先快速增加,當真應變大于０．１０時其增加趨勢變緩;DP５９０鋼板的真應力隨應變速率增加先快速增加,當應變速率大于２００s－１時,其增加趨勢變緩;兩種試驗鋼板的均勻\伸長率均隨應變速率增加而降低.應變速率對屈服強度的影響略高于對抗拉強度的,并且 DP５９０鋼板的應變速率敏感性高于 CR３４０LA 鋼板的.

(２)DP５９０鋼板比 CR３４０LA 鋼板具有更高的硬化指數;兩種試驗鋼板的硬化指數在低應變速率下均增加到峰值后降低至穩(wěn)定值附近,而在高應變速率下增加到峰值后略微下降達到穩(wěn)定值.

（文章來源：材料與測試網-機械工程材料>2018年>8期> pp.18）