DP1180钢板高温单向拉伸性能研究

摘 "要：通过Gleeble-3800热模拟机在500～900℃范围内对1.8mm厚度DP1180钢板进行高温拉伸试验，探究了温度对其力学性能的影响，并分析了不同温度下拉伸失效试样的断口形貌和显微组织。研究结果表明：材料的抗拉强度随着温度的上升显著降低，当拉伸试验温度由500℃上升到900℃后，抗拉强度由759MPa下降至251MPa；同时延伸率大幅提高，由36.5%提高至71.5%；在此过程中，拉伸试样的断口形貌由包含脆性断裂特征转变为典型的韧性断裂特征。

关键词：DP1180；单向拉伸；力学性能；断口形貌

中图分类号：TG142 """""""""文献标志码： A

Study on Hightemperature Unidirectional Tensile Properties of DP1180 Sheet

Xu Hui， DENG Peiran， CHONG Xiwen， YANG Shanglei

（School of Materials Science and Engineering， Shanghai University

of Engineering Science， Shanghai 201600，China）

Abstract： The influence of temperature on the mechanical properties of DP1180 steel plate with 1.8mm thickness was investigated by high temperature tensile test of DP1180 steel plate with Gleeble-3800 thermal simulation machine in the range of 500—900℃. The fracture morphology and microstructure of tensile failure specimens at different temperatures were analyzed. The results show that the tensile strength of the material decreases significantly with the increase of temperature. When the tensile test temperature rises from 500℃ to 900℃， the tensile strength decreases from 759MPa to 251MPa. At the same time， the elongation rate increased significantly from 36.5% to 71.5%. During this process， the fracture morphology of tensile specimens changed from brittle fracture to typical ductile fracture.

Key words： DP1180; unidirectional drawing; mechanical property; fracture morphology

0 "引 "言

如今，先进高强度钢（AHSS）由于其在强度和延展性方面具备出色的平衡性，在汽车行业被广泛应用。在大量应用先进高强钢后，汽车的重量得到大幅度减轻，能最大限度地减少能源消耗和温室气体排放。目前，先进高强钢已发展了三代［1］，双相钢虽然属于第一代产品，但由于其出色的性能表现，在与采用更先进技术制造的第二代和第三代产品相比时，依旧具备很强的竞争力［2］，因此是先进高强钢中最知名、应用最广泛的产品。据统计，先进高强钢在汽车中的应用率正迅速提高，2007年时，其在车身中仅占9%，到2015年已上升至到35%，其中，双相钢的占比在50%以上［3］。

先进高强钢虽然性能优异，但由于其强度极高，采用传统冷成型工艺难以成型，不但对设备吨位要求很高，且很容易出现破裂、起皱、回弹等问题［4］。因此，先进高强钢通常采用高温成型。目前，对双相钢的研究通常集中在化学成分和微观断裂机制等方面［5-8］，对其在高温下的成型性能研究较少。本文选取抗拉强度达到1180MPa以上的DP1180钢板进行研究，通过高温拉伸试验探究其在不同温度下的力学性能，并对其断口和显微组织进行研究，对DP1180钢板在热成型中的应用具备重要的参考价值。

1 "试验材料及试验方法

1.1 "试验材料

本文的研究对象为1.8mm厚度的DP1180钢板，其化学成分如表1所示。根据国家标准GB/T 228.2-2015要求，设计单向拉伸试样的尺寸如图1所示。采用线切割机床，在同一块板材上沿轧制方向切割试样，并在试样的两端钻孔以便于装夹试样。试样表面采用砂纸打磨，避免试样加工缺陷对试验结果造成影响。

1.2 "试验设备及方法

单向拉伸试验在Gleeble-3800热模拟机上进行，该试验机搭载的电阻加热系统最高可提供10000℃/s的加热速度，与之配套的热电偶可实时反馈试样的温度，以准确控制试验温度。其搭载的液压伺服控制系统可提供最大2000mm/s的位移速度以及最大10t的静拉力，因此可以满足试验需求。

本次试验分别在500，600，700，800及900℃下进行，试验开始时，采用20℃/s的速率对试样进行加热，达到目标温度后，保温3min，随后以1s-1的应变速率匀速拉伸，直至试样断裂失效，随后自然冷却至室温。

2 "试验结果及分析

2.1 "拉伸断裂试样

图2为各温度下拉伸完成后的断裂试样。从图中可以看出，随着温度的上升，拉伸试样的延伸率逐渐提高，且颈缩现象愈发明显。

2.2 "力学性能

不同温度下DP1180钢的真实应力—应变曲线如图3所示。从图中可以看出，温度对DP1180钢板的性能影响十分明显，从500℃升高至900℃后，抗拉强度大幅下降，从759MPa下降至251MPa，降低了66.9%；而延伸率随着温度的升高显著提高，由36.5%提升至71.5%，提升了95.9%。在高温下，钢的热塑性变形机制主要包括3种：晶内滑移、晶界滑移和扩散性蠕变［9］。其中，影响最大的是晶内滑移，由于原子的热振动频率增强，扩散速度也随之加快，晶体内部的位错变得活跃起来，滑移、攀移和交滑移更容易开动。因此，温度的升高使得钢的塑性大幅度提高。另一方面，双相钢的超高强度来自于弥散分布的岛状马氏体对铁素体的阻碍作用［10］。而在温度升高的过程中，基体中的马氏体大量分解，对铁素体基体的塑性变形阻碍降低，因此，DP1180钢的抗拉强度大幅降低。从图3中可以看出，当拉伸温度从700℃升高至800℃和900℃时，延伸率提高幅度最大。这是由于DP1180钢的Ac1温度和Ac3温度分别为729℃和820℃［11］，即在729℃时开始奥氏体化，在820℃时完全奥氏体化，而奥氏体的结构为面心立方，其滑移系的数量为体心立方结构的2倍［12］，可开动的位错数量大幅提高，不易出现位错塞积。因此，拉伸温度从700℃升高至800℃后钢的热塑性大幅提高。

