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低碳Si-Mn系TRIP钢的动态拉伸性能谢群韦习成张梅李麟符仁钰上海大学材料科学与工程学院,上海200072摘要在气动式间接杆杆型冲击拉伸实验机上对工业生产的两种低碳Si-Mn系TRIP钢不同应变率下的高速冲击拉伸性能进行了研究,并和静态拉伸性能进行了比较.结果表明,两种钢的室温拉伸性能随应变率变化具有相同趋势,但动态下的应变率敏感性比静态下的要高得多.由于TRIP钢组织中残余奥氏体的变形诱发向马氏体的转变显著改善了材料的塑性.关键词TRIP钢;相变诱发塑性;高应变率;动态拉伸分类号Tg113.25收稿日期:20050803修回日期:20050929基金项目:上海市教委基金资助课题(NO.03K027和上海市科委自然科学基金资助项目(NO.03ZR14035作者简介:谢群(1981—,女,硕士研究生;韦习成(1964—,男,副研究员,博士汽车冲撞安全性已成为国际上普遍关注的问题.当轿车遭到撞击时,车体变形会吸收大量的冲撞能量,从而确保乘员的安全.为提高冲撞安全性,增加防撞零部件的截面积或钢板厚度是众所周知的一种方法,但这又会导致车身质量增加,与汽车的轻量化发展趋势和燃油经济性相悖.因此选用更高强度同时具有更好强塑性配合的钢板是解决此矛盾的一条有效途径.高强度低合金Si-Mn系TRIP钢是20世纪90年代开发的新型汽车结构用钢,由于其组织中的残余奥氏体在应力应变作用下向马氏体转变而诱发优良的相变塑性,具有优异的可成型性和高强度.至今国际上已生产出各种规格和成分的TRIP钢并已在汽车结构件上使用.但目前TRIP钢的研究多侧重于工艺参数、成分、组织等对静态拉伸性能的影响[17],对车身冲撞过程中高速变形(应变速率范围102!103s-1的动态拉伸性能研究较少[89].因此,本文基于~OpkinsOn拉杆技术,在气动式间接杆杆型冲击拉伸实验机上对两种低碳Si-Mn系TRIP钢不同应变率下的动态拉伸性能进行研究,并与其静态拉伸性能进行了比较,以服务于汽车工业的轻量化发展和防冲撞设计.1实验条件1.1材料和热处理工艺实验材料为两种工业生产的600MPa级冷轧TRIP钢,分别为韩国TRIP钢(钢号C~SP60TR-M,简称K以及宝钢TRIP钢(钢号B380TR,简称B.采用X射线衍射测量组织中的残余奥氏体量(CIK!靶,220,计点法测试组织中的铁素体量.钢的成分和各相体积分数如表1所示,其中组织的体积分数为多次测量的平均值.表1TRIP钢成分(质量分数和组织体积分数Table1ChemicalcompositionandmicrostructurecontentofTRIPsteels材料成分的质量分数/%组织的体积分数/%CSiMnSPAl铁素体残余奥氏体贝氏体K0.0911.4561.0600.0310.0030.04170.245.4524.31B0.1341.5251.2260.0170.014—62.798.9028.31钢的组织显示采用彩色浸蚀技术[10],分别配制1g干燥苦味酸与40mL酒精的混合溶液(试剂1和1gNa2S205与60mL蒸馏水的混合溶液(试剂2,将试剂2和试剂1按710比例混合,浸蚀时间为30s左右,其显微组织如图1.大块蓝绿色为铁素体,棕色为贝氏体,黄色为残余奥氏体.1.2冲击拉伸实验原理和方法采用的气动式冲击拉伸实验装置及其测量原第28卷第7期2006年7月北京科技大学学报JournalofuniversityofScienceandTechnologyBeijingVol.28No.7!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Jul.2006理如图2所示.弹丸在高压气体的驱动下高速撞击左端挡块,使和其相连的前置金属短杆断裂产生一维应力方波,通过与其相连的输入杆传递到试样,应力波在试样左端面一部分反射回输入杆,一部分通过试样传入输出杆.