孫昊飛，肖 志，韋 凱，楊旭靜，齊 軍

(1 汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；2 湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)及制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082；3 上海匯眾汽車(chē)制造有限公司，上海 201814)

由于耐撞性和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求[1-2]，先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼目前主要分為三代，其中雙相鋼(DP鋼)、復(fù)相鋼(CP鋼)、相變誘導(dǎo)塑性鋼和馬氏體鋼等第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有高強(qiáng)度和優(yōu)良延性的良好綜合力學(xué)性能，且其成本較低[5-7]。CP鋼主要含有鐵素體基體、島狀馬氏體和長(zhǎng)條狀貝氏體[8]，其微觀(guān)組織中的貝氏體可以緩和鐵素體和馬氏體之間的性能梯度差異[9-11]，這使得復(fù)相鋼具有更好的成形性能和更高的屈服強(qiáng)度。車(chē)身結(jié)構(gòu)件如扭力梁、懸架臂在沖壓制造過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生較大的變形量，因此CP鋼常用于制造此類(lèi)零部件。

車(chē)身底盤(pán)結(jié)構(gòu)件在制造過(guò)程中所引入的預(yù)變形，會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能產(chǎn)生變化[12-13]。目前大多數(shù)研究集中于探索二維平面變形對(duì)金屬力學(xué)性能的影響[14-18]。對(duì)于CP鋼，合適范圍的預(yù)拉伸應(yīng)變可以有效提高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[19]。Das等[20]研究發(fā)現(xiàn)軋制方向和寬度方向的預(yù)拉伸均可提高DP600鋼的屈服強(qiáng)度。值得注意的是，彎曲變形也是一種常見(jiàn)和重要的變形方式，且彎曲變形過(guò)程會(huì)引起材料復(fù)雜的變化和損傷情況。目前有研究預(yù)彎曲應(yīng)變下CP鋼的成形性能變化規(guī)律，Suppan等[21]研究了彎曲過(guò)程中組織對(duì)CP鋼成形性的影響，通過(guò)測(cè)量硬化指數(shù)和對(duì)彎曲過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，分析了宏觀(guān)變形行為。Habibnejad-korayem等[22]研究了室溫下鎂合金薄板彎曲后的變形機(jī)理和累積彎曲性。Ma等[23]研究了彎曲預(yù)撓度影響下鎂合金的三點(diǎn)彎曲和單軸拉伸性能。然而，對(duì)于預(yù)彎曲后CP鋼的靜力學(xué)性能變化規(guī)律鮮有相關(guān)研究報(bào)道。

研究CP鋼在彎曲成形過(guò)程中靜力學(xué)性能的變化是其工業(yè)應(yīng)用的必要前提。因此，本工作選取廣泛用于制造汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的CP800復(fù)相鋼，研究預(yù)彎曲對(duì)其微觀(guān)組織、殘余應(yīng)力和力學(xué)性能的影響。采用拉伸實(shí)驗(yàn)比較分析了預(yù)彎曲前后CP800鋼的拉伸性能，并由表面應(yīng)變場(chǎng)分布、微觀(guān)組織演變和殘余應(yīng)力分布，揭示了相應(yīng)的變形破壞機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料是由寶鋼公司生產(chǎn)的牌號(hào)為CP800的典型熱軋復(fù)相鋼(簡(jiǎn)稱(chēng)CP800)，厚度為3.5 mm。CP800彈性模量為(193±3) GPa，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為(707±6) MPa和(794±3) MPa。CP800的化學(xué)成分由Optima 8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和CS-2800型碳硫分析儀測(cè)定得到，如表1所示。

表1 CP800復(fù)相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the complex phase steel CP800 (mass fraction/%)

1.2 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方案

使用裝配有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的“U形”沖壓模具的水虎魚(yú)聯(lián)合沖剪機(jī)，如圖1(a)所示,對(duì)CP800進(jìn)行沖壓，使其產(chǎn)生預(yù)彎曲應(yīng)變得到內(nèi)表面彎曲直徑為13 mm、外表面彎曲直徑為20 mm的預(yù)彎曲板料，并對(duì)預(yù)彎曲板料進(jìn)行線(xiàn)切割(WEDM)得到最終的預(yù)彎曲試樣，該過(guò)程如圖1(b)所示，其中RD,TD,ND方向分別為軋制方向，橫向方向和法向。

