超高强度钢的力学性能研究

超高强度钢的力学性能研究

车桥高强钢在车辆管理中的应用随着汽车工业的发展，追求汽车轻量化的目标越来越紧迫。在钢结构车身中使用先进高强钢代替传统低强度钢可使车身重量大幅降低,同时又保证强度满足要求。根据世界车用钢铁组织(WorldAutoSteel)发布的未来钢结构车辆计划(FutureSteelVehicle,简称FSV计划),到2020年,乘用车车身将包含20多种先进高强钢牌号。同时,行业市场研究机构DuckerWorldwide的研究报告,预计到2020年,轻型货车上先进高强钢所占的比例将达到车身重量的10%。马氏体超高强度钢作为先进高强钢,在降低车身重量、减小发动机负担及节能环保方面的意义十分重大。但超高强度钢的成形困难,极高的强度是其使用性能上的优点,同时也是成形性能上的缺点。缺点包括较大的回弹和较差的塑性等。关于先进高强钢型材的力学性能的研究已有很多,文献比较了直接热成形和间接热成形对22MnB5超高强钢汽车防撞梁力学性能的影响。文献研究了1000MPa级冷轧双相钢和热镀锌双相钢板的力学性能、扩孔性能和成形极限。文献利用万能试验机和霍普金森杆研究了两种超高强度钢在应变率0.001/s~3300/s范围的拉伸力学性能。文献比较了DP590高强钢冲压帽形件与折弯帽形件的力学性能差异,结果表明,冲压过程对型材的力学性能影响更大。此外,还有大量研究集中于型材力学性能的有限元研究,文献模拟了板料冲压成形和闭口帽型梁的碰撞,研究了冲压成形工艺引起的壁厚减薄、残余应力和塑性应变对碰撞性能的影响。文献利用有限元法研究了汽车防撞梁的冲压成形历史对其碰撞性能的影响。做过类似研究的还有文献。上述研究大多是针对DP钢、TRIP钢等先进高强钢的研究,而对于马氏体钢型材的力学性能的综合研究较少。1帽子的形状1.1mpa超高强度钢的生产应用实验使用某马氏体超高强钢,其规定的屈服强度和抗拉强度大于1030MPa和1300MPa,属于汽车用超高强钢,化学成分如表1所示。在钢结构车身中,超高强度钢主要应用于防撞梁、纵梁、车门柱等刚度要求较高的部件,且多由折弯或辊弯方式生产,如纵梁通常由双帽形截面型材相互焊合而成。因此本文将马氏体超高强度钢板折弯成帽形截面以表征车身型材。1.2发展成分配的弯角图1为折弯机以及模具参数,图2为成形后的型材及尺寸。为便于操作,先成形帽形件的两个外弯角,然后再成形中间两个弯角。目标帽形各弯角的弯曲角度均为90°,经过多次实验,确定回弹补偿角为5°。2实验过程2.1试验材料及方法折弯工艺会对弯角处的材料产生形变强化作用,从而改变材料的强度和塑性等力学性能。研究力学性能的改变可以揭示型材断裂失效行为,从而为型材的设计和选用提供指导。静态单向拉伸实验可获得材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学参数。拉伸试样共分为5种,3种平板试样分别取自型材的立边、腹板以及原始板料的弯角试样则分别取自两个弯角处。试样切取的方向均沿型材纵向,即轧制方向。为保证准确性和可重复性,每组拉伸实验各做3个试件。试样的尺寸及切割下的部分试样如图3所示。应变的测量采用非接触式,即先在试样标距段喷色斑,由CCD摄像机捕捉拉伸过程,后通过VIC-2D软件计算应变值。拉伸速度设定为0.1mm/min。由于万能力学试验机的装卡夹头均为平面夹头,无法对弯角处试样进行加载,因此设计了如图4所示的专用夹具用以装卡弯角试件。因为实验材料为1000MPa级超高强度钢,因此夹具选用淬硬处理后的高强度合金结构钢对其强度校核,而后进行加工。2.2材料的放大倍率和腐蚀剂的用量为研究折弯工艺对型材微观组织产生的影响,对型材各部位及原始板料进行金相显微观察。材料的基体组织为马氏体,因此选用500倍的放大倍率以保证观察到明显的特征。腐蚀剂选用4%硝酸酒精溶液。为观察试样断口形貌,对5组拉伸试样的断口进行了扫描电镜实验,在放大2000倍时可清晰的观察到断口的形貌特征。3结果与分析3.1折弯成形时的破坏拉伸实验中各试样的断裂位置均位于标距范围内,且同组试样呈现了较好的可重复性。实验中观察到所有试件均出现了颈缩现象,图5为拉断后的部分试件。经对比发现,腹板和立边试样的断裂形势与原始板料无明显区别,且两组弯角试件也基本相同,因此只挑选了部分试件用于分析。