樣件標距對汽車用熱軋鋼板拉伸性能的影響

高新華， 李 軍， 陳云霞

（1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽車有限公司 汽車工程研究總院，安徽 蕪湖 241009）

目前汽車行業(yè)應用的汽車鋼板材料標準來源不同，鋼板性能所規(guī)定的樣件尺寸與對應的標距也不同，常用的鋼板試樣分為比例試樣和非比例試樣（定標距試樣）2類。比例試樣所測得材料塑性指標具有可比性，但試樣尺寸和規(guī)格多，造成試樣加工及試驗效率低；非比例試樣可克服上述缺點，但用它測定斷后伸長率時只能與同種試樣進行比較，喪失了廣泛的可比性。

斷后伸長率是金屬材料的重要力學性能塑性指標之一，通常與試樣的標距有關，相同狀態(tài)的材料，其試樣的標距不同，所測定的斷后伸長率也不同。因此，對相同狀態(tài)的汽車鋼板材料，只有標距相同時，所測定的斷后伸長率才具有可比性［1］。不同標距下的斷后伸長率，可采用不同的方法進行處理［2－5］。文獻［2］提出了伸長率換算公式；文獻［3］討論了伸長率換算公式在實際應用中的方便性和可行性，并就應用中的誤差進行了分析；文獻［4］分析了金屬力學性能試樣的變形過程，根據(jù)金屬材料均勻塑性變形階段單位長度塑性伸長相同，以及頸縮變形只在局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生的規(guī)律，建立了一種用標距小于標準比例試樣標距的非標準試樣，獲得相應材料標準比例試樣斷后伸長率的方法，雖然文中通過試驗驗證了該方法測得的斷后伸長率與文獻［1］規(guī)定的方法測得的斷后伸長率相吻合，但計算和處理比標準中的方法稍顯復雜，通用性也稍差。

文獻［5］基于試驗數(shù)據(jù)，對板式、棒式和管式試樣的試驗結(jié)果進行了分析，研究了某些材料伸長率與標距之間的關系，提出了材料伸長率與試樣標距長度之間的經(jīng)驗關系，所得經(jīng)驗關系不具有一般性，難以供實際采納和應用。文獻［6］建立了不確定度計算的數(shù)學模型，確定了影響試驗結(jié)果的各項因素。

本文通過試驗研究測試標距對汽車用熱軋鋼板的塑性和強度指標以及應力應變曲線軌跡的影響，為汽車設計用熱軋鋼板的材料選擇、CAE分析及產(chǎn)品可靠性的提高以及今后熱軋鋼板相關參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立提供了參考依據(jù)，避免設計與分析中的盲目性。

為使不同標距下的斷后伸長率具有可比性，本文將不同標距下的斷后伸長率換算成同一標距下的斷后伸長率，并通過試驗驗證。對汽車用熱軋鋼板而言，換算方法的可行性、換算結(jié)果的誤差在允許的范圍之內(nèi)。

1 斷后伸長率換算的方法

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣斷后的伸長量ΔL等于均勻伸長ΔLb與集中伸長 ΔLu之和［7－8］，即

均勻伸長量ΔLb與標距L0成正比，即

其中，β為與材料有關的常數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)求得。

集中伸長ΔLu與試樣原始截面積S0的平方根成正比，即

其中，γ為與材料有關的常數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)求得。

由 （1）～（3）式得：

應用較為廣泛的斷后伸長率A的計算公式［2－3］為：

其中，α為常數(shù)；S0為試樣原始橫截面積；L0為試樣原始標距；m為伸長率換算系數(shù)，與材料性能因素有關，一般通過對大量的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后獲得。

其中，對于熱軋鋼板和低合金鋼，m＝0.4。文獻［9］對斷后伸長率的預測也采用了該數(shù)值。

利用（7）式，不同標距下的斷后伸長率可換算到同一標距下，從而可解決使用汽車用熱軋鋼板時，比例試樣的斷后伸長率與非比例試樣的斷后伸長率的不可比問題。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本文測試的材料熱軋酸洗板為：SAPH370／1.8／2.2／2.5、SAPH440／2.3、SPHC／3.0、SPHE／1.8，是目前汽車行業(yè)普遍采用的材料。

2.2 試驗方法

試驗在CMT－5205萬能材料試驗機上進行，抗拉強度和斷后伸長率數(shù)值采用文獻［1］，同時采集準靜態(tài)下的載荷、橫向和縱向位移數(shù)據(jù)。r、n值的測定分別采用文獻［10］和文獻［11］。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 斷后伸長率換算

80mm標距的熱軋酸洗板，斷后伸長率試驗實測值和理論值比較如圖1所示，由圖1可知，實測值略低于理論值，但基本相符。用其他標距的熱軋酸洗板，可得到類似結(jié)論。兩者間的誤差主要是由材料誤差、測量誤差和（7）式引起的。但總體來說，對汽車用熱軋鋼板，用 （7）式將不同標距下的斷后伸長率換算到同一標距下，以便對不同標距下的斷后伸長率進行比較，是可行的。