圖1 預(yù)彎曲沖壓機(jī)與“U形”沖壓模具(a)以及預(yù)彎曲試樣制備流程(b)Fig.1 Pre-bending stamping machine and “U-morpha” stamping die (a) and preparation process of pre-bending specimens (b)

采用MTS809型伺服液壓軸向/扭力測(cè)試系統(tǒng)在室溫下對(duì)預(yù)彎曲試樣(簡(jiǎn)稱(chēng)D20試樣)及CP800原板料試樣(簡(jiǎn)稱(chēng)AR試樣)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，加載速率為2 mm/min，以研究其靜態(tài)力學(xué)性能如強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等參數(shù)的變化規(guī)律。同時(shí)，放置兩臺(tái)攝像機(jī)對(duì)拉伸試樣的內(nèi)外表面進(jìn)行拍照，利用基于商業(yè)軟件MATLAB開(kāi)發(fā)的數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation,DIC)軟件ncorr_2D_matlab對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)中的表面應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定。使用90%(體積分?jǐn)?shù)，下同)乙醇與10%高氯酸配比的腐蝕液對(duì)預(yù)彎曲試樣TD×ND截面進(jìn)行電解拋光，并利用電子背散射衍射(electron backscatter diffraction，EBSD)技術(shù)對(duì)微觀(guān)組織進(jìn)行觀(guān)察和取向分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)彎曲后微觀(guān)組織演變

分別對(duì)預(yù)彎曲后CP800的TD×ND截面的內(nèi)外表面微觀(guān)組織進(jìn)行觀(guān)察，具體觀(guān)察位置如圖2所示，得到CP800預(yù)彎曲后壓縮層和拉伸層的背散射電子圖像(backscatter electron image)、反極圖(inverse pole figure map)及取向差角圖(misorientation angle)，如圖3所示。

圖2 預(yù)彎曲試樣微觀(guān)組織觀(guān)測(cè)位置Fig.2 Observation position of microstructure of pre-bending specimens

從圖3(a-1),(a-2)可以看出，CP800的晶粒較為細(xì)小，約在3～5 μm之間。由圖3(c-1),(c-2)對(duì)比其壓縮層與拉伸層的取向差角，發(fā)現(xiàn)規(guī)律基本一致，內(nèi)外表面在預(yù)彎曲冷變形后晶粒取向差變化基本一致，在0°～10°與50°～60°分別存在一個(gè)峰值。其中0°～10°的峰值最為突出，大部分的晶粒都位于此區(qū)間，它們具有相同或接近的取向，小角度晶界的能量取決于位錯(cuò)能，位錯(cuò)強(qiáng)化在此起到顯著效果。而位于50°～60°之間的峰值表明這部分晶粒的取向差較大，大角度晶界為高能晶界，可以阻斷由脆性引發(fā)的裂紋傳播路徑，因而其分布和密度與強(qiáng)韌性效果表現(xiàn)為正相關(guān)。

圖3 預(yù)彎曲后CP800內(nèi)表面(1)和外表面(2)的EBSD圖(a)背散射電子圖像；(b)反極圖；(c)取向差角圖Fig.3 EBSD micrographs of inside surface (1) and outside surface (2) of CP800 after pre-bending(a)backscatter electron image;(b)inverse pole figure map;(c)misorientation angle

為了定量研究預(yù)彎曲變形后試樣壓縮層和拉伸層的位錯(cuò)密度，利用EBSD取向數(shù)據(jù)，采用核平均錯(cuò)位(kernel average misorientation，KAM)方法確定局部取向差[24-25]，由軟件計(jì)算得到預(yù)彎曲試樣對(duì)應(yīng)區(qū)域的局部晶體取向圖KAM圖，如圖4(a-1),(b-1)所示，進(jìn)而研究其GND(geometrically necessary dislocations)的演化規(guī)律。本研究不對(duì)大于2°的局部定位角進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算壓縮層和拉伸層的平均GND密度，如圖4(a-2),(b-2)所示，拉伸層的平均GND密度為1.818×1012m-2，大于壓縮層的平均GND密度1.814×1012m-2，說(shuō)明拉伸層(外表面)的缺陷密度較高。

