馬氏體鋼MS1180在高應變速率下的力學性能

供稿|楊天一，王禹，王煥

內容導讀

汽車在輕量化的同時需要保證安全性能，對材料的動態力學性能進行研究與表征，對汽車車身設計及選材具有很重要的指導意義。本文使用高速拉伸試驗機對本鋼馬氏體鋼MS1180進行高應變速率拉伸測試，研究了材料應力與應變速率的關系，通過對比分析不同動態本構模型對材料應變率效應和塑性硬化行為的影響，確認了加權組合方式的Swift-Hockett/Sherby模型在描述材料動態力學性能方面的靈活性和準確性。

節能、安全與環保是汽車工業目前發展的主要方向，汽車在輕量化的同時需要安全性能得到保證。高強鋼材料具有經濟適用的特點，通常被應用在汽車結構件的設計中。這就要求在設計階段對零部件材料的高速力學性能數據進行統計，模擬出汽車在碰撞過程中的吸能情況。因此對材料的動態力學性能進行研究與表征，對車身設計及選材都具有很重要的指導意義。動態載荷下的材料表征，尤其是中高應變速率下材料力學行為測試與模擬是行業研發和應用的難點[1]。國內外許多學者都對高強鋼動態力學性能及相關實驗方法開展了大量的研究工作，如Thompson等對DDQ、DP600、HSLA350這3種材料進行了多種應變速率下的拉伸實驗，采用Johnson-Cook等模型進行了參數擬合與仿真探究[2]。

本文以本鋼生產的馬氏體鋼MS1180為研究對象，對材料進行高速拉伸測試，得到材料在不同應變速率下的應力-應變曲線，并對曲線數據進行處理。利用常見的幾種本構模型進行擬合外推，對比了不同硬化準則下材料的應變率效應和塑性硬化行為。

實驗材料與方法

采用本鋼生產的MS1180/1.2 mm冷軋鋼板加工試樣，試樣選取長度方向與鋼板軋制方向一致，通過中走絲線切割方式進行加工。實驗共進行了5組不同速率的拉伸測試，分別為0.001(準靜態)、0.1、10、100和500 s-1。準靜態試樣采用國標GB/T 228.1中P5尺寸試樣，動態測試試樣尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸示意圖(單位：mm)

實驗分準靜態和動態兩個部分，分別在電子拉伸試驗機和高速拉伸試驗機上進行。實驗分別參考標準GB/T228.1—2010、GB/T30069.2—2016和ASTM E111—97。

準靜態實驗在電子拉伸試驗機上進行，數據直接從試驗機讀取；動態實驗在高速拉伸試驗機上進行，較低速率的0.1和10 s-1直接由試驗機傳感器讀取電壓信號轉化力值載荷，高應變速率100和500 s-1采用粘貼應變片的方式，通過應變片測量電壓信號轉化力值載荷。實驗過程的應變信息通過高速攝像系統，采用非接觸式測量方式獲得，實驗設備如圖2所示。每個速率進行三次重復測量，選取重合性好的曲線進行數據處理。

圖2 高速拉伸測試系統

結果與討論

將獲得的電壓信號轉換為力值載荷，載荷除以試樣的平行段初始橫截面積得到工程應力。用GOM軟件對高速相機獲得的照片進行計算，通過應變計算獲得工程軸向應變和橫向應變，從而得到各個速度下的工程應力-應變曲線。MS1180-1.2 mm的工程應力-應變曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著應變率的升高，MS1180的屈服強度和抗拉強度也隨之提升，應力水平與應變速率表現為正相關性。與準靜態測量相比，動態速率測試下材料的延伸率也得到了明顯提升。

圖3 工程應力-應變曲線

考慮到實際應用中發生局部頸縮的材料已無實用價值，通常把屈服點至頸縮點間的實驗數據作為材料真實的拉伸狀態計算真應力和真應變(圖4)。

圖4 真實應力-塑性應變曲線

動態本構模型

將截取的真實應力-塑性應變數據曲線用不同的動態本構方程進行擬合外推，得到外推曲線結果。常用的本構模型有Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型[3]和加權組合的Swift-Hockett/Sherby模型等。研究不考慮溫度影響因素，對Johnson-Cook方程進行了簡化，具體表達式參見表1。由于模型的求解參數比較多，利用MATLAB編程進行求解，輸出不同模型下的擬合外推結果。選取較低應變率(0.1 s-1)和較高應變率(100 s-1)進行對比，結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，基于不同硬化準則推導的動態本構模型，在對材料曲線進行擬合外推時，得到的結果也不同。Swift-Hockett/Sherby模型引入了加權系數α，可以通過調整加權系數來獲得與實驗更加匹配、合理的外推曲線。

表1 常用的本構模型

為了準確選擇適應于材料的塑性硬化曲線，通過LS_DYNA軟件對實驗材料進行有限元模擬仿真分析，構建高速拉伸試樣的網格模型，參照實驗條件固定一端，在另一端定義拉伸載荷輸出，將不同本構模型外推曲線作為材料卡片輸入，加載拉伸速度曲線，模擬試樣測試過程，獲得模擬的力和位移曲線，與實際測量的曲線進行比對，為加權系數調整提供方向。

圖5 不同模型的擬合曲線對比：(a) 0.1 s-1；(b) 100 s-1

圖6 為由不同本構模型仿真得到的工程應力-應變曲線，可以看出Swift-Hockett/Sherby模型得到的仿真對標效果與實驗數據高度重合。

圖6 不同本構模型的仿真曲線與實驗結果對比

結束語

(1) 隨著應變率的提高，MS1180的屈服強度和抗拉強度也隨之提升，應力水平與應變速率表現為正相關性。

(2) 使用加權組合的Swift-Hockett/Sherby模型進行數據擬合外推，通過加權系數的優化，更加準確的描述材料在不同應變速率下的動態力學性能。