賈耿偉，趙渭良，王愛(ài)民，張龍柱

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司,河北 邯鄲 056000)

近年來(lái)，汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)汽車材料的輕量化提出了新的要求，各種高強(qiáng)度鋼在汽車工業(yè)上得到了大量的應(yīng)用。雙相鋼是超高強(qiáng)鋼中應(yīng)用最廣的鋼種，主要用來(lái)制作A柱、B柱、防撞梁、橫梁等部件，以增加汽車整車的撞擊性能。其中，780 MPa強(qiáng)度級(jí)別的雙相鋼是強(qiáng)度、塑性結(jié)合最好的鋼種，能滿足比較復(fù)雜的拉延、彎曲、擴(kuò)孔等類型的成形，而且具有較好的剛度和抗凹陷性，能滿足汽車一般結(jié)構(gòu)零件的需要。但是，為了滿足汽車高強(qiáng)鋼部件防撞性能的需要，有必要對(duì)780DP鋼的高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)拉伸性能進(jìn)行深入的研究。本文利用邯鋼生產(chǎn)的780DP為試驗(yàn)樣本，進(jìn)行了靜態(tài)拉伸和不同應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步的分析。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的是邯鋼批量生產(chǎn)的冷軋雙相鋼780DP，厚度為1.6 mm，材料的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 780DP鋼的化學(xué)成分(wt%)

780DP鋼的顯微組織如圖1所示。材料主要為馬氏體和鐵素體的混合組織，基體鐵素體晶粒尺寸為8-15μm，馬氏體均勻分布在鐵素體基體上。其中，通過(guò)計(jì)算可得，基體中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)約為32%。

圖1 780DP鋼的顯微組織

動(dòng)態(tài)拉伸的試樣形狀與尺寸如圖2所示，試樣的制取參照標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 26203-2，試樣的取樣方向選取軋制方向。

圖2 動(dòng)態(tài)拉伸樣品尺寸示意圖(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的是ZWICK HTM 5020高速拉伸試驗(yàn)機(jī)，ZWICK HTM 5020高速拉伸試驗(yàn)機(jī)由德國(guó)ZWICK/ROELL公司制造，是采用電液伺服方式控制的材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備，主要用于測(cè)試材料在動(dòng)態(tài)載荷下的各項(xiàng)力學(xué)性能。

對(duì)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)拉伸的試樣在掃描電鏡下檢測(cè)斷口形貌和顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)拉伸

在室溫下，首先使用ZWICK拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行常規(guī)的靜態(tài)拉伸，拉伸方向分別為軋制方向的0°、45°、90°，每個(gè)角度做3個(gè)試樣。其中，0°為沿板帶的長(zhǎng)度方向，即軋制方向；90°為板帶的寬度方向，即垂直于軋制的方向。

材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率和彈性模量E如表2所示。

2.2 動(dòng)態(tài)拉伸性能

對(duì)DP780鋼的試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，采用的應(yīng)變率分別為0.001/s、0.1/s、1/s、10/s、100/s、200/s、500/s、1000/s。運(yùn)用最小二乘法對(duì)動(dòng)態(tài)拉伸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，擬合后的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

從曲線可以看出，在靜態(tài)拉伸時(shí)，材料的彈性模量E在182-213 GPa之間。E的物理含義為彈性階段的直線斜率，從圖3可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，材料的彈性模量基本保持恒定。通過(guò)計(jì)算斜率，可以得出，彈性模量的范圍為190-210 GPa之間。

當(dāng)應(yīng)變率為0.001/s，屬于靜態(tài)拉伸，材料的屈服強(qiáng)度Rp0.2為480-505 MPa，抗拉強(qiáng)度為790-800 MPa。當(dāng)應(yīng)變率增加到1000/s時(shí)，屈服強(qiáng)度Rp0.2為740-755 MPa，抗拉強(qiáng)度就增加到了1020-1050 MPa。

隨著應(yīng)變率的增加，材料的彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨著相應(yīng)增加。當(dāng)應(yīng)變率較低范圍時(shí)，即小于0.1/s時(shí)，材料的強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而呈上升趨勢(shì)，當(dāng)應(yīng)變率大于1/s時(shí)，材料的強(qiáng)度增加更加明顯，同時(shí)，材料縮頸區(qū)的范圍也有所擴(kuò)大。

2.3 斷口分析

圖4分別為應(yīng)變率為0.01/s和500/s條件下的拉伸斷口形貌，可以看出，斷口特征均為延性斷裂，均有大量的韌窩特征存在。對(duì)于低應(yīng)變速率的斷口，韌窩較為細(xì)小，斷口較為平緩。對(duì)于高應(yīng)變率的斷口，韌窩的尺寸明顯增加，并且存在嚴(yán)重的不均性，韌窩的深度也比低應(yīng)變率的要深。

在拉伸過(guò)程中，材料會(huì)受到位錯(cuò)塞積的影響，應(yīng)變率的增加使塑性變形中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻更加明顯，位錯(cuò)在馬氏體和鐵素體的相界面堆積程度會(huì)增加。雖然高速拉伸中存在多個(gè)滑移系參加塑性形變，但是高應(yīng)變率的高變形速度使材料的微區(qū)塑性變形變得極為不均勻，導(dǎo)致高應(yīng)變率時(shí)斷口的韌窩形貌存在明顯的不均勻性，變現(xiàn)出來(lái)的形式就是韌窩尺寸存在較大的差別[1]。在應(yīng)變率超過(guò)100/s時(shí)，這種差別表現(xiàn)得非常明顯。

