DP1180鋼板高溫單向拉伸性能研究

摘 "要：通過Gleeble-3800熱模擬機(jī)在500～900℃范圍內(nèi)對(duì)1.8mm厚度DP1180鋼板進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，探究了溫度對(duì)其力學(xué)性能的影響，并分析了不同溫度下拉伸失效試樣的斷口形貌和顯微組織。研究結(jié)果表明：材料的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的上升顯著降低，當(dāng)拉伸試驗(yàn)溫度由500℃上升到900℃后，抗拉強(qiáng)度由759MPa下降至251MPa；同時(shí)延伸率大幅提高，由36.5%提高至71.5%；在此過程中，拉伸試樣的斷口形貌由包含脆性斷裂特征轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷捻g性斷裂特征。

關(guān)鍵詞：DP1180；單向拉伸；力學(xué)性能；斷口形貌

中圖分類號(hào)：TG142 """""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）由于其在強(qiáng)度和延展性方面具備出色的平衡性，在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用。在大量應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼后，汽車的重量得到大幅度減輕，能最大限度地減少能源消耗和溫室氣體排放。目前，先進(jìn)高強(qiáng)鋼已發(fā)展了三代［1］，雙相鋼雖然屬于第一代產(chǎn)品，但由于其出色的性能表現(xiàn)，在與采用更先進(jìn)技術(shù)制造的第二代和第三代產(chǎn)品相比時(shí)，依舊具備很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力［2］，因此是先進(jìn)高強(qiáng)鋼中最知名、應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，先進(jìn)高強(qiáng)鋼在汽車中的應(yīng)用率正迅速提高，2007年時(shí)，其在車身中僅占9%，到2015年已上升至到35%，其中，雙相鋼的占比在50%以上［3］。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼雖然性能優(yōu)異，但由于其強(qiáng)度極高，采用傳統(tǒng)冷成型工藝難以成型，不但對(duì)設(shè)備噸位要求很高，且很容易出現(xiàn)破裂、起皺、回彈等問題［4］。因此，先進(jìn)高強(qiáng)鋼通常采用高溫成型。目前，對(duì)雙相鋼的研究通常集中在化學(xué)成分和微觀斷裂機(jī)制等方面［5-8］，對(duì)其在高溫下的成型性能研究較少。本文選取抗拉強(qiáng)度達(dá)到1180MPa以上的DP1180鋼板進(jìn)行研究，通過高溫拉伸試驗(yàn)探究其在不同溫度下的力學(xué)性能，并對(duì)其斷口和顯微組織進(jìn)行研究，對(duì)DP1180鋼板在熱成型中的應(yīng)用具備重要的參考價(jià)值。

1 "試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 "試驗(yàn)材料

本文的研究對(duì)象為1.8mm厚度的DP1180鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.2-2015要求，設(shè)計(jì)單向拉伸試樣的尺寸如圖1所示。采用線切割機(jī)床，在同一塊板材上沿軋制方向切割試樣，并在試樣的兩端鉆孔以便于裝夾試樣。試樣表面采用砂紙打磨，避免試樣加工缺陷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

1.2 "試驗(yàn)設(shè)備及方法

單向拉伸試驗(yàn)在Gleeble-3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)搭載的電阻加熱系統(tǒng)最高可提供10000℃/s的加熱速度，與之配套的熱電偶可實(shí)時(shí)反饋試樣的溫度，以準(zhǔn)確控制試驗(yàn)溫度。其搭載的液壓伺服控制系統(tǒng)可提供最大2000mm/s的位移速度以及最大10t的靜拉力，因此可以滿足試驗(yàn)需求。

本次試驗(yàn)分別在500，600，700，800及900℃下進(jìn)行，試驗(yàn)開始時(shí)，采用20℃/s的速率對(duì)試樣進(jìn)行加熱，達(dá)到目標(biāo)溫度后，保溫3min，隨后以1s-1的應(yīng)變速率勻速拉伸，直至試樣斷裂失效，隨后自然冷卻至室溫。