圖4 預(yù)彎曲試樣的KAM圖(1)和平均GND密度圖(2) (a)內(nèi)表面；(b)外表面Fig.4 KAM maps (1) and average GND density images (2) of pre-bending specimens(a)inside surface;(b)outside surface

2.2 預(yù)彎曲后工程應(yīng)變及減薄率分布

對(duì)通過(guò)電化學(xué)腐蝕方法印制網(wǎng)格后的板料進(jìn)行預(yù)彎曲變形，然后使用AutoGrid全場(chǎng)網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)采集網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算得到其內(nèi)、外表面的等效應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，并根據(jù)金屬材料體積成形特點(diǎn)計(jì)算其減薄率分布情況。圖5為預(yù)彎曲后板料等效應(yīng)變及減薄率分布云圖，通過(guò)等效應(yīng)變可以更為直觀(guān)地度量其塑性應(yīng)變程度。由圖5(a),(b)可以發(fā)現(xiàn)預(yù)彎曲后內(nèi)表面等效應(yīng)變最大值為21%，且內(nèi)表面中心線(xiàn)位置分布的主應(yīng)變較大，外表面的等效應(yīng)變最大值為10%。內(nèi)表面的等效應(yīng)變比外表面增大約110%，這表明預(yù)彎曲后內(nèi)表面的塑性變形較大。觀(guān)察板料減薄率的分布(見(jiàn)圖5(c))，可以發(fā)現(xiàn)板料的中心線(xiàn)位置減薄率最大(7.2%)，邊緣位置有少量區(qū)域增厚，其增厚位置減薄率最小為-8.2%。該沖壓實(shí)驗(yàn)沒(méi)有設(shè)壓邊圈，板料為自由變形，板料中心線(xiàn)區(qū)域減薄后，向兩側(cè)邊緣位置堆積增厚。由于結(jié)構(gòu)件的實(shí)際制造過(guò)程更為復(fù)雜，難以通過(guò)彎曲半徑衡量其變形量，因此本節(jié)所測(cè)得的等效應(yīng)變分布和減薄率分布情況可以更精準(zhǔn)地衡量其變形量，進(jìn)而為工業(yè)制造提供參考信息。

圖5 預(yù)彎曲后板料內(nèi)表面(a)和外表面(b)的等效應(yīng)變分布以及減薄率分布(c)Fig.5 Distribution of equivalent stress of inside surface (a) and outside surface (b) of pre-bending steel plate,and distribution of thickness reduction (c)

2.3 預(yù)彎曲后的殘余應(yīng)力分布

首先對(duì)彎曲過(guò)程中板料的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行理論分析，圖6為殘余應(yīng)力分布的轉(zhuǎn)變過(guò)程。如圖6(a)所示，板材受到彎矩M發(fā)生彎曲變形時(shí)，其材料內(nèi)部將根據(jù)是否達(dá)到屈服應(yīng)力的應(yīng)力分布情況，分為彈性和塑性變形區(qū)域。而卸載彎矩時(shí)，如圖6(b)所示，相當(dāng)于對(duì)板材施加反向彎矩-M使其處于無(wú)約束狀態(tài)，此處的-M為使形狀保持不變的彈性彎矩。最后，如圖6(c)所示，彎曲應(yīng)力與彈性卸載應(yīng)力疊加后就是板材的殘余應(yīng)力分布情況，從應(yīng)力分布曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)板材的殘余應(yīng)力分布情況從卸載前的拉-壓應(yīng)力分布變?yōu)榱讼鄬?duì)復(fù)雜的拉-壓-拉-壓交替分布，其內(nèi)表面(應(yīng)變壓縮層)呈現(xiàn)拉應(yīng)力而外表面(應(yīng)變拉伸層)呈現(xiàn)壓應(yīng)力。

圖6 板材彈塑性彎曲應(yīng)力分布(a)彎曲應(yīng)力；(b)彈性卸載應(yīng)力；(c)殘余應(yīng)力Fig.6 Elastic-plastic bending stress distribution of plate(a)bending stress;(b)elastic unloading stress;(c)residual stress