(a)應(yīng)變率為0.01/s

(b)應(yīng)變率為500/s圖4 材料的動(dòng)態(tài)拉伸斷口

2.4 顯微組織分析

780DP鋼在不同應(yīng)變率拉伸后的顯微組織如圖5所示，(a)為0.01/s應(yīng)變率的顯微組織，(b)為200/s應(yīng)變率的顯微組織?？梢钥闯觯?80DP鋼在經(jīng)過(guò)不同應(yīng)變率的拉伸后，顯微組織差別不大，鐵素體都發(fā)生了明顯的塑性變形，晶粒被拉長(zhǎng)，晶粒尺寸的長(zhǎng)軸方向尺寸為20-30 μm。馬氏體屬于強(qiáng)化相，變形中基本不會(huì)參與塑性變形，只是發(fā)生了不同程度的位移和形狀的轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著應(yīng)變速率的增加，780DP鋼中出現(xiàn)微裂紋。應(yīng)變速率越大，微裂紋的數(shù)量也越多。

3 討論

3.1 位錯(cuò)機(jī)制

雙相鋼在高應(yīng)變速率下的變形中 ，具有應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變速率強(qiáng)化作用，即流變應(yīng)力隨著應(yīng)變和應(yīng)變速率的增加而增大，這主要與塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制有關(guān)。

(a)應(yīng)變率0.01/s

(b)應(yīng)變率200/s圖5 不同應(yīng)變率的顯微組織

材料塑性變形過(guò)程伴隨著位錯(cuò)的滑移和增殖，當(dāng)位錯(cuò)滑移受到阻礙時(shí)，如位錯(cuò)塞積在缺陷處，或者位錯(cuò)纏結(jié)等等，此時(shí)需要更大的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)。當(dāng)材料處于動(dòng)態(tài)變形時(shí)，短時(shí)間內(nèi)材料內(nèi)部應(yīng)力迅速提升，位錯(cuò)會(huì)大量增殖，使得材料迅速?gòu)?qiáng)化。位錯(cuò)密度的增加，反映著材料內(nèi)部微觀缺陷的應(yīng)變能增加，表觀上反映了材料能量吸收的提高[1]。

780DP鋼的顯微組織主要由不同體積分?jǐn)?shù)的馬氏體、鐵素體和殘余奧氏體組成。同時(shí)，馬氏體也限制了鐵素體的塑性變形。因此，對(duì)于雙相鋼來(lái)說(shuō)，馬氏體的組織變化是材料性能強(qiáng)化的主要原因之一。對(duì)于不同強(qiáng)度級(jí)別的雙相鋼，馬氏體含量越高，應(yīng)變率對(duì)材料的強(qiáng)化效應(yīng)越明顯。

經(jīng)過(guò)熱處理后，基體中的殘余奧氏體在常溫下處在不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到一定條件時(shí)，不穩(wěn)定的殘余奧氏體開(kāi)始向馬氏體轉(zhuǎn)化，增加了材料的強(qiáng)化效應(yīng)。

3.2 動(dòng)態(tài)變形中的裂紋

在動(dòng)態(tài)拉伸條件下，隨著應(yīng)變速率的增加，位錯(cuò)的大量增殖會(huì)強(qiáng)化雙相鋼組織。但是位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)是需要時(shí)間的，隨著變形時(shí)間的減少 ( 應(yīng)變速率增加) 以及位錯(cuò)大量增殖，使得位錯(cuò)塞積處形成微裂紋，如圖5(b)所示。隨著應(yīng)變率的提高，顯微裂紋的數(shù)量逐漸增加，主要原因?yàn)镈P780鋼中的位錯(cuò)密度和位錯(cuò)堆積增加，鐵素體和馬氏體相界面之間的塑性應(yīng)變能的差異降低，增加了相界面之間開(kāi)裂的可能性。

除了馬氏體與鐵素體的相界面裂紋外，由于780DP中的合金含量較高，存在一定的夾雜物、空洞等顯微缺陷，當(dāng)位錯(cuò)在缺陷處產(chǎn)生位錯(cuò)堆積時(shí)，導(dǎo)致材料會(huì)在高速的動(dòng)態(tài)變形中局部應(yīng)力迅速提高。同時(shí)，缺陷處的位錯(cuò)堆積會(huì)產(chǎn)生局部的高應(yīng)力狀態(tài)，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生顯微裂紋。在應(yīng)力作用下，顯微裂紋迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了材料的斷裂失效[2]。顯微裂紋的產(chǎn)生，從宏觀上導(dǎo)致了應(yīng)變速率越高、斷裂延伸率越低的現(xiàn)象。應(yīng)變速率越大，這一過(guò)程發(fā)生得越早，表觀上反映為材料的塑性下降。

3.3 強(qiáng)化和軟化的統(tǒng)一

DP780鋼的高應(yīng)變速率下的變形過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程 ，塑性變形轉(zhuǎn)換化導(dǎo)致試樣產(chǎn)生升溫的熱量引起軟化 。在高速拉伸中，基體微區(qū)中產(chǎn)生的瞬時(shí)形變會(huì)使變形塑性功轉(zhuǎn)化為熱量，并且不易及時(shí)的傳遞熱量，導(dǎo)致微區(qū)中存在絕熱溫升效應(yīng)[3]。絕熱溫升效應(yīng)會(huì)增加材料的塑性，降低材料的強(qiáng)度，使位錯(cuò)的滑移更加容易。

因此，780DP鋼在動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中，是強(qiáng)化和軟化過(guò)程的統(tǒng)一。

4 結(jié)論

(1)780DP鋼在高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸的條件下，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等會(huì)得到明顯的提升，應(yīng)變速率越高，強(qiáng)化效果越明顯。

(2)780DP鋼具有較高的應(yīng)變速率敏感性，材料強(qiáng)度的增加是位錯(cuò)機(jī)制、加工硬化、絕熱溫升效應(yīng)和組織轉(zhuǎn)變的綜合作用。