2 "試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 "拉伸斷裂試樣

圖2為各溫度下拉伸完成后的斷裂試樣。從圖中可以看出，隨著溫度的上升，拉伸試樣的延伸率逐漸提高，且頸縮現(xiàn)象愈發(fā)明顯。

2.2 "力學(xué)性能

不同溫度下DP1180鋼的真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖中可以看出，溫度對(duì)DP1180鋼板的性能影響十分明顯，從500℃升高至900℃后，抗拉強(qiáng)度大幅下降，從759MPa下降至251MPa，降低了66.9%；而延伸率隨著溫度的升高顯著提高，由36.5%提升至71.5%，提升了95.9%。在高溫下，鋼的熱塑性變形機(jī)制主要包括3種：晶內(nèi)滑移、晶界滑移和擴(kuò)散性蠕變［9］。其中，影響最大的是晶內(nèi)滑移，由于原子的熱振動(dòng)頻率增強(qiáng)，擴(kuò)散速度也隨之加快，晶體內(nèi)部的位錯(cuò)變得活躍起來，滑移、攀移和交滑移更容易開動(dòng)。因此，溫度的升高使得鋼的塑性大幅度提高。另一方面，雙相鋼的超高強(qiáng)度來自于彌散分布的島狀馬氏體對(duì)鐵素體的阻礙作用［10］。而在溫度升高的過程中，基體中的馬氏體大量分解，對(duì)鐵素體基體的塑性變形阻礙降低，因此，DP1180鋼的抗拉強(qiáng)度大幅降低。從圖3中可以看出，當(dāng)拉伸溫度從700℃升高至800℃和900℃時(shí)，延伸率提高幅度最大。這是由于DP1180鋼的Ac1溫度和Ac3溫度分別為729℃和820℃［11］，即在729℃時(shí)開始奧氏體化，在820℃時(shí)完全奧氏體化，而奧氏體的結(jié)構(gòu)為面心立方，其滑移系的數(shù)量為體心立方結(jié)構(gòu)的2倍［12］，可開動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量大幅提高，不易出現(xiàn)位錯(cuò)塞積。因此，拉伸溫度從700℃升高至800℃后鋼的熱塑性大幅提高。

2.3 "斷口形貌

失效試樣的斷口包含了大量的信息，記錄了從裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直至斷裂的過程［13］，因此，觀察斷口的形貌對(duì)于研究DP1180鋼板在高溫下塑性變形的過程有重要意義。通過掃描電子顯微鏡對(duì)斷口的形貌進(jìn)行觀察，不同溫度下斷口形貌如圖4所示。

圖4為500℃下拉伸失效試樣的斷口形貌。可以看出，由于同時(shí)存在鐵素體基體以及硬脆的馬氏體相，該溫度下斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，同時(shí)包含了韌性斷裂與脆性斷裂的多種特征，接近準(zhǔn)解理斷口的形貌［14］。這種斷口形貌通常存在于回火后的高強(qiáng)鋼中，由于馬氏體的回火過程會(huì)產(chǎn)生碳化物析出，這些缺陷易產(chǎn)生裂紋源，隨著拉伸的進(jìn)行，在載荷作用下逐漸擴(kuò)展，形成多處河流花樣和準(zhǔn)解理小斷面。從圖4（a）中觀察到了撕裂棱、等軸狀的韌窩以及韌窩帶，說明在形成裂紋核后，并沒有以脆性方式斷裂，而是以塑性方式撕裂了殘余的連接部分。同時(shí)，在一些微小孔洞和碳化物、雜質(zhì)等缺陷處形成裂紋源，放大至1000倍后，從圖4（b）中可以觀察到短而彎曲的河流花樣，裂紋沒有持續(xù)擴(kuò)展，這些均符合準(zhǔn)解理的特征。

圖5為600℃下拉伸失效試樣的斷口形貌?？梢钥闯?，與500℃時(shí)的斷口形貌相比，600℃的斷口形貌產(chǎn)生了較大的變化，韌窩數(shù)量大幅減少，斷裂面深淺不一，并且可以看到明顯的沿晶斷裂微裂紋。結(jié)合真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，推測(cè)此時(shí)與500℃下斷口形貌出現(xiàn)較大差異的可能原因，是溫度的升高使得動(dòng)態(tài)回復(fù)效應(yīng)增強(qiáng)，材料在軟化機(jī)制的作用下，出現(xiàn)較大的塑性變形后，累計(jì)的高密度位錯(cuò)數(shù)量減小，因此撕裂棱較少。而此時(shí)的組織依舊以鐵素體與馬氏體為主，馬氏體在溫度升高后回火并逐步分解，但兩相之間依舊存在著明顯的差異，因此沿著晶界處產(chǎn)生了大量的沿晶斷裂微裂紋［15］。

