S420MC高強(qiáng)度鋼流變力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究

龔 燈，郭 利，韓 剛

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 六安 237011)

S420MC高強(qiáng)度鋼流變力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究

龔 燈，郭 利，韓 剛

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 六安 237011)

研究了等溫拉伸過(guò)程中溫度、應(yīng)變速率和冷卻速率對(duì)典型高強(qiáng)度鋼S420MC流變應(yīng)力的影響。研究表明，隨著溫度的上升，S420MC的流動(dòng)應(yīng)力逐漸下降；冷卻速率影響S420MC沖壓成型后的強(qiáng)度，通過(guò)改變冷卻速率可以大幅提高材料的強(qiáng)度；在相同溫度下，應(yīng)變率越小，流變應(yīng)力越低，但是當(dāng)?shù)陀?00℃時(shí)，試樣會(huì)發(fā)生奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力增大。

高強(qiáng)度鋼；應(yīng)力應(yīng)變曲線；流變應(yīng)力

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼或超高強(qiáng)度鋼已成為汽車輕量化的最重要方法之一[1-2]。高強(qiáng)度鋼指的是屈服強(qiáng)度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼材，超高強(qiáng)度是指屈服強(qiáng)度在550MPa以上。由于高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度大，硬化指數(shù)和延伸率較低，塑性變形能力差，采用冷沖壓方式成形時(shí)，一方面易造成沖壓件的破損、變形、較大的殘余應(yīng)力和回彈等缺陷，另一方面造成成形時(shí)的變形阻力增大，導(dǎo)致成形材料和模具之間的應(yīng)力增加，降低了模具的使用壽命；較大的變形阻力對(duì)壓力機(jī)的噸位要求較高[3]，這些均會(huì)增加生產(chǎn)成本。

為了滿足高強(qiáng)度鋼的成形要求，目前的生產(chǎn)中普遍采用熱沖壓工藝。眾所周知，隨著沖壓溫度的增加，高強(qiáng)鋼材料自身的流變特性發(fā)生了改變，材料內(nèi)部的塑性和延展性增加，變形阻力逐漸下降，改善了沖壓成形質(zhì)量，同時(shí)也減小了壓力機(jī)噸位。在熱沖壓過(guò)程中，溫度、冷卻速率、應(yīng)變速率等工藝參數(shù)會(huì)對(duì)材料流變特性產(chǎn)生重要的影響，在變形過(guò)程中，材料自身會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)能，改變了原有溫度場(chǎng)的分布，影響變形過(guò)程中的力熱耦合特性[3]。

本文通過(guò)高強(qiáng)度鋼材的等溫拉伸試驗(yàn)，分析研究溫度、冷卻速率和應(yīng)變速率對(duì)典型高強(qiáng)度鋼流變特性的影響，為預(yù)測(cè)零件的成形工藝和提高成形精度提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用的鋼材料為本溪鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼S420MC，材料厚度1.8mm，軋制狀態(tài)。材料的主要化學(xué)成分如表1所示，鋼板的碳含量控制在0.06%～0.10%，具有良好的成形性能、焊接性能和機(jī)械加工性能。合金元素Nb可以細(xì)化奧氏體顆粒，Ti可以改善熱影響區(qū)材料的韌性和冷彎性能，而冶煉過(guò)程中析出的TiC可大幅度提高該材料的強(qiáng)度[4]。

表1 S420MC材料化學(xué)成分(wt%)

在室溫下其力學(xué)性能如表2所示。

表2 常溫下S420MC材料物理性能

根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工制作等溫拉伸試樣，試樣的規(guī)格如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Gleeble 3500型力熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。設(shè)備主要由電腦控制系統(tǒng)、溫度控制模塊和機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制模塊組成。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程由程序進(jìn)行控制，不僅可以模擬實(shí)際熱變形過(guò)程，對(duì)溫度進(jìn)行記錄和分析，還可以提供整個(gè)變形過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻下力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變和能量等數(shù)據(jù)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度對(duì)流變應(yīng)力的影響

