供稿|楊天一，王禹，王煥

內(nèi)容導(dǎo)讀

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

節(jié)能、安全與環(huán)保是汽車工業(yè)目前發(fā)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(qiáng)鋼材料具有經(jīng)濟(jì)適用的特點，通常被應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中。這就要求在設(shè)計階段對零部件材料的高速力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)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(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究與表征，對車身設(shè)計及選材都具有很重要的指導(dǎo)意義。動態(tài)載荷下的材料表征，尤其是中高應(yīng)變速率下材料力學(xué)行為測試與模擬是行業(yè)研發(fā)和應(yīng)用的難點[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者都對高強(qiáng)鋼動態(tài)力學(xué)性能及相關(guān)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(jìn)行了多種應(yīng)變速率下的拉伸實驗，采用Johnson-Cook等模型進(jìn)行了參數(shù)擬合與仿真探究[2]。

本文以本鋼生產(chǎn)的馬氏體鋼MS1180為研究對象，對材料進(jìn)行高速拉伸測試，得到材料在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用常見的幾種本構(gòu)模型進(jìn)行擬合外推，對比了不同硬化準(zhǔn)則下材料的應(yīng)變率效應(yīng)和塑性硬化行為。

實驗材料與方法

采用本鋼生產(chǎn)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(jìn)行加工。實驗共進(jìn)行了5組不同速率的拉伸測試，分別為0.001(準(zhǔn)靜態(tài))、0.1、10、100和500 s-1。準(zhǔn)靜態(tài)試樣采用國標(biāo)GB/T 228.1中P5尺寸試樣，動態(tài)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(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)兩個部分，分別在電子拉伸試驗機(jī)和高速拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行。實驗分別參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010、GB/T30069.2—2016和ASTM E111—97。

準(zhǔn)靜態(tài)實驗在電子拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，數(shù)據(jù)直接從試驗機(jī)讀?。粍討B(tài)實驗在高速拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，較低速率的0.1和10 s-1直接由試驗機(jī)傳感器讀取電壓信號轉(zhuǎn)化力值載荷，高應(yīng)變速率100和500 s-1采用粘貼應(yīng)變片的方式，通過應(yīng)變片測量電壓信號轉(zhuǎn)化力值載荷。實驗過程的應(yīng)變信息通過高速攝像系統(tǒng)，采用非接觸式測量方式獲得，實驗設(shè)備如圖2所示。每個速率進(jìn)行三次重復(fù)測量，選取重合性好的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 高速拉伸測試系統(tǒng)

結(jié)果與討論

將獲得的電壓信號轉(zhuǎn)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(yīng)力。用GOM軟件對高速相機(jī)獲得的照片進(jìn)行計算，通過應(yīng)變計算獲得工程軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，從而得到各個速度下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。MS1180-1.2 mm的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著應(yīng)變率的升高，MS1180的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨之提升，應(yīng)力水平與應(yīng)變速率表現(xiàn)為正相關(guān)性。與準(zhǔn)靜態(tài)測量相比，動態(tài)速率測試下材料的延伸率也得到了明顯提升。

圖3 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

考慮到實際應(yīng)用中發(fā)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(shù)據(jù)作為材料真實的拉伸狀態(tài)計算真應(yīng)力和真應(yīng)變(圖4)。

圖4 真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線

動態(tài)本構(gòu)模型

將截取的真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線用不同的動態(tài)本構(gòu)方程進(jìn)行擬合外推，得到外推曲線結(jié)果。常用的本構(gòu)模型有Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型[3]和加權(quán)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(jìn)行了簡化，具體表達(dá)式參見表1。由于模型的求解參數(shù)比較多，利用MATLAB編程進(jìn)行求解，輸出不同模型下的擬合外推結(jié)果。選取較低應(yīng)變率(0.1 s-1)和較高應(yīng)變率(100 s-1)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，基于不同硬化準(zhǔn)則推導(dǎo)的動態(tài)本構(gòu)模型，在對材料曲線進(jìn)行擬合外推時，得到的結(jié)果也不同。Swift-Hockett/Sherby模型引入了加權(quán)系數(shù)α，可以通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)來獲得與實驗更加匹配、合理的外推曲線。

表1 常用的本構(gòu)模型

為了準(zhǔn)確選擇適應(yīng)于材料的塑性硬化曲線，通過LS_DYNA軟件對實驗材料進(jìn)行有限元模擬仿真分析，構(gòu)建高速拉伸試樣的網(wǎng)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(gòu)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(jìn)行比對，為加權(quán)系數(shù)調(diào)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(gòu)模型仿真得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出Swift-Hockett/Sherby模型得到的仿真對標(biāo)效果與實驗數(shù)據(jù)高度重合。

圖6 不同本構(gòu)模型的仿真曲線與實驗結(jié)果對比

結(jié)束語

(1) 隨著應(yīng)變率的提高，MS1180的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也隨之提升，應(yīng)力水平與應(yīng)變速率表現(xiàn)為正相關(guān)性。

(2) 使用加權(quán)組合的Swift-Hockett/Sherby模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合外推，通過加權(quán)系數(shù)的優(yōu)化，更加準(zhǔn)確的描述材料在不同應(yīng)變速率下的動態(tài)力學(xué)性能。