汽車用高強(qiáng)度鋼板的動(dòng)態(tài)變形行為

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(河鋼集團(tuán)鋼研總院，石家莊 050000)

0 引 言

近年來，因汽車輕量化和安全設(shè)計(jì)的要求，雙相(DP)鋼、高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼等高強(qiáng)度鋼板得到了廣泛應(yīng)用[1]。汽車設(shè)計(jì)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(jì)來提高汽車的安全性能[2]。汽車的輕量化設(shè)計(jì)和碰撞安全設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確的材料基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)[3-4]，包括靜態(tài)力學(xué)性能、基礎(chǔ)成形性能和動(dòng)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(qiáng)度校核、剛度和模態(tài)的計(jì)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(dòng)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(jì)等。

目前，有關(guān)高強(qiáng)度汽車鋼板靜態(tài)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬化指數(shù)、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能及參數(shù)的測(cè)試與研究比較充分，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)的計(jì)算提供詳實(shí)而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是有關(guān)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試與研究相對(duì)較少[5-6]。這一方面是因?yàn)閯?dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備比較昂貴，測(cè)試費(fèi)用高；另一方面是因?yàn)閯?dòng)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(shí)地反映材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)屬性。而高強(qiáng)度鋼板在高速變形過程中的強(qiáng)度變化和塑性變形機(jī)制與靜態(tài)拉伸時(shí)的并不完全相同[7]，因此靜態(tài)力學(xué)性能不能替代動(dòng)態(tài)力學(xué)性能而用于碰撞安全性能的計(jì)算。

為了在汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行合理選材并提高汽車安全性能，需要對(duì)高強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作者對(duì)這兩種鋼板的動(dòng)態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)、動(dòng)態(tài)加工硬化特征和動(dòng)態(tài)斷裂行為等進(jìn)行了研究。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為河鋼集團(tuán)生產(chǎn)的連續(xù)退火高強(qiáng)度鋼板，牌號(hào)分別為DP590和CR340LA，厚度均為1.2 mm，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。

表1 兩種試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of two tested steel sheets (mass) %

圖1 兩種試驗(yàn)鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructures of two tested steel sheets: (a) DP590 steel sheet and (b) CR340LA steel sheet

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

將試驗(yàn)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(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率分別為0.003 s-1(準(zhǔn)靜態(tài))和20，50，100，200，400，700 s-1(動(dòng)態(tài))。利用ULTRA 55型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。在DP590鋼板的動(dòng)態(tài)拉伸試樣斷口上取樣，經(jīng)打磨、離子減薄后，在Tecnai F30型透射電鏡(TEM)上觀察微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)拉伸性能

試驗(yàn)測(cè)得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線含有設(shè)備系統(tǒng)性誤差，須進(jìn)行傅里葉降噪或?yàn)V波處理，并采用Johnson-Cook模型[8-9]進(jìn)行擬合，Johnson-Cook模型表達(dá)式為

(1)

利用式(1)對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合并外延，如圖3所示。由圖3可以看出：兩種試驗(yàn)鋼板在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線都沒有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，屈服后試驗(yàn)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(shí)真應(yīng)力增大的趨勢(shì)有所減緩；當(dāng)真應(yīng)變由0.02增至1.00時(shí)，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700 s-1的動(dòng)態(tài)拉伸過程中分別增加了570，274 MPa，可見DP590鋼板的應(yīng)變速率敏感性高于CR340LA鋼板的。試驗(yàn)鋼板在準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)拉伸過程中的真應(yīng)力隨真應(yīng)變的變化趨勢(shì)一致，表明動(dòng)態(tài)拉伸過程中的塑性變形機(jī)制沒有發(fā)生本質(zhì)變化。

圖3 在不同應(yīng)變速率下拉伸時(shí)DP590鋼板和CR340LA鋼板的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(擬合并外延后)Fig.3 Ture stress-true strain curves (after fitting and extension) of DP590 steel sheet (a) and CR340LA steel sheet (b) at different strain rates

由表2可知：當(dāng)應(yīng)變速率從0.003 s-1增加到700 s-1時(shí)，DP590鋼板和CR340LA鋼板的屈服強(qiáng)度(真應(yīng)變?yōu)?.02時(shí)的應(yīng)力)分別增加了189，186 MPa，抗拉強(qiáng)度(真應(yīng)變?nèi)【鶆蛏扉L(zhǎng)率)分別增加了149，139 MPa。由此可見，應(yīng)變速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響略高于對(duì)抗拉強(qiáng)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?yàn)樵谒苄宰冃纬跗?真應(yīng)變?yōu)?.02～0.10)，強(qiáng)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(qiáng)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(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。

表2 DP590鋼板和CR340LA鋼板在不同應(yīng)變速率下的拉伸性能Table 2 Tensile properties of DP590 steel sheet and CR340LAsteel sheet at different strain rates

