應變速率對HC340LA低合金高強度鋼板拉伸性能的影響

苑文婧，劉曉航，田浩彬，魯成偉

（1.上海第二工業大學工學部，上海201209；2.上海匯眾汽車制造有限公司，上海200122）

0 引 言

低合金高強度鋼是一種汽車用普通高強度鋼，又稱沉淀強化鋼，目前以熱軋為主，多用于汽車車體結構件，所用板材厚度為0.8～2.5mm。許多高強度鋼構件是汽車承受碰撞、保證安全的重要部件，因此高強鋼在高應變速率下的特性是其重要性能之一。目前，國內外對于高強鋼在高應變速率下的研究較多，但這些研究中涉及的試驗方法和設備不統一，數據處理方法也不相同，導致汽車整車碰撞有限元分析結果與試驗結果存在差距［1］。

文獻［2］研究了雙相鋼和TRIP鋼在不同高應變速率下的力學性能，高應變速率試驗設備采用的是液壓伺服系統及霍普金森桿，并對兩種方法獲得的試驗結果進行了對比。文獻［3］重點分析了合金元素、冶煉方法及熱處理工藝對低合金高強度鋼板強韌性的影響。文獻［4］針對HC420LA低合金高強度鋼板，研究了應變時效對其屈服強度和應變硬化率的影響，發現2%的預應變可以提高HC420LA低合金高強度鋼板的屈服強度。文獻［5］研究了預應變和應變速率對HC340LA低合金高強度鋼板力學性能的影響，發現HC340LA高強鋼對預應變和應變速率敏感，流變應力隨著預應變量和應變速率的提高而增大。文獻［6-7］研究了加載速度對40Cr和30CrMnSiNi2A高強鋼動態斷裂韌性的影響，發現動態斷裂韌性均隨加載速度的增加呈上升趨勢。文獻［8］針對船體用10MnNiCrMoV鋼，分析了準靜態和動態拉伸狀態下抗拉強度、伸長率及組織的變化情況。

隨著對汽車安全性要求的不斷提高，高強鋼板的應用不斷擴大。按照一般規律，隨著應變速率的增加，鋼鐵材料的抗拉強度增加，總伸長率降低。但是對于不同批次的鋼板，不一定適用該規律，為此，作者針對某車型結構件所用的HC340LA低合金高強度鋼板，研究四種應變速率下該鋼板拉伸性能的差異，并觀察了高應變速率下顯微組織和斷口形貌。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為寶山鋼鐵股份有限公司生產的冷軋低合金高強度鋼板，歐標牌號是HC340LA，板料厚度為2mm。其化學成分（質量分數／%）為：0.066C，0.82Mn，0.021P，0.003S，0.027Nb，余 Fe。參照GB／T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》加工拉伸試樣，拉伸試樣采用定標距試樣，由于高速拉伸時試樣夾持部分容易出現打滑現象，因此左側預留高速拉伸機夾持部分，尺寸見圖1。拉伸試驗在INSTRON 3382型電子萬能試驗機上進行，并使用激光引伸計和壓電傳感器測應變和拉伸力，拉伸時選擇一種準靜態（應變速率為10-3）和三種高應變速率（應變速率分別5，50，200s-1）。采用的試驗方法是美系、德系和日系汽車企業內部均認可的，并且已經成功用于某車型汽車碰撞的分析與實驗中。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

在拉伸試樣標距內斷口附近線切割制備了多個10mm×10mm的金相試樣，磨平、拋光后，用體積分數5%硝酸酒精溶液腐蝕，然后在NIKON ESLIPSELV150L型光學顯微鏡下觀察其顯微組織。并采用HITACHI S-4800型掃描電鏡，觀察高速拉伸試樣的斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 應變速率對拉伸性能的影響

圖2 不同應變速率下HC340LA鋼的工程應力-應變曲線Fig.2 Engineering stress-strain curves of HC340LA steel at different strain rates

表1 不同應變速率下HC340LA鋼的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of HC340LA steel at different strain rates

2.2 應變速率對顯微組織和斷口形貌的影響

因試驗條件限制，只得到了應變速率為50s-1和200s-1時的金相試樣。由圖3可見，HC340LA低合金高強度鋼板在應變速率為50s-1和200s-1拉伸后的顯微組織均為鐵素體和珠光體，白色組織為鐵素體，灰黑色組織為珠光體；應變速率對晶粒尺寸有顯著的影響，隨著應變速率的增加，大部分鐵素體的晶粒尺寸減小，分布更加不均勻，同時晶界增多，因此塑性、強度降低，與拉伸試驗結果一致，即應變速率從5s-1增加到200s-1過程中，材料的伸長率降低，抗拉強度降低。

圖3 應變速率為50s-1和200s-1時HC340LA鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of HC340LA steel at strain rates of 50s-1and 200s-1

圖4 應變速率為50s-1和200s-1時HC340LA鋼的斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of HC340LA steel at strain rate of 50s-1and 200s-1

由圖4可見，在兩種應變速率下，HC340LA鋼斷口均呈現明顯的正交韌窩，服從韌性斷裂準則。同時對比兩種應變速率下的斷口形貌發現，應變速率為50s-1的試樣斷口中韌窩尺寸大而深，分布更加均勻。一般認為，韌窩尺寸越大越均勻，說明材料的塑性越好［9］。

3 結 論

（1）與準靜態拉伸試驗結果相比，在高應變速率下HC340LA低合金高強度鋼板的塑性更好、伸長率和屈強比更高；而在高速拉伸時隨著應變速率的增加，其伸長率和抗拉強度略有降低。

（2）高應變速率下，隨著應變速率的增加，鐵素體的晶粒尺寸減小，分布更加不均勻，同時晶界增多，因此伸長率和抗拉強度隨之降低；試驗鋼板服從韌性斷裂準則，應變速率為50s-1的拉伸試樣斷口中韌窩尺寸大而深，分布更均勻，塑性好于應變速率為200s-1時的。

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