不同應(yīng)變速率下1800MPa級(jí)熱成形鋼力學(xué)性能研究

晉家春，鄧宗吉，楊 崢，盧茜倩

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

1 概述

熱沖壓成形用鋼以及熱沖壓成形技術(shù)克服了冷成形超高強(qiáng)鋼的沖壓回彈問(wèn)題[1]。因此，近年來(lái)熱沖壓成形用鋼得到了廣泛應(yīng)用。主要應(yīng)用于汽車A柱、B柱、C柱和防撞梁等碰撞關(guān)鍵部件?，F(xiàn)階段用量最多的熱成形零部件強(qiáng)度為1500 MPa級(jí)，以22MnB5為代表。為了進(jìn)一步滿足汽車輕量化需求，強(qiáng)度級(jí)別更高的熱成形鋼材料，如1800 MPa級(jí)熱成形鋼的應(yīng)用也必將成為趨勢(shì)。

在汽車輕量化時(shí)，不僅不能犧牲駕乘人員的安全，反而應(yīng)該更加關(guān)注駕乘人員的安全問(wèn)題。

汽車的安全性能是評(píng)價(jià)汽車星級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)前各大主機(jī)廠在進(jìn)行安全件選材定義時(shí)，會(huì)充分考慮材料在高應(yīng)變條件下的變形規(guī)律，因?yàn)楦邞?yīng)變條件下更符合實(shí)際碰撞狀態(tài)。已有研究表明，材料在高速拉伸條件下的力學(xué)性能與準(zhǔn)靜態(tài)相比有明顯差異[2]、[3]。梁江濤等[4]對(duì)熱成形鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究，魏星等[5]對(duì)不同狀態(tài)下的1500 MPa級(jí)熱成形鋼熱成形后的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)鋼的組成如下表1所示，主要為C-Mn-Cr-Nb-V成分體系；實(shí)驗(yàn)材料通過(guò)實(shí)驗(yàn)室冶煉、熱軋、冷軋、退火后獲得。試驗(yàn)鋼的平板淬火試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，而熱成形加熱工藝為930 ℃+6 min，熱成形后，在170 ℃條件下進(jìn)行20 min的烘烤(模擬零件烤漆過(guò)程)。

在Zwick-Z150型萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。在Zwick HTM 5020型高速拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成不同應(yīng)變速率下的高速拉伸實(shí)驗(yàn)，試樣尺寸如下圖1所示。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組應(yīng)變速率下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，求平均值。

圖1 試樣尺寸

3 結(jié)果分析與討論

3.1 力學(xué)性能分析

下圖為不同應(yīng)變速率下的強(qiáng)度和延伸率隨應(yīng)變速率的變化情況，從圖中可以看出，隨應(yīng)變速率的增加，材料的強(qiáng)度和延伸率均增加。

下表2為不同應(yīng)變速率下的強(qiáng)度和延伸率的具體數(shù)值，結(jié)合圖2(a)可以看出，在應(yīng)變速率為10-3-100 s-1時(shí)，屈服強(qiáng)度從1349 MPa增加至1386 MPa，增加了2.74%；抗拉強(qiáng)度從1823 MPa增加至1832 MPa，增加了0.49%；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增幅很小。在應(yīng)變速率為101-103s-1時(shí)，屈服強(qiáng)度從1394 MPa增加至1502 MPa，增加了7.75%；抗拉強(qiáng)度從1851 MPa增加至1903 MPa，增加了2.81%；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增幅相比低應(yīng)變速率下均有提升。

結(jié)合表2和圖2(b)可以看出，在應(yīng)變速率為10-3-100 s-1時(shí)，延伸率從5.73增加至11.83，增加了106.98%；在應(yīng)變速率為101-103s-1，延伸率從13.03增加至14.50，增加了11.28%；說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)鋼在較低應(yīng)變速率下，延伸率就發(fā)生了快速轉(zhuǎn)變，延伸率增速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為0.1 s-1。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼在不同應(yīng)變速率下的力學(xué)性能

表2 不同應(yīng)變速率下力學(xué)性能

3.2 討論

由于本實(shí)驗(yàn)鋼為淬火后的1800 MPa級(jí)熱成形鋼，淬火后基體為完全的馬氏體組織，其亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)，在應(yīng)變速率為101-103s-1時(shí)，位錯(cuò)塞積嚴(yán)重，進(jìn)一步拉伸時(shí)，位錯(cuò)移動(dòng)變難，從而導(dǎo)致強(qiáng)度增加[6]。

實(shí)驗(yàn)鋼在高速拉伸過(guò)程中，斷口附近發(fā)生均熱溫升效應(yīng)，根據(jù)梁江濤等人[4]的研究，在拉伸應(yīng)變速率為103s-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼變形段絕熱溫升溫度達(dá)到49.62 ℃。由于絕熱溫升效應(yīng)的存在使得組織發(fā)生軟化，導(dǎo)致延伸率增加[7]；另外，高應(yīng)變速率下的絕熱溫升現(xiàn)象的存在抵消了部分應(yīng)變硬化現(xiàn)象，從而使斷后延伸率增加。

4 結(jié)論

應(yīng)變速率為10-3s-1-1 s-1時(shí)，強(qiáng)度的變化較??；在應(yīng)變速率為101s-1-103s-1時(shí)，強(qiáng)度的增加較大。這主要是由于基體內(nèi)部為完全的馬氏體組織，其亞結(jié)構(gòu)-高密度位錯(cuò)在高應(yīng)變速率下移動(dòng)變難，從而導(dǎo)致了強(qiáng)度的增加。

本實(shí)驗(yàn)鋼在較低應(yīng)變速率下(10-3s-1-1 s-1)，延伸率的應(yīng)變速率敏感性很高，延伸率增速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為0.1 s-1。應(yīng)變速率≥0.1 s-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼斷后延伸率>11%，這主要是由于絕熱溫升現(xiàn)象導(dǎo)致了延伸率增加。