基于Hopkinson拉桿技術(shù)的QP980鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

黃明欣,王銘

（1.香港大學(xué)機(jī)械工程系，香港999077；2.香港大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057）

在汽車工業(yè)中，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是減輕車身重量和提高汽車碰撞安全性的關(guān)鍵材料。目前QP980鋼作為第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，兼具高強(qiáng)度和良好的塑性，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)并成為各大鋼鐵公司的研究熱點(diǎn)。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼常應(yīng)用于汽車安全構(gòu)件，而在汽車碰撞過程中安全構(gòu)件的應(yīng)變率可達(dá) 100～1000s-1［1］，因此了解 QP980鋼在此應(yīng)變速率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和變形機(jī)理可以幫助相關(guān)人員模擬汽車零件受到?jīng)_擊時(shí)的變形和失效模式，對(duì)汽車零部件的設(shè)計(jì)以及QP980鋼的推廣應(yīng)用具有重大意義。

Hopkinson拉桿是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載的主要實(shí)驗(yàn)裝置，一般用于研究材料在100～10000s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其測試原理在很多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)的介紹［2-4］，在此不做贅述。利用Hopkinson拉桿的中斷試驗(yàn)技術(shù)，可以在高應(yīng)變率下將材料拉伸到不同應(yīng)變量，從而得到動(dòng)態(tài)加載過程中微觀組織的演化規(guī)律，為研究變形機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

本文將主要介紹Hopkinson拉桿及其中斷試驗(yàn)技術(shù)在QP980鋼動(dòng)態(tài)測試中的一些應(yīng)用，包括高應(yīng)變率下材料力學(xué)性能測試，高應(yīng)變率下材料相變過程研究以及高應(yīng)變率下預(yù)應(yīng)變拉伸試驗(yàn)。

1 Hopkinson拉桿中斷試驗(yàn)技術(shù)

目前，在Hopkinson拉桿上實(shí)現(xiàn)中斷試驗(yàn)的方法可以總結(jié)為以下兩種。第一種是對(duì)試樣進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)并采用外部裝置來限制試樣的最終變形量。X.Yang等人［5］將圖1所示的雙肩雙槽試樣和中斷裝置與Hopkinson拉桿結(jié)合使用，根據(jù)目標(biāo)變形量調(diào)整試樣的可移動(dòng)肩部與中斷裝置之間的初始距離，測試過程中可移動(dòng)肩部會(huì)接觸到中斷裝置而停止移動(dòng)，此時(shí)兩個(gè)肩部之間的變形區(qū)不再伸長，隨后試樣從預(yù)制槽口處斷裂，使變形區(qū)的應(yīng)變量停留在目標(biāo)值并防止殘留在桿件中的應(yīng)力波對(duì)變形區(qū)的微觀組織進(jìn)行破壞。這種方法不需要對(duì)現(xiàn)有的Hopkinson拉桿裝置進(jìn)行任何改造，但試樣加工復(fù)雜，并且試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)回收的樣品不能進(jìn)行再次加載。

圖1 中斷機(jī)制示意圖 ［5］

第二種方法是改變Hopkinson拉桿裝置中撞擊桿的長度并應(yīng)用單脈沖加載技術(shù)。應(yīng)變是應(yīng)變率和試驗(yàn)時(shí)長的乘積，而撞擊桿的長度與試驗(yàn)時(shí)長成正相關(guān)關(guān)系，因此調(diào)整撞擊桿的長度可以在保證應(yīng)變率不變的情況下改變?cè)囼?yàn)時(shí)長，從而使試樣獲得同一應(yīng)變率下的不同應(yīng)變值。不同于第一種方法，此方法的試樣保持傳統(tǒng)的狗骨形設(shè)計(jì)，在達(dá)到目標(biāo)應(yīng)變值后仍與入射桿和透射桿相連接，為了避免其變形狀態(tài)和微觀組織遭到桿件內(nèi)殘留應(yīng)力波的破壞，需要使用單脈沖加載技術(shù)。S.Nemat-Nasser等［6］首次提出單脈沖加載技術(shù)的概念和基本原理，M.Isakov等［7］在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，降低了該技術(shù)的操作難度。改進(jìn)后的單脈沖加載技術(shù)原理如圖2所示，其中能量吸收桿1（以下簡稱“桿 1”）、能量吸收桿 2（以下簡稱“桿2”）與入射桿這三根桿之間沒有任何間隙。以試樣左側(cè)桿件為例，應(yīng)力波的產(chǎn)生與傳播將分為以下幾個(gè)階段：

