雙相鋼780DP的動態(tài)拉伸性能

賈耿偉，趙渭良，王愛民，張龍柱

(河鋼集團邯鋼公司,河北 邯鄲 056000)

近年來，汽車工業(yè)的發(fā)展對汽車材料的輕量化提出了新的要求，各種高強度鋼在汽車工業(yè)上得到了大量的應用。雙相鋼是超高強鋼中應用最廣的鋼種，主要用來制作A柱、B柱、防撞梁、橫梁等部件，以增加汽車整車的撞擊性能。其中，780 MPa強度級別的雙相鋼是強度、塑性結合最好的鋼種，能滿足比較復雜的拉延、彎曲、擴孔等類型的成形，而且具有較好的剛度和抗凹陷性，能滿足汽車一般結構零件的需要。但是，為了滿足汽車高強鋼部件防撞性能的需要，有必要對780DP鋼的高應變率下的動態(tài)拉伸性能進行深入的研究。本文利用邯鋼生產(chǎn)的780DP為試驗樣本，進行了靜態(tài)拉伸和不同應變率的動態(tài)拉伸試驗，并且對試驗結果進行了初步的分析。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

本試驗采用的是邯鋼批量生產(chǎn)的冷軋雙相鋼780DP，厚度為1.6 mm，材料的主要化學成分如表1所示。

表1 780DP鋼的化學成分(wt%)

780DP鋼的顯微組織如圖1所示。材料主要為馬氏體和鐵素體的混合組織，基體鐵素體晶粒尺寸為8-15μm，馬氏體均勻分布在鐵素體基體上。其中，通過計算可得，基體中馬氏體的體積分數(shù)約為32%。

圖1 780DP鋼的顯微組織

動態(tài)拉伸的試樣形狀與尺寸如圖2所示，試樣的制取參照標準ISO/DIS 26203-2，試樣的取樣方向選取軋制方向。

圖2 動態(tài)拉伸樣品尺寸示意圖(單位：mm)

1.2 試驗設備

本試驗采用的是ZWICK HTM 5020高速拉伸試驗機，ZWICK HTM 5020高速拉伸試驗機由德國ZWICK/ROELL公司制造，是采用電液伺服方式控制的材料動態(tài)力學性能測試設備，主要用于測試材料在動態(tài)載荷下的各項力學性能。

對經(jīng)過動態(tài)拉伸的試樣在掃描電鏡下檢測斷口形貌和顯微組織。

2 試驗結果與分析

2.1 靜態(tài)拉伸

在室溫下，首先使用ZWICK拉伸試驗機對試樣進行常規(guī)的靜態(tài)拉伸，拉伸方向分別為軋制方向的0°、45°、90°，每個角度做3個試樣。其中，0°為沿板帶的長度方向，即軋制方向；90°為板帶的寬度方向，即垂直于軋制的方向。

材料的屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率和彈性模量E如表2所示。

2.2 動態(tài)拉伸性能

對DP780鋼的試樣進行動態(tài)拉伸試驗，采用的應變率分別為0.001/s、0.1/s、1/s、10/s、100/s、200/s、500/s、1000/s。運用最小二乘法對動態(tài)拉伸的試驗數(shù)據(jù)進行擬合計算，擬合后的應力應變曲線如圖3所示。

從曲線可以看出，在靜態(tài)拉伸時，材料的彈性模量E在182-213 GPa之間。E的物理含義為彈性階段的直線斜率，從圖3可以看出，隨著應變率的增加，材料的彈性模量基本保持恒定。通過計算斜率，可以得出，彈性模量的范圍為190-210 GPa之間。

當應變率為0.001/s，屬于靜態(tài)拉伸，材料的屈服強度Rp0.2為480-505 MPa，抗拉強度為790-800 MPa。當應變率增加到1000/s時，屈服強度Rp0.2為740-755 MPa，抗拉強度就增加到了1020-1050 MPa。

隨著應變率的增加，材料的彈性極限、屈服強度和抗拉強度都隨著相應增加。當應變率較低范圍時，即小于0.1/s時，材料的強度隨著應變率的增加而呈上升趨勢，當應變率大于1/s時，材料的強度增加更加明顯，同時，材料縮頸區(qū)的范圍也有所擴大。

2.3 斷口分析

圖4分別為應變率為0.01/s和500/s條件下的拉伸斷口形貌，可以看出，斷口特征均為延性斷裂，均有大量的韌窩特征存在。對于低應變速率的斷口，韌窩較為細小，斷口較為平緩。對于高應變率的斷口，韌窩的尺寸明顯增加，并且存在嚴重的不均性，韌窩的深度也比低應變率的要深。

在拉伸過程中，材料會受到位錯塞積的影響，應變率的增加使塑性變形中的位錯運動受阻更加明顯，位錯在馬氏體和鐵素體的相界面堆積程度會增加。雖然高速拉伸中存在多個滑移系參加塑性形變，但是高應變率的高變形速度使材料的微區(qū)塑性變形變得極為不均勻，導致高應變率時斷口的韌窩形貌存在明顯的不均勻性，變現(xiàn)出來的形式就是韌窩尺寸存在較大的差別[1]。在應變率超過100/s時，這種差別表現(xiàn)得非常明顯。