其次，對(duì)板材沖壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，得到彎曲后中心線(xiàn)上沿厚度方向的殘余應(yīng)力的分布情況，具體測(cè)量位置如圖7所示，在橫向中心線(xiàn)上選取4個(gè)位置，對(duì)每個(gè)位置的厚度方向測(cè)試6個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，得到變化規(guī)律曲線(xiàn)。本節(jié)采用有限元分析軟件ABAQUS開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，理論上本沖壓過(guò)程的試樣與模具長(zhǎng)度對(duì)殘余應(yīng)力的結(jié)果不存在影響，為了減少運(yùn)算量和提高運(yùn)算精度，將其長(zhǎng)度(試樣的軋制方向)縮小為其實(shí)際尺寸的1/4，試樣和模具的寬度、厚度與實(shí)際尺寸保持一致，如圖8(a)所示。沖壓過(guò)程仿真參數(shù)設(shè)置與實(shí)際情況保持一致，為保證計(jì)算結(jié)果的收斂性和計(jì)算精度，試樣寬度方向網(wǎng)格向中心偏移，使其中心位置的大變形區(qū)域網(wǎng)格密度較大，試樣網(wǎng)格效果圖如圖8(b)所示。

圖7 殘余應(yīng)力測(cè)量位置(a)厚度方向網(wǎng)格；(b)長(zhǎng)度方向位置Fig.7 Measurement position of residual stress (a)thickness directional mesh;(b)length directional position

圖8 沖壓過(guò)程及網(wǎng)格劃分(a)沖壓過(guò)程仿真裝配圖(縮減長(zhǎng)度)；(b)CP800鋼板網(wǎng)格Fig.8 Stamping process and meshing(a)image of simulation assembly of stamping process(reduction in length);(b)mesh of CP800 steel plate

通過(guò)計(jì)算得到結(jié)果后，使用查詢(xún)值功能獲得其中心線(xiàn)位置網(wǎng)格最大主應(yīng)力沿厚度的變化規(guī)律，將各數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果整理得到規(guī)律曲線(xiàn)如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力分布與理論分析一致，為拉-壓-拉-壓交替分布?xì)堄鄳?yīng)力，且厚度方向網(wǎng)格位置1的殘余應(yīng)力值絕對(duì)值小于厚度方向網(wǎng)格位置6的殘余應(yīng)力值絕對(duì)值，即板材的中性層向壓縮層發(fā)生了偏移。

圖9 仿真殘余應(yīng)力結(jié)果Fig.9 Simulation results of residual stress

最后，根據(jù)殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)EN15305-2008，使用iXRD型X射線(xiàn)殘余應(yīng)力分析儀對(duì)預(yù)彎曲試樣內(nèi)外表面對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)上的RD和TD方向進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量位置為內(nèi)外表面沿圖7(b)所示的中心線(xiàn)。采取多次曝光方法計(jì)算，其最終RD和TD方向殘余應(yīng)力及平面殘余應(yīng)力結(jié)果輸出見(jiàn)表2。由表2可知，試樣內(nèi)表面的殘余應(yīng)力為正值，即存在拉應(yīng)力；而外表面的殘余應(yīng)力為負(fù)值，即存在壓應(yīng)力，且外表面的壓應(yīng)力值絕對(duì)值大于內(nèi)表面的拉應(yīng)力絕對(duì)值，這與殘余應(yīng)力的仿真結(jié)果規(guī)律是一致的。此外，板材在沖壓過(guò)程中主要受到TD方向的作用力，而RD方向存在較小的殘余應(yīng)力值。這是因?yàn)榘宀脑谑芰蟮幕貜椷^(guò)程中，其應(yīng)力釋放路線(xiàn)是較為復(fù)雜的，在各個(gè)方向均有應(yīng)力分量產(chǎn)生。由彈塑性力學(xué)的等向強(qiáng)化假設(shè)，各向同性材料在受力強(qiáng)化后仍保持各向同性的性質(zhì)。因此針對(duì)本研究，可以理解為材料在某一方向的殘余應(yīng)力值都會(huì)影響到其整體表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)，而在本研究中，主要討論由分力合成后的殘余應(yīng)力值。在沖壓彎曲過(guò)程中，作為壓縮層的內(nèi)表面會(huì)首先受到壓縮，然后卸載后發(fā)生伸長(zhǎng)的回彈現(xiàn)象，此時(shí)內(nèi)表面存在拉伸殘余應(yīng)力；同理，作為外表面的拉伸層表現(xiàn)為壓縮殘余應(yīng)力。理論上，理想狀態(tài)下的板料純彎曲會(huì)使得內(nèi)外表面殘余應(yīng)力大小相等，方向相反，此處的內(nèi)外表面殘余應(yīng)力不相等可能是由于中性層偏移導(dǎo)致的。