試驗結(jié)果表明：（7）式所建立的斷后伸長率與標距之間的定量換算關系，可以用來衡量相同狀態(tài)的汽車用熱軋鋼板是否滿足設計使用要求，具有現(xiàn)實的工程意義；標距不同的相同狀態(tài)的汽車用熱軋鋼板，其斷后伸長率是不同的。

圖1 斷后伸長率的理論值與實測值比較

3.2 抗拉強度

試驗用幾種熱軋鋼板，在不同標距下測量的抗拉強度比較如圖2所示。

由圖2可知，除SAPH440／2.3外，50mm 標距的抗拉強度均高于80mm標距的抗拉強度，但相差不大。一般來說，樣件的規(guī)格不會對材料的抗拉強度產(chǎn)生影響，因強度是由其化學成分和組織結(jié)構(gòu)決定的［7］，對熱軋鋼板試件抗拉強度的影響也不會很大。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面是由材料抗拉強度的隨機性造成的；另一方面更可能是由于樣件加工時，表面線切割加工存在一定的缺陷造成的。50mm標距和80mm標距試樣的寬度分別為25mm和20mm，當線切割斷面缺陷寬度一致時，樣件越寬，影響越小，所以50mm標距試驗測量值略高。

試驗結(jié)果表明，標距對熱軋鋼板抗拉強度的影響微乎其微，可以忽略。即在實際應用中，不需要考慮標距對熱軋鋼板抗拉強度的影響。

圖2 不同標距下熱軋鋼板的抗拉強度

3.3 力學性能指標

在金屬單向拉伸測試中，衡量板材成形性的指標主要有斷后伸長率A、塑性應變比r、加工硬化指數(shù)n。不同的測試標距下，測試的熱軋鋼板試件的A、r、n值見表1所列。

由表1可知，80mm標距的斷后伸長率比50mm標距的斷面伸長率低15%～20%；80mm標距的r值大，接近50mm標距r值的2倍，而80mm標距的n值小13%～25%。多次試驗結(jié)果表明，標距對熱軋鋼板A、r、n值有影響，此影響不容忽略。

幾種材料在50mm和80mm標距下的工程應力應變曲線如圖3所示，真實應力應變曲線如圖4所示。

由圖3可知，2種標距下的測試結(jié)果反映在工程應力應變曲線上有較大的差異。50mm標距的均勻伸長率、斷后總伸長率等塑性指標都明顯大于80mm標距相應的值。

表1 不同標距下鋼板的A、r、n的測試值

圖3 幾種材料50mm和80mm標距下的工程應力應變曲線

由圖4可知，在塑性變形初始階段，采用80mm標距對應的真應力值比50mm標距的大，在相同變形量時能吸收更多的能量。但是，由于50mm標距試樣有更大的硬化指數(shù)，其真應力增加速率快，這與試驗測得的n值較大一致。隨著應變的增加，50mm標距的真應力逐漸超過80mm標距，在某一應變值處兩者的真應力值相同。

圖4 幾種材料50mm和80mm標距下的真實應力應變曲線

在真應力應變曲線的末端，50mm標距的斜率更大，這與試驗測得的n值較大一致。當以末端斜率來擬合緊縮階段真應力時，會得到偏大的真應力值。不同的曲線對于以吸收能量大小為主要考核指標的碰撞分析來說，會影響失效點的確定，同時也會對零件變形形式的判定產(chǎn)生一定的影響。幾種材料在2種測試標距下得到的均勻塑性變形最大真應力值與真實應變值見表2所列。

由圖3、圖4及表2可知，熱軋鋼板在不同標距下，其工程應力應變曲線、真實應力應變曲線以及最大真應力有很大差異。因此，實際應用中，應考慮標距對材料應力應變特性的影響。

表2 不同標距測真實應力應變曲線的最大真應力與真應變

4 結(jié)束語

對不同標距下的汽車用熱軋鋼板樣件，利用簡單的公式，將不同標距下的斷后伸長率換算到同一標距下，以節(jié)省必要的人力、物力和財力，使不同標距下的斷后伸長率具有可比性，結(jié)果表明該方法是可行的，且能夠滿足工程精度要求。標距對汽車用熱軋鋼板樣件的抗拉強度基本無影響。汽車用熱軋鋼板樣件的斷后伸長率和n值隨標距的增大而減小，r值卻增大。

汽車用熱軋鋼板樣件的變形量、均勻伸長率和斷后總伸長率等塑性指標，隨標距的減小而增大；不同標距的真實應力應變曲線有較大的不同，且最大真應力和最大真應變隨標距的減小而增大。

不同標距的汽車用熱軋鋼板，在塑性指標、應力應變曲線上存在很大的差異，遠遠超出了工程允許的誤差范圍。因此，除抗拉強度外，在工程應用中，應盡可能選用統(tǒng)一規(guī)格的熱軋鋼板，否則，會影響汽車產(chǎn)品的可靠性以及設計和CAE分析結(jié)果的有效性。對不同標距的汽車用熱軋鋼板，應通過試驗建立其塑性指標等數(shù)據(jù)庫，供設計和分析參考與使用。

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