2.3 "断口形貌

失效试样的断口包含了大量的信息，记录了从裂纹产生、扩展直至断裂的过程［13］，因此，观察断口的形貌对于研究DP1180钢板在高温下塑性变形的过程有重要意义。通过扫描电子显微镜对断口的形貌进行观察，不同温度下断口形貌如图4所示。

图4为500℃下拉伸失效试样的断口形貌。可以看出，由于同时存在铁素体基体以及硬脆的马氏体相，该温度下断口的微观形貌呈现出明显的不均匀性，同时包含了韧性断裂与脆性断裂的多种特征，接近准解理断口的形貌［14］。这种断口形貌通常存在于回火后的高强钢中，由于马氏体的回火过程会产生碳化物析出，这些缺陷易产生裂纹源，随着拉伸的进行，在载荷作用下逐渐扩展，形成多处河流花样和准解理小断面。从图4（a）中观察到了撕裂棱、等轴状的韧窝以及韧窝带，说明在形成裂纹核后，并没有以脆性方式断裂，而是以塑性方式撕裂了残余的连接部分。同时，在一些微小孔洞和碳化物、杂质等缺陷处形成裂纹源，放大至1000倍后，从图4（b）中可以观察到短而弯曲的河流花样，裂纹没有持续扩展，这些均符合准解理的特征。

图5为600℃下拉伸失效试样的断口形貌。可以看出，与500℃时的断口形貌相比，600℃的断口形貌产生了较大的变化，韧窝数量大幅减少，断裂面深浅不一，并且可以看到明显的沿晶断裂微裂纹。结合真实应力—应变曲线进行分析，推测此时与500℃下断口形貌出现较大差异的可能原因，是温度的升高使得动态回复效应增强，材料在软化机制的作用下，出现较大的塑性变形后，累计的高密度位错数量减小，因此撕裂棱较少。而此时的组织依旧以铁素体与马氏体为主，马氏体在温度升高后回火并逐步分解，但两相之间依旧存在着明显的差异，因此沿着晶界处产生了大量的沿晶断裂微裂纹［15］。

图6为700℃下失效试样的微观断口形貌。此时接近奥氏体化温度，材料内部的组织十分复杂，断口的形貌十分不均匀。选取形貌差异较大的两个位置进行观察，发现位置1处的断口较深，在撕裂棱上分布着密集的细小韧窝，说明这部分材料以塑性方式断裂。而突起部分与600℃时的断口形貌较为类似，存在着沿晶断裂现象。位置2则较为平整，可以观察到尺寸较大的韧窝，说明随着裂纹的扩展，细小的韧窝聚集为较大的韧窝，是塑性较好的表现。这与真实应力—应变曲线中700℃时板料塑性提高相一致。

温度到达800℃与900℃后，断口的形貌较为一致，如图7所示。与奥氏体化前的试样断口形貌相比，这两个温度下的断口形貌发生了很大的变化，断口的宽度变得极小，仅为30μm左右，由较大的韧窝以及周围的细小韧窝组成，呈现出典型的韧性断裂特征。这是由于此时材料中的组织几乎全部转变为奥氏体，塑性极好，在断裂前出现了程度很大的颈缩现象。

2.4 "显微组织

从断裂试样的断口处切割10mm左右的试样，通过扫描电子显微镜对不同温度下拉伸试样的显微组织进行观察，结果如图8所示。图8（a）为DP1180钢初始状态，可以看出在铁素体基体上弥散分布着岛状的马氏体组织。当试样在500℃下拉伸后，如图8（b）所示，弥散分布的马氏体岛大量分解，马氏体中固溶的碳化物析出，组织中出现大量白色碳化物，在晶界处有大量的微小孔洞。在温度升高至700℃的过程中，由于变形程度增大，晶粒变得更加细长，排列逐渐呈现一定的方向性。当温度升高至800℃后，如图8（e）所示，在拉伸时组织转变为奥氏体，碳化物颗粒明显减少，冷却后的组织以铁素体和残余奥氏体为主，晶粒的分布仍存在一定的方向性。而温度升高至900℃后，如图8（f）所示，在高温及较大的应变作用下，变形的晶粒发生动态再结晶，晶粒的排列不再具有方向性，并且明显长大。

3 "结 "论

1） 在500～900℃范围内，随着拉伸温度的提高，DP1180钢板的塑性显著提高，其抗拉强度大幅降低，从759MPa下降至251MPa，降低了66.9%；而延伸率随着温度的升高显著提高，由36.5%提升至71.5%，提升了95.9%。

2） 奥氏体化后，DP1180钢板的塑性大幅提高，当温度从700℃升高至800℃后，延伸率由46.2%提升至70.4%。

3） 对断裂试样的断口形貌进行观察，发现由于马氏体与铁素体基体的力学性能差异较大，断口中同时存在脆性断裂的特征和韧性断裂特征，在硬脆的马氏体组织周围容易出现微裂纹。而奥氏体化后，断口完全由韧窝组成，为典型的韧性断裂。

4） 对显微组织进行观察后，发现温度在900℃时，晶粒开始长大，因此DP1180钢板最佳的成形温度应控制在800～900℃之间。

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文章编号：10014934（2024）02004807

作者简介：徐辉，硕士，主要从事材料加工方面的研究。

（上海工程技术大学 "材料科学与工程学院，上海 "201600）