表2 預(yù)彎曲試樣D20內(nèi)外表面實(shí)驗(yàn)殘余應(yīng)力分布Table 2 Distribution of experimental residual stress of inside and outside surfaces of pre-bending specimen D20

2.4 預(yù)彎曲后的拉伸性能變化規(guī)律

原板料試樣AR和預(yù)彎曲試樣D20的工程應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線(xiàn)如圖10(a),(b)所示，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等靜力學(xué)參數(shù)如表3所示，圖10(c)顯示了預(yù)彎曲應(yīng)變對(duì)于強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律。預(yù)彎曲試樣D20的屈服強(qiáng)度(yield strength，YS)為(593±33) MPa，抗拉強(qiáng)度為(986±4) MPa，伸長(zhǎng)率為(13.0±0.8)%。將其與AR試樣的拉伸性能相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)彎曲后原板料的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別降低了16%和25%，但是其抗拉強(qiáng)度提高了24%。此處伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度的變化主要是由于冷變形導(dǎo)致的冷拔硬化現(xiàn)象和位錯(cuò)強(qiáng)化效果，而屈服強(qiáng)度的變化主要是由于殘余應(yīng)力的拉-壓-拉-壓交替分布導(dǎo)致的。

圖10 AR試樣(a)與D20試樣(b)的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)以及強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律(c)Fig.10 Tensile engineering stress-strain curves of AR specimens (a) and D20 specimens (b),and variation trend of strengths and elongation (c)

表3 CP800預(yù)彎曲前后拉伸性能Table 3 Tensile properties of CP800 before and after pre-bending

圖11(a),(b)所示為預(yù)彎曲D20試樣斷裂前的內(nèi)外表面最后一張圖像的軸向表面應(yīng)變場(chǎng)(工程應(yīng)變)。對(duì)比圖11(a)和圖11(b)，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面的斷裂應(yīng)變大約為35%，明顯大于外表面的斷裂應(yīng)變(約為23%)。而圖11(c),(d)為AR試樣斷裂前兩側(cè)表面最后一張圖像的軸向表面應(yīng)變場(chǎng)(工程應(yīng)變)。此處分別稱(chēng)兩側(cè)表面為表面1和表面2，可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)表面的斷裂應(yīng)變均為約40%，體現(xiàn)了未受預(yù)彎曲試樣兩側(cè)表面的變形同步性。因此，在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于預(yù)彎曲應(yīng)變的影響，試樣的內(nèi)外表面應(yīng)變場(chǎng)存在明顯的不同步性，且內(nèi)表面所受到的損傷大于外表面。

圖11 斷裂前最后圖像的DIC軸向RD方向表面應(yīng)變場(chǎng)(a)D20試樣內(nèi)表面；(b)D20試樣外表面；(c)AR試樣表面1；(d)AR試樣表面2Fig.11 Measured DIC axial surface strain fields in RD direction for the last picture prior to fracture(a)inside surface of D20 specimen;(b)outside surface of D20 specimen;(c)surface 1 of AR specimen;(d)surface 2 of AR specimen