（1）撞擊桿與入射桿法蘭盤發(fā)生高速碰撞，在入射桿內(nèi)產(chǎn)生拉伸波，在桿1內(nèi)產(chǎn)生壓縮波。

（2）入射桿的拉伸波向“入射桿-試樣”界面?zhèn)鬟f，準(zhǔn)備對(duì)試樣進(jìn)行加載，同時(shí)桿1的壓縮波傳遞到桿2中。

（3）入射桿拉伸波對(duì)試樣加載后，一部分以壓縮波的形式反射回入射桿，向著“入射桿-桿1”界面?zhèn)鬟f。在此過程中，桿2中的壓縮波到達(dá)桿端后以拉伸波形式反射回到“桿2-桿1”界面。由于“桿2-桿1”界面只能傳遞壓縮波，無法傳遞拉伸波，此時(shí)桿2會(huì)與桿1分離且桿2的應(yīng)力波不會(huì)再傳遞到桿1中。

（4）入射桿的壓縮波到達(dá)“入射桿-桿1”界面并傳遞到桿1中。

（5）桿1的壓縮波到達(dá)桿1端部，而桿2已經(jīng)與桿1分離，所以此壓縮波會(huì)以拉伸波的形式反射回桿1。

（6）桿1的拉伸波到達(dá)“桿1-入射桿”界面，與階段（3）的分析相似，桿1會(huì)與入射桿分離，且沒有應(yīng)力波會(huì)再傳遞到入射桿中。

試樣右側(cè)桿件的應(yīng)力波可參考以上階段進(jìn)行分析。由上述分析可知，單脈沖加載技術(shù)可使試樣僅受第一個(gè)拉伸波的加載作用，殘留的應(yīng)力波會(huì)被能量吸收桿完全捕捉，不再傳遞到試樣中。

與第一種方法相比，第二種方法采用的試樣形狀簡單，且試驗(yàn)結(jié)束后可再次對(duì)回收的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。因此，本文將采取第二種方法對(duì)QP980鋼進(jìn)行高應(yīng)變率下的中斷拉伸試驗(yàn)。

圖2 改進(jìn)后的單脈沖加載技術(shù)原理 ［7］

2 試驗(yàn)材料方法

試驗(yàn)材料選用寶鋼集團(tuán)提供的QP980鋼。用Zeiss Sigma 300掃描電鏡對(duì)QP980的在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行0.001s-1準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸為25 mm×6 mm×1.6 mm。在Hopkinson拉桿上進(jìn)行800s-1高應(yīng)變率拉伸試驗(yàn)，試樣和桿件之間用高強(qiáng)度膠水粘接，試樣尺寸為10 mm×4 mm×1.6 mm。用日本理學(xué)X射線衍射儀（Rigaku XRD）對(duì)試樣進(jìn)行X射線掃描并測定殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 QP980鋼的微觀組織

對(duì)QP980鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示，試樣微觀組織主要由鐵素體（F）、馬氏體（M）和殘余奧氏體（RA）組成。

圖3 QP980鋼微觀組織

3.2 高應(yīng)變率下QP980鋼的力學(xué)性能

QP980鋼在0.001s-1和800s-1下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。與準(zhǔn)靜態(tài)（0.001s-1）相比，在800s-1下試樣屈服強(qiáng)度從682MPa顯著提高到848MPa，均勻延伸率則從16.5%急劇下降到8.3%。

3.3 高應(yīng)變率下QP980鋼的相變過程

通過Hopkinson拉桿中斷試驗(yàn)技術(shù)，在800s-1下分別將樣品拉伸到6.1%、7.7%以及9.7%的應(yīng)變量，其中斷拉伸曲線如圖5所示，中斷拉伸曲線基本都與拉伸至失效的試驗(yàn)曲線吻合。