圖6為700℃下失效試樣的微觀斷口形貌。此時(shí)接近奧氏體化溫度，材料內(nèi)部的組織十分復(fù)雜，斷口的形貌十分不均勻。選取形貌差異較大的兩個(gè)位置進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)位置1處的斷口較深，在撕裂棱上分布著密集的細(xì)小韌窩，說明這部分材料以塑性方式斷裂。而突起部分與600℃時(shí)的斷口形貌較為類似，存在著沿晶斷裂現(xiàn)象。位置2則較為平整，可以觀察到尺寸較大的韌窩，說明隨著裂紋的擴(kuò)展，細(xì)小的韌窩聚集為較大的韌窩，是塑性較好的表現(xiàn)。這與真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線中700℃時(shí)板料塑性提高相一致。

溫度到達(dá)800℃與900℃后，斷口的形貌較為一致，如圖7所示。與奧氏體化前的試樣斷口形貌相比，這兩個(gè)溫度下的斷口形貌發(fā)生了很大的變化，斷口的寬度變得極小，僅為30μm左右，由較大的韌窩以及周圍的細(xì)小韌窩組成，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。這是由于此時(shí)材料中的組織幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，塑性極好，在斷裂前出現(xiàn)了程度很大的頸縮現(xiàn)象。

2.4 "顯微組織

從斷裂試樣的斷口處切割10mm左右的試樣，通過掃描電子顯微鏡對(duì)不同溫度下拉伸試樣的顯微組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示。圖8（a）為DP1180鋼初始狀態(tài)，可以看出在鐵素體基體上彌散分布著島狀的馬氏體組織。當(dāng)試樣在500℃下拉伸后，如圖8（b）所示，彌散分布的馬氏體島大量分解，馬氏體中固溶的碳化物析出，組織中出現(xiàn)大量白色碳化物，在晶界處有大量的微小孔洞。在溫度升高至700℃的過程中，由于變形程度增大，晶粒變得更加細(xì)長，排列逐漸呈現(xiàn)一定的方向性。當(dāng)溫度升高至800℃后，如圖8（e）所示，在拉伸時(shí)組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，碳化物顆粒明顯減少，冷卻后的組織以鐵素體和殘余奧氏體為主，晶粒的分布仍存在一定的方向性。而溫度升高至900℃后，如圖8（f）所示，在高溫及較大的應(yīng)變作用下，變形的晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒的排列不再具有方向性，并且明顯長大。

3 "結(jié) "論

1） 在500～900℃范圍內(nèi)，隨著拉伸溫度的提高，DP1180鋼板的塑性顯著提高，其抗拉強(qiáng)度大幅降低，從759MPa下降至251MPa，降低了66.9%；而延伸率隨著溫度的升高顯著提高，由36.5%提升至71.5%，提升了95.9%。

2） 奧氏體化后，DP1180鋼板的塑性大幅提高，當(dāng)溫度從700℃升高至800℃后，延伸率由46.2%提升至70.4%。

3） 對(duì)斷裂試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)由于馬氏體與鐵素體基體的力學(xué)性能差異較大，斷口中同時(shí)存在脆性斷裂的特征和韌性斷裂特征，在硬脆的馬氏體組織周圍容易出現(xiàn)微裂紋。而奧氏體化后，斷口完全由韌窩組成，為典型的韌性斷裂。

4） 對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察后，發(fā)現(xiàn)溫度在900℃時(shí)，晶粒開始長大，因此DP1180鋼板最佳的成形溫度應(yīng)控制在800～900℃之間。

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文章編號(hào)：10014934（2024）02004807

作者簡(jiǎn)介：徐輝，碩士，主要從事材料加工方面的研究。

（上海工程技術(shù)大學(xué) "材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 "201600）