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(yīng)變速率為０．００３s－１(準(zhǔn)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(yīng)變速率敏感性和動態(tài)斷裂行為.結(jié)果表明:兩種試驗鋼板的動態(tài)真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線均無屈服平臺,屈服后真應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加先快速增大后緩慢增大;應(yīng)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(yīng)變速率敏感性和硬化指數(shù)均高于 CR３４０LA 鋼板的;兩種試驗鋼板的均勻伸長率均隨應(yīng)變速率的增加而降低;隨應(yīng)變速率的增加,DP５９０ 鋼 板 中 的 位 錯 密 度 增 加,當(dāng) 應(yīng) 變 速 率 不 小 于２００s－１時出現(xiàn)位錯胞;DP５９０鋼板在準(zhǔn)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(yīng)變速率的增加,拉伸斷口上的 C形韌窩數(shù)量減少,等軸狀韌窩數(shù)量增加.

關(guān)鍵詞:動態(tài)拉伸;應(yīng)變速率;高強汽車鋼板;變形行為

中圖分類號:TG１４２ 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)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(yīng)用[１].汽車設(shè)計工程師通過減小板厚和優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低車的自重,再通過合理的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高汽車的安全性能[２].汽車的輕量化設(shè)計和碰撞安全設(shè)計依賴于準(zhǔn)確的材料基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)[３Ｇ４],包括靜態(tài)力學(xué)性能、基礎(chǔ)成形性能和動態(tài)力學(xué)性能等.靜態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)可用于結(jié)構(gòu)強度校核、剛度和模態(tài)的計算,基礎(chǔ)成形性能數(shù)據(jù)可以用于指導(dǎo)材料的制造加工工藝,動態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)則被用于材料碰撞安全性能設(shè)計等.目前,有關(guān)高強度汽車鋼板靜態(tài)屈服強度、抗拉強度、硬化指數(shù)、伸長率等力學(xué)性能及參數(shù)的測試與研究比較充分,能夠為結(jié)構(gòu)強度、剛度和模態(tài)的計算提供 詳 實 而 準(zhǔn) 確 的 數(shù) 據(jù),但 是 有 關(guān) 其 動 態(tài)力學(xué)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(xué) 性 能 測 試 設(shè) 備 比 較 昂 貴,測 試 費用高;另一方 面 是 因 為 動 態(tài) 力 學(xué) 性 能 數(shù) 據(jù) 需 要 經(jīng)過專業(yè)的處理才能真實地反映材料的動態(tài)力學(xué)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(xué) 性 能 不 能 替 代 動 態(tài) 力 學(xué) 性 能而用于碰撞安全性能的計算.為了在汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)變速率下的應(yīng)變和應(yīng)力響應(yīng)特性、硬化和斷裂特性進行研究,從而得 到 高 應(yīng) 變 速 率 下 的 性 能 數(shù) 據(jù) 和 失 效 行 為.

DP５９０、CR３４０LA 鋼是目前應(yīng)用最廣泛的汽車高強鋼,二者的力學(xué)性能較為接近.為了給汽車結(jié)構(gòu)件的安全設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),作者對這兩種鋼板的動態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)、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(chǎn)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(xué)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(yīng) 變 速 率 分 別 為０．００３s－１(準(zhǔn)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(jīng)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(jié)果與討論

２．１ 動態(tài)拉伸性能

試驗測得的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線含有設(shè)備系統(tǒng)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(dá)式為

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

利用式(１)對試驗測得的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)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(yīng)變速率下的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線都沒有出現(xiàn)屈服平臺,屈服后試驗鋼板的真應(yīng)力先隨真應(yīng)變的增加快速增大,當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到０．１０左右時真應(yīng)力增大的趨勢有所減緩;當(dāng)真應(yīng)變由０．０２增至１．００時,DP５９０鋼板和 CR３４０LA 鋼板在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸過程中的真應(yīng)力分別增加了５７４,２７６ MPa,在應(yīng)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(yīng)變速率敏感性高于CR３４０LA鋼板的.試驗鋼板在準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)拉伸過程中的真應(yīng)力隨真應(yīng)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(zhì)變化.

由表２ 可知:當(dāng)應(yīng)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(yīng)變?yōu)椋埃埃矔r的應(yīng)力)分別增加了１８９,１８６MPa,抗拉強度(真應(yīng)變?nèi)【鶆蛏扉L率)分別增加了１４９,１３９MPa.由此可見,應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致顯著的應(yīng)變強化[１０],而在塑性變形后期(真應(yīng)變大于０．１０),溫度效應(yīng)[１１]削弱了應(yīng)變速率對抗拉強度的影響.在圖３的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線上取點,繪制得到DP５９０鋼板在不同真應(yīng)變下的真應(yīng)力Ｇ應(yīng)變速率曲線.由圖４可以看出:隨著應(yīng)變速率的增加,DP５９０鋼板的真應(yīng)力先快速增大,當(dāng)應(yīng)變速率大于２００s－１后,增大趨勢變緩;在不同真應(yīng)變下,應(yīng)變速率對真應(yīng)力的影響程度幾乎相同.