對(duì)含有殘余應(yīng)力的預(yù)彎曲試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力分布變化進(jìn)行分析，其中預(yù)彎曲試樣的殘余應(yīng)力分布情況為拉-壓-拉-壓交替分布，分析過(guò)程已在2.3節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在試樣拉伸受力變形的過(guò)程中，受泊松比和材料屈服狀態(tài)后的頸縮影響，其橫向變形(TD方向)是少量存在的。本研究把試樣看作由無(wú)數(shù)縱向(RD方向)的纖維組成，且假設(shè)在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各纖維是互不干擾的，即忽略材料的橫向變形。圖12為含有殘余應(yīng)力的預(yù)彎曲試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力分布變化情況。如圖12所示，試樣工程應(yīng)變?chǔ)?=0時(shí)的應(yīng)力分布即為經(jīng)過(guò)彎曲變形后板材的殘余應(yīng)力分布情況。隨著試樣受到拉力，試樣內(nèi)所有纖維將產(chǎn)生相同的拉伸應(yīng)變，此時(shí)其變形均為彈性變形。當(dāng)工程應(yīng)變達(dá)到ε2時(shí)，部分存在拉伸殘余應(yīng)力的纖維內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力，其應(yīng)力將幾乎不再增加，并開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)工程應(yīng)變達(dá)到ε3=σs/E時(shí)，即試樣達(dá)到原定材料整體表現(xiàn)出的屈服強(qiáng)度時(shí)，其由應(yīng)力積分得到的力會(huì)缺失虛線(xiàn)部分的面積，同時(shí)，在試樣達(dá)到原定整體屈服強(qiáng)度前，試樣內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了塑性應(yīng)變，因此表現(xiàn)出的屈服強(qiáng)度將比材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度要低。這與D20試樣的屈服應(yīng)力小于A(yíng)R試樣屈服應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖12 含有殘余應(yīng)力的預(yù)彎曲試樣拉伸過(guò)程中的應(yīng)力分布Fig.12 Stress distribution of pre-bending specimens with residual stress during tensile test

如圖11在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中預(yù)彎曲試樣斷裂前的表面應(yīng)變場(chǎng)顯示，預(yù)彎曲試樣內(nèi)表面的斷裂應(yīng)變大于外表面的斷裂應(yīng)變。這是因?yàn)榇嬖诶鞖堄鄳?yīng)力的內(nèi)表面位置的纖維由于比存在壓縮殘余應(yīng)力的外表面位置的纖維提前進(jìn)入塑性變形階段，在增加相同應(yīng)力的情況下，內(nèi)表面的纖維將產(chǎn)生更多的塑性應(yīng)變直至發(fā)生斷裂破壞。并且由此可得出在拉伸實(shí)驗(yàn)中預(yù)彎曲試樣的內(nèi)表面是損傷最大的部位和發(fā)生斷裂的位置。

3 結(jié)論

(1)預(yù)彎曲變形后的內(nèi)表面等效應(yīng)變較外表面約增大110%，內(nèi)表面的變形量較大，且試樣的中心線(xiàn)區(qū)域發(fā)生明顯減薄，最大為7.2%。而通過(guò)EBSD技術(shù)對(duì)內(nèi)外表面的GND密度進(jìn)行比較，得出外表面的缺陷密度較高，為1.818×1012m-2。

(2)預(yù)彎曲會(huì)使試樣的殘余應(yīng)力分布情況變?yōu)槔?壓-拉-壓交替分布，其內(nèi)表面(壓縮層)呈現(xiàn)拉應(yīng)力而外表面(拉伸層)呈現(xiàn)壓應(yīng)力。對(duì)預(yù)彎曲試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)分布進(jìn)行理論分析，這種殘余應(yīng)力的特殊分布會(huì)導(dǎo)致屈服應(yīng)力降低16%。同時(shí)，由于冷變形導(dǎo)致的材料硬化現(xiàn)象和位錯(cuò)強(qiáng)化效果使預(yù)彎曲CP800的伸長(zhǎng)率降低25%，而抗拉強(qiáng)度增大24%。

(3)通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)CP800預(yù)彎曲后拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)外表面應(yīng)變場(chǎng)存在不同步性，內(nèi)表面由于存在拉伸殘余應(yīng)力將產(chǎn)生更大的塑性應(yīng)變和損傷，其斷裂前最后圖像顯示預(yù)彎曲試樣的斷裂應(yīng)變大約為35%，明顯大于外表面的斷裂應(yīng)變(約為23%)，且內(nèi)表面早于外表面發(fā)生斷裂。