应力波信号通过在输入和输出杆上的应变片响应并经超动态应变仪放大,由瞬态波形存储器存储和记录,最后由接口传入计算机进行处理[11].图1两种钢的显微组织Fig.1Microstructuresoftwosteels图2气动式间接杆杆型冲击拉伸实验装置及测量原理示意图Fig.2Schematicdiagramofbar-bartensileimpacttesterandmeasuringprinciple装置的实验原理与~OpkinsOn压杆技术的实验原理相同,本质上都是基于一维弹性应力波原理,即基于平截面假设和试样中应力、应变沿轴向均匀性假设得到下列3个公式,根据记录的输入、输出和反射波信号,便可计算得到高应变率下材料的应力-时间、应力-应变及应变率-时间曲线.!s(m=GL![!i(-!r(-!t(]d,!・s(m=GL[!i(-!r(-!t(],#s(m=EA2A[!i(+!r(-!t(].式中,E,A,C分别是输入、输出杆的弹性模量、截面积和应力波在杆中的传播速度,C=526m・s-1;L和A是试样拉伸部分有效长度和截面积;时间坐标m和时间坐标有变换关系m=+(m1-m;!i(m,!r(m和!t(m分别是输入、输出杆上应变片接收的入射波、反射波和透射波信号[11].1.3试样尺寸和拉伸实验钢板经线切割加工至所需尺寸,动态拉伸试样的形状和尺寸如图3所示.静态拉伸实验按GB/T228—22,拉伸标距8mm,厚度1.9mm.图3动态拉伸试样尺寸(单位:mmFig.3Configurationofdynamictensile2实验结果和讨论2.1实验结果对两种TRIP钢分别在高应变率和1-1s-1以下的拉伸性能进行了测定,其典型的应力应变曲线如图4所示.从图4中可以看出,随着应变率的增加,总的趋势是两种钢的屈服强度、抗拉强度均随之增加,而延伸率降低;材料的屈服强度和抗拉强度之比随应变率的增加而降低;在高应变率下材料均匀延伸率较之静态条件急剧下降,这和其他的研究结果[1213]具有同样的趋势,其均匀延伸率仅相当于静态的4%!5%.从图中还可看出,静态拉伸实验条件下,・636・北京科技大学学报2006年第7期图4B(a,K钢(b在不同应变率下的应力应变曲线Fig.4Stress-straincurvesofSteelB(aandK(brespective-lyatvariousstrainratesTRIP钢无明显的屈服现象,而在高应变率下的应力应变曲线均呈现屈服现象.而且在静态拉伸曲线上,均匀延伸之前,材料的强度随应变的增加非常平稳地增加,直至最大抗拉强度,失稳伸长和均匀延伸率相比很小.与此相反,动态拉伸下达到最大应力后的失稳应变要大得多.B,K两种钢的拉伸性能指标随应变率的变化如图5!8所示.图5B,K钢屈服强度随应变率的变化Fig.5Yieldstrengthasafunctionofstrainrate图5显示,B,K两种钢的屈服强度均随应变率提高而呈指数形式增大,K钢的屈服强度高于B钢,但二者差距较小.图6显示,B,K两种钢的抗拉强度均随应变率的提高而呈指数形式增大.在所实验的应变率范围内,B钢的抗拉强度大于K钢.图7显示,两种钢的均匀延伸率均随应变率的提高总的趋势是逐渐减小;但在高应变率范围,应变率约IUUUS-I时的均匀延伸率仍然较大.图8显示,B,K两种钢的断裂延伸率均随应变率的提高没有明显的规律性.但在高应变率范围,随着应变率提高,两种钢的断裂延伸率基本上是单调上升趋势,并且当应变率大于IUUUS-I后,超过了低应变率范围拉伸的峰值.图6B,K钢抗拉强度随应变率的变化Fig.6Tensilestrengthasafunctionofstrainrate图7B,K钢均匀延伸率随应变率的变化Fig.7Uniformelongationasafunctionofstrainrate图8B,K钢断裂延伸率随应变率的变化Fig.8Fractureelongationasafunctionofstrainrate・736・Vol.28No.7谢群等:低碳Si-mn系TRIP钢的动态拉伸性能2.2讨论两种钢的屈服强度和抗拉强度随应变率增加而显著增加(如图5和图6的原因在于,TRIP钢在高速变形过程中,变形滑移线的移动受到各种障碍的约束,其移动速率远远落后于载荷的增长率,滑移线难以贯穿整个晶粒,即宏观塑性变形尚未表现出来以前,应力却一直在增长,使材料的屈服强度提高.