由圖５可以看出:在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時,DP５９０ 鋼板與 CR３４０LA 鋼板的均勻伸長率相當(dāng);隨著應(yīng)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(yīng)變速率小于４００s－１時低于CR３４０LA鋼板的,在應(yīng)變速率大于等于４００s－１時高于 CR３４０LA 鋼板的.

結(jié)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(yīng)力隨真應(yīng)變增加得更快,因此在應(yīng)變速率小于４００s－１時,DP５９０鋼板的均勻伸長率降低得更多.但當(dāng)應(yīng)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(yīng)對均勻伸長率產(chǎn)生顯著的影響;同時 DP５９０鋼板特殊的軟質(zhì)相鐵素體＋硬質(zhì)相馬氏體組織能有效改善均勻伸長率.在溫升效應(yīng)和 顯 微 組 織 的 綜 合 作 用 下,當(dāng) 應(yīng) 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(yīng)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(yīng)力隨真應(yīng)變的變化規(guī)律,研究了硬化指數(shù)隨真應(yīng)變的變化規(guī)律.假定應(yīng)變速率一定,應(yīng)變速率敏感系數(shù)為定值,則式(１)可以變換為式(２)兩邊取對數(shù),可得

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

CR３４０LA 鋼板中的鐵素體晶粒比 DP５９０鋼板中的細(xì)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(zhì)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(chǎn)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(yīng)變速率拉伸過程中,CR３４０LA 鋼板的硬化指數(shù)都低于 DP５９０鋼板的,且硬化指數(shù)隨真應(yīng)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(yīng)變速率為０．００３s－１(即準(zhǔn)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(chǎn)生;在應(yīng)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(chǎn)生.

由圖８可以看出,在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時,當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到０．２２時DP５９０鋼板的真應(yīng)力達(dá)到最大,隨后隨真

應(yīng)變的增加真應(yīng)力降低,DP５９０鋼板發(fā)生頸縮直至斷裂.將真應(yīng)力下降到抗拉強度的２/３時視為試樣斷裂,則在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時,DP５９０ 鋼板斷裂時的真應(yīng)變?yōu)椋埃玻?頸縮應(yīng)變量為０．０５.結(jié)合圖７(b)和圖８分析可知:在應(yīng)變速率為２００s－１ 下,當(dāng)真應(yīng)變不大于０．１２時,DP５９０鋼板幾乎沒有出現(xiàn)斷裂前的失穩(wěn)現(xiàn)象,整個變形區(qū)內(nèi)發(fā)生均勻的變形;當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到０．１８時,DP５９０鋼板沿著與拉伸方向成６０°角的方向開裂,當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到０．２１時斷裂,頸縮應(yīng)變量為０．０３.可見 DP５９０鋼板在動態(tài)變形時的頸縮應(yīng)變量小于在準(zhǔn)靜態(tài)變形時的.準(zhǔn)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(yīng)變達(dá)到０．０５的持續(xù)時間較長,為７．０６s.依據(jù)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(zhuǎn)動,并且晶粒轉(zhuǎn)動方向與宏觀應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致試樣在較短時間內(nèi)斷裂而不發(fā)生頸縮,斷口形貌也隨機出現(xiàn).在應(yīng)變速率２００s－１下拉伸時,DP５９０鋼板在開始頸縮至斷裂時的真應(yīng)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(nèi)部某些晶粒應(yīng)力達(dá)到材料承受極限而無法通

過晶粒轉(zhuǎn)動和位錯滑移得到釋放,導(dǎo)致應(yīng)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(yīng)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(guān),并且由于晶粒難以轉(zhuǎn)動,裂紋擴展所經(jīng)歷的距離最短,斷口在宏觀上表現(xiàn)得較為平滑.

３ 結(jié) 論

(１)在不同應(yīng)變速率下拉伸時,DP５９０鋼板和CR３４０LA 鋼板 的 真 應(yīng) 力Ｇ真 應(yīng) 變 曲 線 均 無 屈 服 平臺,屈服后真應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加先快速增加,當(dāng)真應(yīng)變大于０．１０時其增加趨勢變緩;DP５９０鋼板的真應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加先快速增加,當(dāng)應(yīng)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(yīng)變速率增加而降低.應(yīng)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(yīng)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(shù);兩種試驗鋼板的硬化指數(shù)在低應(yīng)變速率下均增加到峰值后降低至穩(wěn)定值附近,而在高應(yīng)變速率下增加到峰值后略微下降達(dá)到穩(wěn)定值.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料>2018年>8期> pp.18）