在圖3的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上取點(diǎn)，繪制得到DP590鋼板在不同真應(yīng)變下的真應(yīng)力-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200 s-1后，增大趨勢(shì)變緩；在不同真應(yīng)變下，應(yīng)變速率對(duì)真應(yīng)力的影響程度幾乎相同。

圖4 DP590鋼板在不同真應(yīng)變下的真應(yīng)力-應(yīng)變速率曲線Fig.4 True stress-strain rate curves of DP590 steel sheet at differenttrue strains

圖5 兩種試驗(yàn)鋼板的均勻伸長(zhǎng)率-應(yīng)變速率曲線Fig.5 Uniform elongation-strain rate curves of two tested steel sheets

由圖5可以看出：在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)，DP590鋼板與CR340LA鋼板的均勻伸長(zhǎng)率相當(dāng)；隨著應(yīng)變速率的增加，兩種試驗(yàn)鋼板的均勻伸長(zhǎng)率均降低；DP590鋼板的均勻伸長(zhǎng)率在應(yīng)變速率小于400 s-1時(shí)低于CR340LA鋼板的，在應(yīng)變速率大于等于400 s-1時(shí)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(cuò)更容易啟動(dòng)和增殖，真應(yīng)力隨真應(yīng)變?cè)黾拥酶欤虼嗽趹?yīng)變速率小于400 s-1時(shí)，DP590鋼板的均勻伸長(zhǎng)率降低得更多。但當(dāng)應(yīng)變速率增至400 s-1及以上時(shí)，在變形過程中試驗(yàn)鋼板幾乎處于絕熱狀態(tài)，溫升效應(yīng)對(duì)均勻伸長(zhǎng)率產(chǎn)生顯著的影響；同時(shí)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(zhǎng)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400 s-1時(shí)DP590鋼板的均勻伸長(zhǎng)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(jìn)一步明確動(dòng)態(tài)拉伸變形過程中試驗(yàn)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

(2)

式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，可得

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200 s-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200 s-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(yàn)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(shì)。

圖6 在不同應(yīng)變速率下兩種試驗(yàn)鋼板的硬化指數(shù)隨真應(yīng)變的變化曲線Fig.6 Curves of hardening coefficient vs true strain of two tested steel sheets at different strain rates:(a) DP590 steel sheet and (b) CR340LA steel sheet

綜上可知：不同變形階段試驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)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(cuò)塞積而降低位錯(cuò)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(cuò)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(dòng)態(tài)斷裂行為

由圖7可以看出：在應(yīng)變速率為0.003 s-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200 s-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(shí)，當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到0.22時(shí)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(qiáng)度的2/3時(shí)視為試樣斷裂，則在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)，DP590鋼板斷裂時(shí)的真應(yīng)變?yōu)?.27，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200 s-1下，當(dāng)真應(yīng)變不大于0.12時(shí)，DP590鋼板幾乎沒有出現(xiàn)斷裂前的失穩(wěn)現(xiàn)象，整個(gè)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(shí)，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(shí)斷裂，頸縮應(yīng)變量為0.03。可見DP590鋼板在動(dòng)態(tài)變形時(shí)的頸縮應(yīng)變量小于在準(zhǔn)靜態(tài)變形時(shí)的。

圖9 不同應(yīng)變速率拉伸斷裂后DP590鋼板的TEM形貌Fig.9 TEM micrographs of DP590 steel sheet after stretching to fracture at different strain rates

圖7 在應(yīng)變速率0.003 s-1下拉伸斷裂后及在應(yīng)變速率200 s-1下拉伸至斷裂過程中DP590鋼板試樣的外觀Fig.7 Appearances of DP590 steel sheet samples after stretching to fracture at strain rate of 0.003 s-1 (a) and during stretching to fracture at strain rate of 200 s-1 (b)

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)，DP590鋼板的變形速率較小，在塑性變形時(shí)組織中的位錯(cuò)有充分時(shí)間沿著滑移帶滑移而貫穿整個(gè)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(shí)間較長(zhǎng)，為7.06 s。依據(jù)金屬塑性變形原理[12]，開始頸縮至斷裂過程會(huì)伴隨晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)方向與宏觀應(yīng)力增加方向一致，這會(huì)使裂紋沿著垂直于拉伸方向擴(kuò)展，即與頸縮方向一致，這是因?yàn)檫@個(gè)方向的截面積最小、應(yīng)力最大，且裂紋擴(kuò)展路徑最短；但如果裂紋源位于試樣表面，則會(huì)導(dǎo)致試樣在較短時(shí)間內(nèi)斷裂而不發(fā)生頸縮，斷口形貌也隨機(jī)出現(xiàn)。在應(yīng)變速率200 s-1下拉伸時(shí)，DP590鋼板在開始頸縮至斷裂時(shí)的真應(yīng)變?yōu)?.03，持續(xù)時(shí)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(dòng)和位錯(cuò)滑移得到釋放，導(dǎo)致應(yīng)力集中，使裂紋萌生并迅速擴(kuò)展到表面，整個(gè)變形過程不會(huì)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(kuò)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(dòng)，裂紋擴(kuò)展所經(jīng)歷的距離最短，斷口在宏觀上表現(xiàn)得較為平滑。

