應(yīng)變速率對HC340LA低合金高強(qiáng)度鋼板拉伸性能的影響

苑文婧，劉曉航，田浩彬，魯成偉

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部，上海201209；2.上海匯眾汽車制造有限公司，上海200122）

0 引 言

低合金高強(qiáng)度鋼是一種汽車用普通高強(qiáng)度鋼，又稱沉淀強(qiáng)化鋼，目前以熱軋為主，多用于汽車車體結(jié)構(gòu)件，所用板材厚度為0.8～2.5mm。許多高強(qiáng)度鋼構(gòu)件是汽車承受碰撞、保證安全的重要部件，因此高強(qiáng)鋼在高應(yīng)變速率下的特性是其重要性能之一。目前，國內(nèi)外對于高強(qiáng)鋼在高應(yīng)變速率下的研究較多，但這些研究中涉及的試驗(yàn)方法和設(shè)備不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)處理方法也不相同，導(dǎo)致汽車整車碰撞有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差距［1］。

文獻(xiàn)［2］研究了雙相鋼和TRIP鋼在不同高應(yīng)變速率下的力學(xué)性能，高應(yīng)變速率試驗(yàn)設(shè)備采用的是液壓伺服系統(tǒng)及霍普金森桿，并對兩種方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)［3］重點(diǎn)分析了合金元素、冶煉方法及熱處理工藝對低合金高強(qiáng)度鋼板強(qiáng)韌性的影響。文獻(xiàn)［4］針對HC420LA低合金高強(qiáng)度鋼板，研究了應(yīng)變時(shí)效對其屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率的影響，發(fā)現(xiàn)2%的預(yù)應(yīng)變可以提高HC420LA低合金高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度。文獻(xiàn)［5］研究了預(yù)應(yīng)變和應(yīng)變速率對HC340LA低合金高強(qiáng)度鋼板力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)HC340LA高強(qiáng)鋼對預(yù)應(yīng)變和應(yīng)變速率敏感，流變應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)變量和應(yīng)變速率的提高而增大。文獻(xiàn)［6-7］研究了加載速度對40Cr和30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼動態(tài)斷裂韌性的影響，發(fā)現(xiàn)動態(tài)斷裂韌性均隨加載速度的增加呈上升趨勢。文獻(xiàn)［8］針對船體用10MnNiCrMoV鋼，分析了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)拉伸狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度、伸長率及組織的變化情況。

隨著對汽車安全性要求的不斷提高，高強(qiáng)鋼板的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。按照一般規(guī)律，隨著應(yīng)變速率的增加，鋼鐵材料的抗拉強(qiáng)度增加，總伸長率降低。但是對于不同批次的鋼板，不一定適用該規(guī)律，為此，作者針對某車型結(jié)構(gòu)件所用的HC340LA低合金高強(qiáng)度鋼板，研究四種應(yīng)變速率下該鋼板拉伸性能的差異，并觀察了高應(yīng)變速率下顯微組織和斷口形貌。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的冷軋低合金高強(qiáng)度鋼板，歐標(biāo)牌號是HC340LA，板料厚度為2mm。其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為：0.066C，0.82Mn，0.021P，0.003S，0.027Nb，余 Fe。參照GB／T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工拉伸試樣，拉伸試樣采用定標(biāo)距試樣，由于高速拉伸時(shí)試樣夾持部分容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，因此左側(cè)預(yù)留高速拉伸機(jī)夾持部分，尺寸見圖1。拉伸試驗(yàn)在INSTRON 3382型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并使用激光引伸計(jì)和壓電傳感器測應(yīng)變和拉伸力，拉伸時(shí)選擇一種準(zhǔn)靜態(tài)（應(yīng)變速率為10-3）和三種高應(yīng)變速率（應(yīng)變速率分別5，50，200s-1）。采用的試驗(yàn)方法是美系、德系和日系汽車企業(yè)內(nèi)部均認(rèn)可的，并且已經(jīng)成功用于某車型汽車碰撞的分析與實(shí)驗(yàn)中。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

在拉伸試樣標(biāo)距內(nèi)斷口附近線切割制備了多個(gè)10mm×10mm的金相試樣，磨平、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)5%硝酸酒精溶液腐蝕，然后在NIKON ESLIPSELV150L型光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。并采用HITACHI S-4800型掃描電鏡，觀察高速拉伸試樣的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變速率對拉伸性能的影響

圖2 不同應(yīng)變速率下HC340LA鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Engineering stress-strain curves of HC340LA steel at different strain rates

表1 不同應(yīng)變速率下HC340LA鋼的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of HC340LA steel at different strain rates

2.2 應(yīng)變速率對顯微組織和斷口形貌的影響

因試驗(yàn)條件限制，只得到了應(yīng)變速率為50s-1和200s-1時(shí)的金相試樣。由圖3可見，HC340LA低合金高強(qiáng)度鋼板在應(yīng)變速率為50s-1和200s-1拉伸后的顯微組織均為鐵素體和珠光體，白色組織為鐵素體，灰黑色組織為珠光體；應(yīng)變速率對晶粒尺寸有顯著的影響，隨著應(yīng)變速率的增加，大部分鐵素體的晶粒尺寸減小，分布更加不均勻，同時(shí)晶界增多，因此塑性、強(qiáng)度降低，與拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致，即應(yīng)變速率從5s-1增加到200s-1過程中，材料的伸長率降低，抗拉強(qiáng)度降低。

圖3 應(yīng)變速率為50s-1和200s-1時(shí)HC340LA鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of HC340LA steel at strain rates of 50s-1and 200s-1

圖4 應(yīng)變速率為50s-1和200s-1時(shí)HC340LA鋼的斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of HC340LA steel at strain rate of 50s-1and 200s-1

由圖4可見，在兩種應(yīng)變速率下，HC340LA鋼斷口均呈現(xiàn)明顯的正交韌窩，服從韌性斷裂準(zhǔn)則。同時(shí)對比兩種應(yīng)變速率下的斷口形貌發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變速率為50s-1的試樣斷口中韌窩尺寸大而深，分布更加均勻。一般認(rèn)為，韌窩尺寸越大越均勻，說明材料的塑性越好［9］。

3 結(jié) 論

（1）與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果相比，在高應(yīng)變速率下HC340LA低合金高強(qiáng)度鋼板的塑性更好、伸長率和屈強(qiáng)比更高；而在高速拉伸時(shí)隨著應(yīng)變速率的增加，其伸長率和抗拉強(qiáng)度略有降低。

（2）高應(yīng)變速率下，隨著應(yīng)變速率的增加，鐵素體的晶粒尺寸減小，分布更加不均勻，同時(shí)晶界增多，因此伸長率和抗拉強(qiáng)度隨之降低；試驗(yàn)鋼板服從韌性斷裂準(zhǔn)則，應(yīng)變速率為50s-1的拉伸試樣斷口中韌窩尺寸大而深，分布更均勻，塑性好于應(yīng)變速率為200s-1時(shí)的。

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