先進高強鋼的碰撞安全行為研究

王秋雨，徐 寬，呂 浩，劉淑影，張賽娟

(唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063000)

目前國內外專家學者已對AHSS的軋制、成形性能等準靜態(tài)行為做了深入透徹的研究，但碰撞安全行為研究相對較少。汽車在碰撞時材料的變形速率一般為5 ～15 m/s，先進高強鋼的強度隨應變速率增加而增大，材料通過自身的塑性變形吸收碰撞時的巨大能量，從而保護成員艙的安全。目前用于表征材料動態(tài)性能的實驗主要有高速拉伸和梁結構的高速壓潰實驗。本文將利用高速落錘實驗機，研究材料性能、顯微組織等對先進高強鋼(AHSS)材料的動態(tài)吸能性能的影響，并進行定量的評價，為后續(xù)汽車設計選材提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗材料和過程

1.1 材料及性能

選取HC340/590DP、HC420/780DP、HC420/780DP、HC550/980DP、HC600/980QP、HC700/DP980、HC820/1180DP七種典型的連退板高強鋼材料，1～6號材料為雙相鋼，7號材料為QP鋼，材料的成分如表1所示。

表1 實驗材料的化學成分 單位：%

根據(jù)GB/T228.1-2010標準對每種材料進行軸向方向單軸準靜態(tài)拉伸試驗[1]，確定每種材料的屈服強度、拉伸強度和延伸率等力學性能，試樣標準標距長度為80 mm，每種材料進行三次檢測，取平均值，檢測結果如表2所示。材料的屈服強度(397～850 MPa)、抗拉強度(661～1253 MPa)、均勻延伸率(6.0%～16.5%)和總延伸率(10%～25%)。本次試驗材料性能選擇廣泛，更有助于評判材料的抗壓潰性能與材料性能之間的量化關系。

表2 實驗材料的基礎力學性能

1.2 帽型梁高速落錘實驗

垂直壓潰實驗主要反映汽車正向碰撞時前縱梁等部件的壓潰受力情況。根據(jù)J0709-2013《汽車典型結構件的壓潰吸能方法》[2]標準制定帽型梁的試樣，如圖1所示，橫截面為一典型的六面形結構，兩帽型件采用點焊方式連接，根據(jù)材料厚度設定焊接力和焊接時間。焊接電流從8 kA調整到10 kA，保證焊點直徑約為10 mm。將試樣焊接在工作臺面上，錘頭底部裝有壓電式力傳感器，試驗過程中采集壓電信號，以測量錘頭受力情況，試樣頂部裝有位移傳感器，記錄試樣的位移，同時利用高速攝像機觀察整個壓潰過程中試樣的變形情況。垂直壓潰實驗和三點彎曲實驗參數(shù)設置如表3所示。

圖1 帽型梁試樣尺寸及實驗前圖片

表3 壓潰實驗的參數(shù)設置

2 試驗結果與討論

對所研究的7種材料進行垂直壓潰碰撞實驗，每個試樣至少重復三次，且保證三次試樣均產生穩(wěn)定的折疊壓潰，試驗后的試樣如圖2所示，試驗結果匯總如表4所示。

HC340/590DP HC420/780DP HC500/780DP HC550/980DP

表4 垂直壓潰實驗結果

帽型梁的壓潰吸能與截面尺寸、材料厚度和性能有著密不可分的關系。目前評價材料壓潰吸能的主要參數(shù)有壓潰位移Dmax、平均碰撞力Fave。在截面形狀一定的情況下，普遍認為材料厚度和性能是決定材料碰撞性能的關鍵因素，Abramowicz和Wierzbicki[3]研究表明在同種材料下，帽型梁的平均碰撞力與t1.6成正比，Bouaziz[4]等人研究表明在相同厚度下，材料的平均碰撞力與σs1/2成正比。材料在高速落錘壓潰過程中首先發(fā)生塑性變形產生加工硬化，當材料受到的應力大于抗拉強度時，材料發(fā)生開裂。前人只考慮到材料的壓潰性能與材料的屈服強度、厚度的關系，卻忽略了加工硬化對碰撞吸能的影響。在通常條件下，一般采用屈強比評價材料的加工硬化水平。