圖4 QP980鋼在兩種應(yīng)變率下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 QP980鋼800 s-1下的中斷拉伸曲線

對(duì)0.001 s-1和800 s-1兩種應(yīng)變率下不同應(yīng)變量的樣品進(jìn)行了殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)的測定，結(jié)果如圖6所示。QP980鋼在發(fā)生塑性變形的過程中，殘余奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，導(dǎo)致相變誘發(fā)塑性效應(yīng)（TRIP效應(yīng)）［8］，從而影響鋼材的力學(xué)性能。由圖6可見，800 s-1下馬氏體相變的速度比準(zhǔn)靜態(tài)下快，約90%的殘余奧氏體在應(yīng)變量為0.06時(shí)已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變。準(zhǔn)靜態(tài)下QP980鋼的殘余奧氏體則相對(duì)穩(wěn)定，馬氏體相變持續(xù)的時(shí)間更長，直到應(yīng)變達(dá)到0.12時(shí)殘余奧氏體才完成轉(zhuǎn)變。

圖6 QP980鋼兩種應(yīng)變率下的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)

結(jié)合QP980鋼在兩個(gè)應(yīng)變率下的相變過程和圖4中的力學(xué)性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)均勻延伸率之前800s-1下材料的流變應(yīng)力更大，為馬氏體相變提供了更高的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，使得馬氏體相變更容易發(fā)生。另一方面，0.001s-1和800 s-1下QP980鋼的均勻延伸率分別為0.165和0.083，而對(duì)應(yīng)殘余奧氏體完成轉(zhuǎn)變的應(yīng)變量分別為0.12和0.077，說明當(dāng)殘余奧氏體完全轉(zhuǎn)變成馬氏體后不久，材料就會(huì)進(jìn)入頸縮階段，因此，持久的馬氏體相變可以抑制頸縮現(xiàn)象的發(fā)生，提高材料的均勻延伸率。

3.4 高應(yīng)變率下QP980鋼的預(yù)應(yīng)變拉伸試驗(yàn)

在800 s-1下將QP980鋼試樣拉伸至5%工程應(yīng)變，卸載回收樣品后，保持應(yīng)變率不變對(duì)樣品再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，直至工程應(yīng)變達(dá)到10%，預(yù)變形樣品的拉伸曲線如圖7所示。

圖7 QP980鋼 800s-1下的預(yù)變形拉伸曲線

與預(yù)變形為0的試樣在應(yīng)變量達(dá)到5%（以下簡稱“狀態(tài)一”）之后的拉伸曲線相比，預(yù)應(yīng)變5%的樣品再次加載初期（以下簡稱“狀態(tài)二”）流變應(yīng)力提高了約237 MPa，并提前發(fā)生了頸縮現(xiàn)象。狀態(tài)一與狀態(tài)二的微觀組織并無不同，加載的應(yīng)變率沒有發(fā)生變化，但狀態(tài)一保留了塑性變形做功引起的絕熱溫升，狀態(tài)二則是處于室溫環(huán)境。兩者之間流變應(yīng)力的不同有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種改進(jìn)后的Hopkinson拉桿中斷試驗(yàn)技術(shù)，并將其應(yīng)用到QP980鋼的動(dòng)態(tài)性能的研究中，得到以下結(jié)論：

（1）與 0.001 s-1相比，QP980鋼800 s-1下的屈服強(qiáng)度由682 MPa提高到了848 MPa，同時(shí)均勻變形前的流變應(yīng)力也有顯著提升，為馬氏體相變提供了更多的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，加快了馬氏體相變的速率。

（2）與0.001 s-1相比，QP980鋼800 s-1下約90%的殘余奧氏體在應(yīng)變量到達(dá)6%之前已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，導(dǎo)致頸縮提前發(fā)生，材料的均勻延伸率由16.5%下降到了8.3%。

（3）800 s-1下動(dòng)態(tài)預(yù)變形的QP980鋼再次受到動(dòng)態(tài)加載時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出更高的流變應(yīng)力，應(yīng)力值提高了約237 MPa。