由圖9可以看出：在不同應(yīng)變速率下拉伸斷裂后，DP590鋼板組織中形成了大量位錯(cuò)，且位錯(cuò)幾乎都分布于鐵素體(F)晶內(nèi)或晶界，以及鐵素體與馬氏體(M)相界上；隨著應(yīng)變速率的增大，DP590鋼板中的位錯(cuò)密度增加，當(dāng)應(yīng)變速率增大到200 s-1時(shí)形成位錯(cuò)胞，位錯(cuò)胞主要位于鐵素體晶內(nèi)；在不同應(yīng)變速率下拉伸斷裂后，DP590鋼板中均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的織構(gòu)，即沒有發(fā)生晶粒沿著拉伸方向偏轉(zhuǎn)的情況，表明在高速變形時(shí)晶粒的變形協(xié)調(diào)行為比較單一；當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到700 s-1時(shí)，可觀察到破碎的馬氏體晶粒，說明組織內(nèi)部的應(yīng)力集中程度非常高。

隨應(yīng)變速率的增加，變形時(shí)間縮短，試驗(yàn)鋼板中的位錯(cuò)密度顯著增加；單位時(shí)間內(nèi)爆發(fā)的位錯(cuò)越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到的阻力越大[7]，強(qiáng)化效應(yīng)越明顯。這在一定程度上解釋了應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制。當(dāng)應(yīng)變速率增加到200 s-1及以上時(shí)，位錯(cuò)胞的形成可以產(chǎn)生一定的應(yīng)力釋放，從而協(xié)調(diào)變形過程，因此高速變形時(shí)試驗(yàn)鋼板的均勻伸長(zhǎng)率有所降低，但仍較高，且為非線性下降；此時(shí)試驗(yàn)鋼板的性能變化主要受溫升的影響。因此，在抗拉強(qiáng)度接近于900 MPa時(shí)其均勻伸長(zhǎng)率仍較高(不低于0.163)[13]。

當(dāng)應(yīng)變速率不小于200 s-1時(shí)，DP590鋼板的組織中形成了大量的位錯(cuò)胞，降低了整體能量而產(chǎn)生塑性松弛[14]，同時(shí)形變累積導(dǎo)致溫升而發(fā)生軟化[15]，這是在高應(yīng)變速率拉伸后DP590鋼板雖然有較高的位錯(cuò)密度，但是硬化指數(shù)峰值仍然較小的原因。當(dāng)應(yīng)變速率小于200 s-1時(shí)，在鐵素體晶內(nèi)以及其與馬氏體相界上形成了大量位錯(cuò)，位錯(cuò)主要以在晶粒附近塞積的形式存在，沒有形成位錯(cuò)胞，此時(shí)位錯(cuò)的硬化機(jī)制占主導(dǎo)，使得在較低應(yīng)變速率拉伸時(shí)的硬化指數(shù)峰值較小。

由圖10可以看出：動(dòng)態(tài)拉伸后DP590鋼的拉伸斷口均由大量韌窩組成，呈韌性斷裂；當(dāng)應(yīng)變速率為50 s-1時(shí)，韌窩拉長(zhǎng)呈C形且分布均勻；應(yīng)變速率為100 s-1時(shí)，小韌窩呈C形，部分韌窩呈等軸狀；當(dāng)應(yīng)變速率為400，700 s-1時(shí)，韌窩分布不均勻，少量韌窩呈C形，等軸狀韌窩增多，斷口部分區(qū)域呈解理斷裂形貌。

圖10 在不同應(yīng)變速率下DP590鋼板的拉伸斷口SEM形貌Fig.10 SEM micrographs showing tensile fracture of DP590 steel sheet at different strain rates

3 結(jié) 論

(1) 在不同應(yīng)變速率下拉伸時(shí)，DP590鋼板和CR340LA鋼板的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均無屈服平臺(tái)，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(shí)其增加趨勢(shì)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200 s-1時(shí)，其增加趨勢(shì)變緩；兩種試驗(yàn)鋼板的均勻伸長(zhǎng)率均隨應(yīng)變速率增加而降低。應(yīng)變速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響略高于對(duì)抗拉強(qiáng)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(yàn)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。

(3) 兩種試驗(yàn)鋼在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸時(shí)均發(fā)生了明顯的頸縮，而在動(dòng)態(tài)(高應(yīng)變速率)拉伸時(shí)未發(fā)生頸縮；DP590鋼板組織中的位錯(cuò)密度隨應(yīng)變速率的增加而增大，在應(yīng)變速率不小于200 s-1下形成的位錯(cuò)胞提高了高速變形時(shí)的塑性；隨著應(yīng)變速率的增加，DP590鋼板拉伸斷口上的韌窩分布變得不均勻，C形韌窩數(shù)量減少，等軸狀韌窩數(shù)量增加。