根據(jù)表4的實驗結果，在吸能一定的條件下，采用多項式擬合尋找材料的屈服強度、屈強比、厚度與碰撞性能的定量關系。對上述7種材料的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，如圖3所示。平均碰撞力Fave與(t2)×(σs0.73)×σs/σb)-0.91擬合的方差R2為0.970。從擬合結果來看，引入屈強比后，材料的碰撞吸能性能更依賴于材料的厚度，而非材料性能，這可能是因為之前的研究中的材料都是780 MPa或更低的高強鋼。

圖3 平均碰撞力與材料性能的擬合關系注：Fave為平均碰撞力，t為厚度，σs為屈服強度，σs/σb為屈強比

根據(jù)圖3繪制平均碰撞力與材料性能、厚度關系的輪廓圖，如圖4所示。每條曲線代表一組數(shù)值相同的平均碰撞力，1～7分別代表所研究的7種材料。圖4中曲線A代表平均碰撞力為129.1kN，達到相同的平均碰撞力時，HC340/590DP的厚度為1.6 mm，如A點所示， HC420/780DP的厚度為1.5 mm，如B點所示，HC550/980DP的厚度為1.4 mm，如C點所示， HC600/980QP的厚度為1.39 mm，如D點所示，HC820/1180DP的厚度為1.3 mm，如E點所示。因此，若原始材料為HC340/590DP-1.6 mm，若采用材料HC550/980DP-1.4 mm可以減重12.5%，若選用HC820/1180DP-1.3 mm可減重17.5%。

圖4 垂直壓潰吸能性能的等勢線注：1、2、3、4、5、6、7 分別代表 HC340/590DP、HC420/780DP、HC500/780DP、HC550/980DP、HC700/980DP、HC600/980QP、HC820/1180DP

從圖4可以看出，隨厚度的增加，等趨勢線的間隙在減小，因此厚材料的減重更為明顯。HC550/980DP(材料4)垂直壓潰性能要優(yōu)于HC700/980DP(材料5)，這是因為HC700/980DP的屈服強度高于HC550/980DP，但二者抗拉強度相近，因此HC700/980DP的屈強比較低，由此可見，單單提高屈服強度不僅不會引起垂直壓潰位移的升高，反而會降低。

對研究的7種材料在500倍下進行組織觀察，觀察方向為軋制方向，如圖5所示，其中HC340/590DP、HC420/780DP、HC500/780DP、HC500/980DP、HC700/980DP均為雙相鋼，組織為鐵素體和馬氏體雙相組成，HC340/590DP的成分體系為C-Si-Mn，如表1所示，其他DP鋼均在C-Si-Mn基礎上添加不等量的Ti、Cr、Mo、Nb等合金元素，起到固溶強化和第二相粒子強化的作用。隨強度的增加，材料中的馬氏體含量增加，而基體鐵素體含量降低。馬氏體為過飽和的碳化物，晶粒內部大量位錯交錯盤集，變形變得異常困難，因此馬氏體含量越高，材料發(fā)生塑性變形時所需要的能量越多，碰撞吸能效果越好。QP鋼為淬火配分鋼，組織為馬氏體、貝氏體和少量的殘余奧氏體，在變形過程中，馬氏體組織保證了鋼的強度，殘余奧氏體向馬氏體轉變的同時發(fā)生塑形變形，從而吸收碰撞中的大部分能量。

HC340/590DP HC420/780DP

3 結論

本文研究了7種典型先進高強鋼高速垂直落錘壓潰試驗，以量化闡明影響汽車結構耐撞性的材料性能參數(shù)，為新車型的選材和輕量化提供數(shù)據(jù)支撐。

(1)采用垂直碰撞試驗研究了汽車零部件在碰撞中的受力情況，首次用屈服比來表征材料的碰撞特性。試驗結果表明，屈服強度、屈服比和厚度是影響碰撞吸能的關鍵因素，其中厚度起關鍵性作用，并得到了定量的經驗公式。

(2)從等趨勢圖可以看出，應用高強度鋼是減輕重量的有效方法，特別是對于材料較厚的零件。