雙相鋼在不同應變速率下的力學性能研究

任 虎，王連軒，張龍柱，石建強

(河鋼集團邯鋼公司 技術中心， 河北 邯鄲 056015)

DP鋼作為高強鋼，廣泛應用于汽車部件底盤、車身、懸架和轉向系統[1-2]。由于其強度高、加工硬化能力強，有利于碰撞安全。汽車發生碰撞時，相關部件的應變速率跨度范圍從幾十到幾百，采用靜態力學性能對其碰撞吸能性能進行計算或仿真分析時，不能準確體現DP鋼的動態吸能潛力和耐撞性能[3-7]。因此，本文研究了幾種不同DP鋼在準靜態和動態條件下的力學行為，對其應變速率敏感性進行了系統的分析和對比。

1 材料及試驗

1.1 試驗材料

試驗采用三種雙相鋼，分別為1.2 mm厚的DP590、1.6 mm厚的DP780和1.4 mm厚的DP980。

1.2 準靜態拉伸試驗

按照GB/T 228金屬材料室溫拉伸試驗方法規定，以板材軋制方向為參考，分別沿與板材軋向呈0°、45°和90°方向進行取樣，樣品的形狀及尺寸如圖1所示。準靜態拉伸在SANS CMT5305拉伸試驗機上進行，試驗拉伸速度為5 mm/min，試驗完成后分別按照GB/T 5027和GB/T 5028測試試樣的加工硬化指數n和塑性應變比r。

圖1 準靜態拉伸試樣

1.3 高速拉伸試驗

高速拉伸試驗在HTM5020液壓伺服試驗機上進行。該試驗機的最大拉伸速度為20 m/s，試驗采用的樣品形狀及尺寸如圖2所示。試樣沿軋制方向進行取樣，樣品的平行段的長度為20 mm，因此在該試驗機上試樣的最大應變速率可達到1 000/s，試樣平行段寬度為10 mm，過渡圓弧半徑為10 mm。在汽車碰撞過程中，一般最高的應變速率不超過500/s。

圖2 高速拉伸試驗試樣

測力和測變形時均采用在試樣上粘貼應變片的方式。其中，測變形的應變片粘貼在試樣的平行段中間位置，測力的應變片粘貼在試樣不發生塑形變形的夾持部分。

本試驗選用8個不同的應變速率進行試驗，分別為0.001/s、0.1/s、1/s、10/s、100/s、200/s、500/s和1 000/s。

2 試驗結果及討論

2.1 準靜態拉伸試驗結果

三種雙相鋼在準靜態條件下的流變曲線如圖3所示，從圖中可以看出，雙相鋼在三個方向上的流變曲線存在微小的差異性，即板材在各方向上的力學性能表現為微弱的各向異性，具體的力學性能參數如表1所示。DP590的屈服強度為380 MPa左右，抗拉強度為624 MPa左右，三方向上的強度差別在10 MPa左右；與DP590類似，DP780三方向上強度差也在10 MPa范圍內，屈服強度和抗拉強度分別為489 MPa和796 MPa；DP980三方向上的強度差最大，軋制方向和垂直于軋制方向上的屈服強度差達到60 MPa以上。

表1 三種雙相鋼的力學性能

對于三種雙相鋼，隨著其內部組織中鐵素體和馬氏體的相對體積分數的變化，其力學性能發生顯著變化。隨著馬氏體體積分數增加，雙相鋼的流變應力不斷增大，同時其應變硬化指數顯著降低，其中DP590的應變硬化指數為0.19，DP780的應變硬化指數為0.16，DP980的應變硬化指數最低，為0.1左右。DP590表現為最好的塑形，斷后延伸率為29%左右，DP780和DP980的斷后延伸率分別為22%和13%左右。當材料用于結構安全件時，評價其適用性的一個重要指標為強塑積，經計算，DP590和DP780的強塑積相當，與之相比，DP980的強塑積降低28%左右，因此DP980用于安全件時，其吸能效果降低，脆性更加顯著。

(a)DP590

(b)DP780

(c)DP980 圖3 不同DP鋼在準靜態條件下的流變曲線

(a)DP590

(b)DP780

(c)DP980 圖4 不同DP鋼在動態條件下的流變曲線

動態拉伸試驗中，通過應變片采集獲得應力和應變的電信號，通過轉換最終獲得工程應力值和工程應變值。根據體積不變原理將其轉換為真應力-真應變曲線并去掉彈性段后，獲得如圖4所示的雙相鋼在不同應變速率條件下的真應力-真應變曲線。隨著應變速率增加，三種雙相鋼的流變應力均增大，表現出正的應變速率敏感性。與準靜態條件相比，三種雙相鋼在1000/s應變速率條件下，其抗拉強度均顯著增加，增幅超過200 MPa。因此，雙相鋼在用于汽車結構安全件時，在高速條件下強度值上升有利于進一步提升汽車的安全性能。

2.3 討論

為研究雙相鋼的應變速率敏感性，分別取各應變速率下雙相鋼在不同應變水平下的流變應力進行比較，以應變速率的自然對數為橫坐標，以三種雙相鋼在不同應變速率條件下的屈服強度為縱坐標作圖，其結果如圖5所示。從圖中可以看出，在各應變速率條件下，DP590、DP780和DP980的屈服強度逐漸增加，在不同的應變速率條件下，雙相鋼的屈服強度變化趨勢與應變速率的變化方向一致，即應變速率增加，屈服強度增加，表現出顯著的應變速率敏感性。

圖5 雙相鋼在不同應變速率條件下的強度變化

材料在塑性變形時，應力與應變和應變速率之間可用冪指數關系表示：

在一定應變條件下，對上式取自然對數，并微分可得：

按上式對相關參數進行線性擬合，可以獲得雙相鋼在一定應變條件下的應變速率敏感性，以10%塑形應變為例，通過線性擬合獲得三種材料的應變速率敏感性指數如表2所示，三種材料的應變速率敏感性指數擬合結果的相關性均大于0.95，其中DP590的應變速率敏感性指數為0.0186，DP780的應變速率敏感性指數為0.0154，DP980的應變速率敏感性指數為0.0137，即三種雙相鋼中，DP590有最大的應變速率敏感性，隨著雙相鋼強度級別的增加，材料的應變速率敏感性降低。

表2 雙相鋼的應變速率敏感性

3 結論

(1)在準靜態條件下，三種雙相鋼在三個方向上的力學性能表現出微弱的各向異性，隨著馬氏體體積分數的增加，雙相鋼的強度增加、塑形降低、加工硬化指數降低，DP590和DP780具有相當的強塑積，而DP980的強塑積顯著降低。

(2)雙相鋼表現出正的應變速率敏感性，即隨著應變速率增加，雙相鋼的流變抗力提高，當應變速率提高到1000/s時，雙相鋼的抗力增加值達到200 MPa以上。

(3)三種雙相鋼中，DP590的應變速率敏感性最高，DP980的應變速率敏感性最低，即隨著雙相鋼強度增加，材料的應變速率敏感性降低。