双相钢在不同应变速率下的力学性能研究

任 虎，王连轩，张龙柱，石建强

(河钢集团邯钢公司 技术中心， 河北 邯郸 056015)

DP钢作为高强钢，广泛应用于汽车部件底盘、车身、悬架和转向系统[1-2]。由于其强度高、加工硬化能力强，有利于碰撞安全。汽车发生碰撞时，相关部件的应变速率跨度范围从几十到几百，采用静态力学性能对其碰撞吸能性能进行计算或仿真分析时，不能准确体现DP钢的动态吸能潜力和耐撞性能[3-7]。因此，本文研究了几种不同DP钢在准静态和动态条件下的力学行为，对其应变速率敏感性进行了系统的分析和对比。

1 材料及试验

1.1 试验材料

试验采用三种双相钢，分别为1.2 mm厚的DP590、1.6 mm厚的DP780和1.4 mm厚的DP980。

1.2 准静态拉伸试验

按照GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法规定，以板材轧制方向为参考，分别沿与板材轧向呈0°、45°和90°方向进行取样，样品的形状及尺寸如图1所示。准静态拉伸在SANS CMT5305拉伸试验机上进行，试验拉伸速度为5 mm/min，试验完成后分别按照GB/T 5027和GB/T 5028测试试样的加工硬化指数n和塑性应变比r。

图1 准静态拉伸试样

1.3 高速拉伸试验

高速拉伸试验在HTM5020液压伺服试验机上进行。该试验机的最大拉伸速度为20 m/s，试验采用的样品形状及尺寸如图2所示。试样沿轧制方向进行取样，样品的平行段的长度为20 mm，因此在该试验机上试样的最大应变速率可达到1 000/s，试样平行段宽度为10 mm，过渡圆弧半径为10 mm。在汽车碰撞过程中，一般最高的应变速率不超过500/s。

图2 高速拉伸试验试样

测力和测变形时均采用在试样上粘贴应变片的方式。其中，测变形的应变片粘贴在试样的平行段中间位置，测力的应变片粘贴在试样不发生塑形变形的夹持部分。

本试验选用8个不同的应变速率进行试验，分别为0.001/s、0.1/s、1/s、10/s、100/s、200/s、500/s和1 000/s。

2 试验结果及讨论

2.1 准静态拉伸试验结果

三种双相钢在准静态条件下的流变曲线如图3所示，从图中可以看出，双相钢在三个方向上的流变曲线存在微小的差异性，即板材在各方向上的力学性能表现为微弱的各向异性，具体的力学性能参数如表1所示。DP590的屈服强度为380 MPa左右，抗拉强度为624 MPa左右，三方向上的强度差别在10 MPa左右；与DP590类似，DP780三方向上强度差也在10 MPa范围内，屈服强度和抗拉强度分别为489 MPa和796 MPa；DP980三方向上的强度差最大，轧制方向和垂直于轧制方向上的屈服强度差达到60 MPa以上。

表1 三种双相钢的力学性能

对于三种双相钢，随着其内部组织中铁素体和马氏体的相对体积分数的变化，其力学性能发生显著变化。随着马氏体体积分数增加，双相钢的流变应力不断增大，同时其应变硬化指数显著降低，其中DP590的应变硬化指数为0.19，DP780的应变硬化指数为0.16，DP980的应变硬化指数最低，为0.1左右。DP590表现为最好的塑形，断后延伸率为29%左右，DP780和DP980的断后延伸率分别为22%和13%左右。当材料用于结构安全件时，评价其适用性的一个重要指标为强塑积，经计算，DP590和DP780的强塑积相当，与之相比，DP980的强塑积降低28%左右，因此DP980用于安全件时，其吸能效果降低，脆性更加显著。

(a)DP590

(b)DP780

(c)DP980 图3 不同DP钢在准静态条件下的流变曲线

(a)DP590

(b)DP780

(c)DP980 图4 不同DP钢在动态条件下的流变曲线

动态拉伸试验中，通过应变片采集获得应力和应变的电信号，通过转换最终获得工程应力值和工程应变值。根据体积不变原理将其转换为真应力-真应变曲线并去掉弹性段后，获得如图4所示的双相钢在不同应变速率条件下的真应力-真应变曲线。随着应变速率增加，三种双相钢的流变应力均增大，表现出正的应变速率敏感性。与准静态条件相比，三种双相钢在1000/s应变速率条件下，其抗拉强度均显著增加，增幅超过200 MPa。因此，双相钢在用于汽车结构安全件时，在高速条件下强度值上升有利于进一步提升汽车的安全性能。

2.3 讨论

为研究双相钢的应变速率敏感性，分别取各应变速率下双相钢在不同应变水平下的流变应力进行比较，以应变速率的自然对数为横坐标，以三种双相钢在不同应变速率条件下的屈服强度为纵坐标作图，其结果如图5所示。从图中可以看出，在各应变速率条件下，DP590、DP780和DP980的屈服强度逐渐增加，在不同的应变速率条件下，双相钢的屈服强度变化趋势与应变速率的变化方向一致，即应变速率增加，屈服强度增加，表现出显著的应变速率敏感性。

图5 双相钢在不同应变速率条件下的强度变化

材料在塑性变形时，应力与应变和应变速率之间可用幂指数关系表示：

在一定应变条件下，对上式取自然对数，并微分可得：

按上式对相关参数进行线性拟合，可以获得双相钢在一定应变条件下的应变速率敏感性，以10%塑形应变为例，通过线性拟合获得三种材料的应变速率敏感性指数如表2所示，三种材料的应变速率敏感性指数拟合结果的相关性均大于0.95，其中DP590的应变速率敏感性指数为0.0186，DP780的应变速率敏感性指数为0.0154，DP980的应变速率敏感性指数为0.0137，即三种双相钢中，DP590有最大的应变速率敏感性，随着双相钢强度级别的增加，材料的应变速率敏感性降低。

表2 双相钢的应变速率敏感性

3 结论

(1)在准静态条件下，三种双相钢在三个方向上的力学性能表现出微弱的各向异性，随着马氏体体积分数的增加，双相钢的强度增加、塑形降低、加工硬化指数降低，DP590和DP780具有相当的强塑积，而DP980的强塑积显著降低。

(2)双相钢表现出正的应变速率敏感性，即随着应变速率增加，双相钢的流变抗力提高，当应变速率提高到1000/s时，双相钢的抗力增加值达到200 MPa以上。

(3)三种双相钢中，DP590的应变速率敏感性最高，DP980的应变速率敏感性最低，即随着双相钢强度增加，材料的应变速率敏感性降低。