溫度是影響高強(qiáng)度鋼的流變特性最重要的一個(gè)因素，溫度的增加或減少直接影響應(yīng)力的減少或增加。圖2是S420MC鋼試樣在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變率是0.1s-1。從圖中可以看出，試樣的流變應(yīng)力隨溫度的增加而降低，這說(shuō)明材料的變形阻力減少，將有利于沖壓成型。

從圖2中還可以看出，S420MC材料在高溫下的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于室溫，原因是：

(1)隨著溫度的升高，材料內(nèi)部原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，材料內(nèi)部的位錯(cuò)得到了足以克服針扎作用所需要的能量，使得對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用大大降低，位錯(cuò)的大量增加，降低了材料的變形阻力。

(2)溫度的升高會(huì)增加材料中第二相成分的原子溶解度，而第二相元素成分對(duì)母材起到強(qiáng)化作用，溫度的上升使得析出的第二相元素成分下降，從而降低了位錯(cuò)滑移阻力。

(3)在材料變形過(guò)程中，還存在晶界變形的形式，材料內(nèi)部的微觀斷裂形式由穿晶斷裂過(guò)渡到沿晶斷裂，而晶界之間強(qiáng)度下降的速度大于晶內(nèi)部強(qiáng)度的下降，這也降低了材料的宏觀變形阻力。

(4)在高溫狀態(tài)下，材料不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，起到細(xì)化晶粒的作用，也會(huì)降低材料的宏觀變形阻力。

綜上所述，材料的變形阻力會(huì)隨著溫度的升高而降低。所以在沖壓過(guò)程中，提高板料初始的成形溫度，可以有效降低板料的變形阻力，提高其成形性能。但是材料的成形溫度也不是越高越好，如果成形溫度過(guò)高也會(huì)大幅增加能耗，提高生產(chǎn)成本，同時(shí)材料會(huì)由于溫度過(guò)高而出現(xiàn)過(guò)燒、過(guò)熱、脫碳、氧化等現(xiàn)象[5-6]，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝，可以得出合適的成形溫度為800℃左右。

2.2 應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響

為研究應(yīng)變速率對(duì)S420MC材料流變性能的影響，將試樣加熱至900℃、700℃和500℃三種溫度水平并且保溫5min，分別以0.01/s、0.1/s和1.0/s三種應(yīng)變速率水平對(duì)試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，獲得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

圖3(a)和圖3(b)所反映的現(xiàn)象比較類似，當(dāng)溫度分別為900℃和700℃時(shí)，材料的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增加。這是因?yàn)楫?dāng)應(yīng)變速率增加時(shí)，變形時(shí)間縮短，在單位時(shí)間內(nèi)位錯(cuò)的數(shù)量增加，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度增大；同時(shí)軟化和再結(jié)晶的時(shí)間縮短，使得金屬的軟化速率相對(duì)減小，最終提高了材料的流變應(yīng)力。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為500℃，應(yīng)變速率的影響規(guī)律卻有所不同。如圖3(c)中所示，應(yīng)變率為1.0s-1的流動(dòng)應(yīng)力曲線高于應(yīng)變率為0.1s-1的流動(dòng)應(yīng)力曲線，這與700℃和900℃時(shí)產(chǎn)生的規(guī)律是相似的，而應(yīng)變速率為0.01s-1時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力曲線高于0.1s-1。這是因?yàn)楫?dāng)拉伸溫度維持在500℃時(shí)，由于低于金屬相變的溫度，材料中會(huì)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)為貝氏體的相變過(guò)程。應(yīng)變速率越低，等于保溫時(shí)間延長(zhǎng)，造成更多的奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變，最終得到的效果則是材料的強(qiáng)度的增加，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力的增加。

從以上分析可知，熱沖壓成形過(guò)程中，在滿足沖壓性能和溫度變化的情況下，選擇較低的應(yīng)變速率可降低材料的變形阻力，有利于材料成型，也能夠降低對(duì)壓力機(jī)噸位的要求。