(a)應變率為0.01/s

(b)應變率為500/s圖4 材料的動態(tài)拉伸斷口

2.4 顯微組織分析

780DP鋼在不同應變率拉伸后的顯微組織如圖5所示，(a)為0.01/s應變率的顯微組織，(b)為200/s應變率的顯微組織?？梢钥闯?，780DP鋼在經(jīng)過不同應變率的拉伸后，顯微組織差別不大，鐵素體都發(fā)生了明顯的塑性變形，晶粒被拉長，晶粒尺寸的長軸方向尺寸為20-30 μm。馬氏體屬于強化相，變形中基本不會參與塑性變形，只是發(fā)生了不同程度的位移和形狀的轉動。隨著應變速率的增加，780DP鋼中出現(xiàn)微裂紋。應變速率越大，微裂紋的數(shù)量也越多。

3 討論

3.1 位錯機制

雙相鋼在高應變速率下的變形中 ，具有應變強化和應變速率強化作用，即流變應力隨著應變和應變速率的增加而增大，這主要與塑性變形過程中位錯的運動機制有關。

(a)應變率0.01/s

(b)應變率200/s圖5 不同應變率的顯微組織

材料塑性變形過程伴隨著位錯的滑移和增殖，當位錯滑移受到阻礙時，如位錯塞積在缺陷處，或者位錯纏結等等，此時需要更大的應力驅動位錯。當材料處于動態(tài)變形時，短時間內(nèi)材料內(nèi)部應力迅速提升，位錯會大量增殖，使得材料迅速強化。位錯密度的增加，反映著材料內(nèi)部微觀缺陷的應變能增加，表觀上反映了材料能量吸收的提高[1]。

780DP鋼的顯微組織主要由不同體積分數(shù)的馬氏體、鐵素體和殘余奧氏體組成。同時，馬氏體也限制了鐵素體的塑性變形。因此，對于雙相鋼來說，馬氏體的組織變化是材料性能強化的主要原因之一。對于不同強度級別的雙相鋼，馬氏體含量越高，應變率對材料的強化效應越明顯。

經(jīng)過熱處理后，基體中的殘余奧氏體在常溫下處在不穩(wěn)定狀態(tài)。當應變量達到一定條件時，不穩(wěn)定的殘余奧氏體開始向馬氏體轉化，增加了材料的強化效應。

3.2 動態(tài)變形中的裂紋

在動態(tài)拉伸條件下，隨著應變速率的增加，位錯的大量增殖會強化雙相鋼組織。但是位錯開動是需要時間的，隨著變形時間的減少 ( 應變速率增加) 以及位錯大量增殖，使得位錯塞積處形成微裂紋，如圖5(b)所示。隨著應變率的提高，顯微裂紋的數(shù)量逐漸增加，主要原因為DP780鋼中的位錯密度和位錯堆積增加，鐵素體和馬氏體相界面之間的塑性應變能的差異降低，增加了相界面之間開裂的可能性。

除了馬氏體與鐵素體的相界面裂紋外，由于780DP中的合金含量較高，存在一定的夾雜物、空洞等顯微缺陷，當位錯在缺陷處產(chǎn)生位錯堆積時，導致材料會在高速的動態(tài)變形中局部應力迅速提高。同時，缺陷處的位錯堆積會產(chǎn)生局部的高應力狀態(tài)，在缺陷處產(chǎn)生應力集中，從而產(chǎn)生顯微裂紋。在應力作用下，顯微裂紋迅速擴展，最終導致了材料的斷裂失效[2]。顯微裂紋的產(chǎn)生，從宏觀上導致了應變速率越高、斷裂延伸率越低的現(xiàn)象。應變速率越大，這一過程發(fā)生得越早，表觀上反映為材料的塑性下降。

3.3 強化和軟化的統(tǒng)一

DP780鋼的高應變速率下的變形過程是一個絕熱過程 ，塑性變形轉換化導致試樣產(chǎn)生升溫的熱量引起軟化 。在高速拉伸中，基體微區(qū)中產(chǎn)生的瞬時形變會使變形塑性功轉化為熱量，并且不易及時的傳遞熱量，導致微區(qū)中存在絕熱溫升效應[3]。絕熱溫升效應會增加材料的塑性，降低材料的強度，使位錯的滑移更加容易。

因此，780DP鋼在動態(tài)拉伸過程中，是強化和軟化過程的統(tǒng)一。

4 結論

(1)780DP鋼在高應變率動態(tài)拉伸的條件下，材料的屈服強度和抗拉強度等會得到明顯的提升，應變速率越高，強化效果越明顯。

(2)780DP鋼具有較高的應變速率敏感性，材料強度的增加是位錯機制、加工硬化、絕熱溫升效應和組織轉變的綜合作用。