此外,由于金属抵抗动载下滑移线发展或位错运动的抗力大于抵抗静载下滑移线或位错缓慢发展的抗力,因此应变率增大时,材料屈服强度和抗拉强度提高[14].但这并不能完全解释TRIP钢的高强度.与其他普通结构钢相比,TRIP钢的一个重要特性是其显微组织的复合特性[15].FurnmOnt[16]通过中子衍射对不同相的屈服强度的测量显示,铁素体、贝氏体、奥氏体、马氏体的强度值分别为500,650,900和2000MPa.在变形过程中,残余奥氏体不断向马氏体转变,而马氏体的强度又比奥氏体要高得多,所以强度大幅升高.根据表1中组织含量的测量数据及各相的屈服强度值可以估算出K钢的屈服强度略高于B钢,这与图5的情况相符.但是图6却显示,在所实验的应变率范围内,B钢的抗拉强度大于K钢,这可能是由于B钢中含有较多的贝氏体和残余奥氏体,而且在变形过程中残余奥氏体会诱发向马氏体转变,致使其强度进一步升高,甚至超过K钢.另外,残余奥氏体向马氏体的转变松弛或部分松弛了界面的应力集中,湮灭了在界面附近的形变位错,使得位错强化作用降低或消失,因此相对于屈服强度随应变率的增加,抗拉强度的增加率较小[17],即材料的屈强比随应变率的增加而降低.TRIP钢的拉伸性能与残余奥氏体密切相关[18],因此除了强度外,延伸率的变化也与残余奥氏体转变密不可分.TRIP钢良好的塑性主要得益于TRIP效应.理论上说,多量的残余奥氏体使得TRIP效应的发生更具可能,但同时也要考虑残余奥氏体的稳定性因素.当铁素体、贝氏体和残余奥氏体同时存在,铁素体受到应变硬化,并且应变能通过位错在铁素体晶粒内的堆积而积累.累积的应变能提供了残余奥氏体应变诱发相变的驱动力.由于应变诱发相变,应变能被吸收,位错堆积得到释放,铁素体晶粒软化.较稳定的残余奥氏体的进一步的相变使得软化的铁素体晶粒再次受到应变硬化.这个过程不断重复,残余奥氏体应变诱发相变贯穿整个材料的变形过程.如果残余奥氏体的稳定性高,即使在高应变率下,应变诱发相变也能稳定进行[19],以避免应变硬化能力的突然降低,使得材料保持较好的塑性.因此残余奥氏体的稳定性是一个直接影响塑性的重要因素.Matsumura等人[19]指出,残余奥氏体对塑性的影响可归结为残余奥氏体的原始体积分数和稳定性.从表1中看到B钢残余奥氏体的原始体积分数比K钢的高,部分残余奥氏体在拉伸过程中会因应变诱发向马氏体转变.对K钢和B钢的断裂试样,在距断口不同位置处(X射线束斑直径测定残余奥氏体量,这里假设颈缩区具有相同的应变量,每个位置至少测量3次,取其平均值,测量结果如图9所示.图9B(a,K钢(b中残余奥氏体转变量随应变的变化Fig.9TransformedvolumefractionofretainedausteniteasafunctionofstrainforsteelB(aandK(brespectively结果显示,随着应变增加,残余奥氏体逐渐发生了转变.这种相变松弛了试样由于塑性变形而引起的局部区域的应力集中,从而防止微裂纹的形成,即使微裂纹已产生,裂纹尖端的应力集中亦会因马氏体的形成而得到松弛或钝化,抑制了微裂纹的扩展,提高了塑性.从图7和图8中还可以看出,在静态拉伸条件下,B钢的延伸率明显高于K钢,但同时也发现在高应变率区,两种钢的延伸率几乎相等,一方面是由于K钢中延性相铁素体的含量比B钢高,另一方面要考虑残余奥氏体的稳定性.一般情况下,残余奥氏体的稳定性・836・北京科技大学学报2006年第7期取决于溶解在奥氏体中的碳浓度[19],虽然B钢的碳含量
本文标题:低碳Si-Mn系TRIP钢的动态拉伸性能.
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