通过对比可知,图中平板试样的断口比较平整且与拉伸方向成45°,断口组织为暗灰色纤维状,是典型的切应力断裂形式,属于韧性断口,有明显的塑性变形。而弯角试件的断口斜切角大于45°,有的甚至接近于平齐,这种断裂方式为正拉断和剪切断裂两种方式的复合断裂,既有韧性断口的特征也有脆性断口的特征。造成这种现象的原因,是材料在折弯成形时的塑性变形产生了形变强化。使得材料强度和硬度升高,而塑性和韧性降低,出现部分脆性断裂的特征。图6为腹板处3个试件的真应力-真应变曲线。由于较高的可重复性,每组试样中选取位于中间位置的一条曲线用于比较,如图7所示。由真应力-真应变曲线可以得出原始板料的抗拉强度和屈服强度,分别为1320MPa和1042MPa。由图7可知,腹板处和立边处的试样屈服强度和抗拉强度虽略高于原始板料,但并无明显差别,数值上升高均没有超过6%。而延伸率也基本没有区别,断裂应变分别为0.055和0.058。而两个弯角试样的强度与其他试样相比,则有较为明显的提高。上弯角的抗拉强度达到1612MPa,屈服强度为1325MPa,与下弯角试件数值基本相同。由于屈服强度的升高略高于抗拉强度,因此造成了屈强比由0.79升高至0.82。同时,可观察到断裂应变的降低也很明显,两弯角试件的断裂应变平均值为0.034,塑性下降较大。在帽形件成形时,弯角部分变形剧烈,晶粒碎化而产生了大量的位错,致使位错密度急剧升高,位错之间的相互阻碍使得运动困难。因此材料的强度提高,而塑性变形能力降低。3.2原始土地的力学性能图8为原始材料金相图,由图可看出,该材料的组成为回火马氏体夹杂少量的铁素体,这种组织既保证了材料具有很高的强度,又保证了一定的塑性和韧性,更易于塑性加工。通常每个板条束中最长的马氏体板条可反映原始奥氏体晶粒大小。利用NanoMeasure软件选择了具有代表性的40个马氏体板条,测量出马氏体板条最大长度为7.23μm,最小长度为1.75μm,平均长度为4.24μm。较短小的马氏体板条说明,原始奥氏体晶粒比较细小,因此从微观角度来看,原始板料综合力学性能良好。图9为上弯角侧面处500倍的金相图,由图可知,晶粒在一定范围内有所拉长。此处板条最大长度为9.32μm,最小长度为2.9μm,平均粒径为6.12μm,产生了明显的塑性变形。而立边部分与腹板部分金相与原始板料并无明显区别,如图10、图11所示。3.3弯角断口与断口分析对拉伸试件的断口进行扫描电镜实验。实验中观察到立边、腹板部位试样的断口与原始板料区别并不大,图12为原始板料试件的断口形貌。图中可见大量抛物线韧窝,属于剪切韧窝,证明了超刚强钢板在单向拉力的作用下以剪切破坏的形式断裂,与断口的宏观样貌的45°剪切唇相互印证。试件颈缩后,晶粒周围堆积的位错环在切应力作用下移向界面形成微孔,之后,微孔扩展、长大形成内部空洞,直到最后断裂形成韧窝。这说明材料断裂前发生了明显的塑性变形。由于实验中两弯角处形貌无明显区别,因而只描述上弯角处情况。图13为弯角各区域划分示意图。图14为上弯角试样断口的中心区域、次外围区域以及外围区域SEM图。由图14a可观察到中心区域主要形貌依然为韧窝,与原始板料断口不同的是,此处韧窝较小较浅而且除剪切韧窝外还存在部分等轴韧窝,而等轴韧窝标志着正应力下的断裂。这说明弯角部位中心区域的塑性已有所降低,但仍属于韧性断裂范畴。图14b所示为弯角次外围区域的形貌,可以明显看到撕裂棱和较为短小的“河流花样”的存在,“河流花样”是解理台阶的标志,当裂纹扩展时,小的解理台阶汇合成较大的台阶,便形成了“河流花样”。同时,此处韧窝明显减少且更浅更趋近于等轴状,已出现一些脆性断裂的特征。图14c为最弯角的最外层部位的形貌,此处的韧窝已经很少,并且产生了很严重的畸变,主要组成是撕裂棱和短小的“河流花样”,由于解理断裂和韧性断裂的复合作用,造成了在断口上形成撕裂棱与韧窝并存的特征,说明该部位为准解理断裂。综上所述,断口扫描电镜实验结果与拉伸实验结果、断口宏观样貌特征相互印证。4弯角试样断口分析1)折弯成形的帽形件腹板和立边的各项力学性能参数与原始板料基本相同,弯角部分试样的屈服强度和抗拉强度大于母材,而断裂应变有所降低。2)型材立边部分与腹板部分显微组织为回火马氏体夹杂少量铁素体,与原始板料并无明显区别;弯角侧面晶粒在一定范围内有所拉长,该处为形变强化最严重的区域。3)型材腹板和立边试样的宏观断口符合切应力作用下的断口特征,即与拉伸方向呈45°,属于塑性断裂;而弯角试件属于正拉断