任 虎，王連軒，張龍柱，石建強

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司 技術(shù)中心， 河北 邯鄲 056015)

DP鋼作為高強鋼，廣泛應(yīng)用于汽車部件底盤、車身、懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[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(fā)生碰撞時，相關(guān)部件的應(yīng)變速率跨度范圍從幾十到幾百，采用靜態(tài)力學(xué)性能對其碰撞吸能性能進(jìn)行計算或仿真分析時，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)DP鋼的動態(tài)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(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)條件下的力學(xué)行為，對其應(yīng)變速率敏感性進(jìn)行了系統(tǒng)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(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗

按照GB/T 228金屬材料室溫拉伸試驗方法規(guī)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(jìn)行取樣，樣品的形狀及尺寸如圖1所示。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸在SANS CMT5305拉伸試驗機上進(jìn)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(shù)n和塑性應(yīng)變比r。

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)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(jìn)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(jìn)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(yīng)變速率可達(dá)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(yīng)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(yīng)變片的方式。其中，測變形的應(yīng)變片粘貼在試樣的平行段中間位置，測力的應(yīng)變片粘貼在試樣不發(fā)生塑形變形的夾持部分。

本試驗選用8個不同的應(yīng)變速率進(jìn)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(jié)果及討論

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果

三種雙相鋼在準(zhǔn)靜態(tài)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(xué)性能表現(xiàn)為微弱的各向異性，具體的力學(xué)性能參數(shù)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(nèi)，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(dá)到60 MPa以上。

表1 三種雙相鋼的力學(xué)性能

對于三種雙相鋼，隨著其內(nèi)部組織中鐵素體和馬氏體的相對體積分?jǐn)?shù)的變化，其力學(xué)性能發(fā)生顯著變化。隨著馬氏體體積分?jǐn)?shù)增加，雙相鋼的流變應(yīng)力不斷增大，同時其應(yīng)變硬化指數(shù)顯著降低，其中DP590的應(yīng)變硬化指數(shù)為0.19，DP780的應(yīng)變硬化指數(shù)為0.16，DP980的應(yīng)變硬化指數(shù)最低，為0.1左右。DP590表現(xiàn)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(dāng)材料用于結(jié)構(gòu)安全件時，評價其適用性的一個重要指標(biāo)為強塑積，經(jīng)計算，DP590和DP780的強塑積相當(dāng)，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(zhǔn)靜態(tài)條件下的流變曲線

(a)DP590

(b)DP780

(c)DP980 圖4 不同DP鋼在動態(tài)條件下的流變曲線

動態(tài)拉伸試驗中，通過應(yīng)變片采集獲得應(yīng)力和應(yīng)變的電信號，通過轉(zhuǎn)換最終獲得工程應(yīng)力值和工程應(yīng)變值。根據(jù)體積不變原理將其轉(zhuǎn)換為真應(yīng)力-真應(yīng)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(yīng)變速率條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。隨著應(yīng)變速率增加，三種雙相鋼的流變應(yīng)力均增大，表現(xiàn)出正的應(yīng)變速率敏感性。與準(zhǔn)靜態(tài)條件相比，三種雙相鋼在1000/s應(yīng)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(jié)構(gòu)安全件時，在高速條件下強度值上升有利于進(jìn)一步提升汽車的安全性能。

2.3 討論

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

圖5 雙相鋼在不同應(yīng)變速率條件下的強度變化

材料在塑性變形時，應(yīng)力與應(yīng)變和應(yīng)變速率之間可用冪指數(shù)關(guān)系表示：

在一定應(yīng)變條件下，對上式取自然對數(shù)，并微分可得：

按上式對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行線性擬合，可以獲得雙相鋼在一定應(yīng)變條件下的應(yīng)變速率敏感性，以10%塑形應(yīng)變?yōu)槔ㄟ^線性擬合獲得三種材料的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)如表2所示，三種材料的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)擬合結(jié)果的相關(guān)性均大于0.95，其中DP590的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)為0.0186，DP780的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)為0.0154，DP980的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)為0.0137，即三種雙相鋼中，DP590有最大的應(yīng)變速率敏感性，隨著雙相鋼強度級別的增加，材料的應(yīng)變速率敏感性降低。

表2 雙相鋼的應(yīng)變速率敏感性

3 結(jié)論

(1)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，三種雙相鋼在三個方向上的力學(xué)性能表現(xiàn)出微弱的各向異性，隨著馬氏體體積分?jǐn)?shù)的增加，雙相鋼的強度增加、塑形降低、加工硬化指數(shù)降低，DP590和DP780具有相當(dāng)?shù)膹娝芊e，而DP980的強塑積顯著降低。

(2)雙相鋼表現(xiàn)出正的應(yīng)變速率敏感性，即隨著應(yīng)變速率增加，雙相鋼的流變抗力提高，當(dāng)應(yīng)變速率提高到1000/s時，雙相鋼的抗力增加值達(dá)到200 MPa以上。

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