2.3 冷卻速率對(duì)流變應(yīng)力的影響

在熱沖壓過(guò)程中，產(chǎn)品的冷卻速率會(huì)影響最終的使用性能。試樣被加熱到900℃，保溫5分鐘，然后分別以10℃/s～50℃/s的速率冷卻至室溫，再以1mm/min的拉伸速率在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖4中可以看出，冷卻速率對(duì)S420MC的力學(xué)性能有一定的影響。總體來(lái)看，隨著冷卻速率的增大，材料在等溫拉伸過(guò)程中的最大應(yīng)力隨之增大。這說(shuō)明在沖壓過(guò)程中，采用較高冷卻速率，可以提高零件成形之后的抗拉強(qiáng)度，有利于提高零件成型質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Gleeble 3500力熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了加熱溫度、冷卻速率、應(yīng)變速率等因素對(duì)S420MC材料力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在熱沖壓成形過(guò)程中，S420MC高強(qiáng)鋼的流變應(yīng)力隨著溫度的增加而降低；在同一溫度下，當(dāng)材料是純奧氏體狀態(tài)時(shí)，應(yīng)變速率越大，材料流變應(yīng)力越大，對(duì)加工壓力的要求越高，但當(dāng)溫度下降到500℃左右時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)化為貝氏體，使得材料變形阻力增加，從而對(duì)最終制件的性能產(chǎn)生影響；產(chǎn)品的冷卻速率對(duì)沖壓件的抗拉強(qiáng)度也有影響，冷卻速率越大，材料的抗拉強(qiáng)度越大。

在沖壓過(guò)程中，溫度是影響流變應(yīng)力的首要因素，應(yīng)主要對(duì)溫度因素進(jìn)行嚴(yán)格把握。而應(yīng)變速率和冷卻速率也對(duì)流變應(yīng)力有重要影響，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于S420MC材料，在變形溫度為800℃、應(yīng)變速率為0.01s-1的條件下，同時(shí)采用較大的冷卻速率，如50°C/s，可以獲得較好的成形效果，同時(shí)綜合能耗較低。

[1] 王利,楊雄飛,陸匠心.汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展[J].鋼鐵,2006,41(9):1-8.

[2] 李軍,孫希慶, 陳云霞,等.國(guó)內(nèi)乘用車輕量化現(xiàn)狀與高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè),2015(11):47-53.

[3] 蔣崢嶸.高強(qiáng)度鋼板熱沖壓工藝研究及有限元分析[D].重慶:重慶大學(xué)，2011.

[4] 陳宇.本鋼S420MC高強(qiáng)度冷成型用鋼生產(chǎn)工藝研究[J].本鋼技術(shù)，2014(1):17-18，32.

[5] 林建平,王立影,田浩彬,等.超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形研究與進(jìn)展[J].熱加工工藝, 2008, 37(21):140-144.

[6] 李輝平,趙國(guó)群,張雷,等.超高強(qiáng)度鋼板熱沖壓及模內(nèi)淬火工藝的發(fā)展現(xiàn)狀[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,40(3):69-74.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李 琳]

Experimental Study of Rheological Properties of High Strength Steel S420MC

GONGDeng,GUOLi,HANGang

(Department of Mechanical Engineering,Anhui Vocational College of Defense Technology,Lu'an 237011,China)

The influences of different temperatures,strain rates and cooling rates on the rheological properties of S420MC are researched in isothermal tensile testing.The results show that the flow stress of S420MC gradually decreases with the increase of temperature.The cooling rate affects the strength of S420MC after stamping.By changing the cooling rate,the strength of the material can be significantly improved.At the same temperature,the smaller the strain rate is,the lower the flow stress is. But when the temperature is below 500℃,samples will be shifted from austenite to bainite and this will lead to the rise of flow stress.

high strength steel;stress-strain curve;flow stress

2016-11-07

安徽省教育廳高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(GFKJ2015B001；GFKJ2015B003)

龔燈(1985-)，女，陜西旬陽(yáng)人，講師，主要從事精密加工與仿真研究。

TG386

A

1008-9233(2017)01-0034-04