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高强IF钢的高速应变行为

吴青松¹，欧阳页先²，赵江涛¹，段小平¹，龙安¹

(1．武汉钢铁(集团)公司研究院，湖北 武汉430080；

2．国家硅钢工程技术研究中心，湖北 武汉430080)

摘 要：利用拉伸实验装置研究了高强IF钢在高应变速率下的变形特性。结果表明：高强IF钢是应变速率敏感性材料，在应变速率10^﹣4～10³／s的范围内，应变速率对高强IF钢的应变硬化率与屈服强度的影响具有2阶段性。在第一阶段，应变速率较低，应变硬化率与屈服强度对应变速率的敏感性较小；在第二阶段，应变速率较高，随应变速率的增加，应变硬化率迅速降低，屈服强度迅速增加。

关键词：高强IF钢；应变速率；应变硬化率；屈服强度

为了减轻汽车的重量和提高汽车的防撞性能，添加了磷、硅和锰等固溶强化元素的高强IF钢得到了广泛的应用。高强1F钢即具有较高的强度，又具有IF钢的成形性^[1]。高强IF钢的这种特点使其在汽车构件减薄、减重，提高汽车的抗碰撞性能中发挥了重要的作用。

人们已经对高强1F钢力学性能和成形性能进行了大量研究^[2-4]，但均集中在准静态加载条件下成分和工艺对其性能的影响方面，还缺乏关于高强IF钢在动态加载条件下力学行为的研究。

材料在动态加载条件下的力学行为与准静态加载条件下的力学行为不同，因此研究高强IF钢在动态加载条件下的力学行为对其在汽车上的应用和车身碰撞安全性评价具有重要意义。本文对高强IF钢进行不同速率的拉伸试验，分析应变速率对其应力一应变曲线、应变硬化率与屈服强度的影响。

1试验材料及试验方法

1．1试验材料

试验材料为武汉钢铁(集团)公司生产的冷轧高强IF钢WH180Y，厚度为1．0mm，其化学成分见表1。

1．2试验方法

高应变速率(500s^﹣1、800s^﹣1、1200s^﹣1和1800s^﹣1)下的拉伸试验在分离式Hopkinson拉杆(SHTB)上进行[5]。按照标准GB／T 228．1—2010“金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法”，低应变速率(0．0002s^﹣1、0．005s^﹣1和0．08s^﹣1)拉伸实验在Z050电子万能材料试验机上进行。

2试验结果及分析

2．1  高强IF钢冲击拉伸应力-应变特性

不同应变速率下的工程应力一应变曲线如图1(a)所示。从图中可知，应变速率对材料应力一应变曲线具有很大的影响。同一应变下，随应变速率的提高，材料的流变应力增大，超过某一应变速率，材料的流变应力迅速增加。随塑性变形的发展，高应变速率下的应力一应变曲线与低应变速率下的应力一应变曲线具有相交的趋势。这说明高强IF钢是应变速率敏感性材料，且不同的应变速率下，材料具有不同的应变硬化率。

在极低的应变速率下，相当于准静态加载条件，材料完成连续屈服后，材料一方面在应变硬化，另一方面因面积减小导致承载能力降低^[6]。从图1(a)中可知，在颈缩前，因应变硬化导致的承载能力提高远大于承载能力的下降，即材料的应变硬化对变形过程起主导作用，随塑性变形的发展，材料在持续硬化。

在高应变速率下，相当于冲击拉伸加载条件，变形过程是一个绝热过程，绝热条件下，塑性变形功大部分转化成导致试样产生升温的热量，引起软化，随塑性变形的发展，转变为热能的塑性功增多，材料温度升高增大^[7]。从图1(a)中可知，材料完成连续屈服后，随塑性变形的发展，材料的应变硬化趋势减弱。应变硬化引起的承载能力提高与塑性变形导致的软化均处于控制变形的因素。尽管材料仍在应变硬化，但这种硬化趋势已不足以抵消进一步的塑性变形导致的软化。

利用SHFB试验装置获得的应力一应变曲线图1(a)中，应变速率为1800s^﹣1的应变量大于应变速率为500s^﹣1的应变量。根据应力波理论，SHTB试验加载时间由子弹长度决定。在子弹相同的情况下，加载时间是一定的，而应变是由应变速率和加载时间的乘积决定。因此500s^﹣1加载下的应变量小于1800s^﹣1加载下的应变量。

2．2应变硬化率的速率效应

由工程应力一应变曲线计算得真实应力一应变曲线，如图1(b)所示。对真实应力一应变曲线进行分析，得到各应变速率下的应变硬化率与真应变的关系曲线，如图2所示。

从图2可知，在低应变速率下，高强IF钢应变硬化率与真应变的关系由一条曲线组成，曲线可分为2个阶段，应变硬化率较高且迅速下降的第1阶段和应变硬化率较低且缓慢下降的第2阶段。在高应变速率下，应变硬化率较低，应变硬化率随真应变的增加，变化平缓。

应变硬化率与位错的运动有关。根据位错理论^[8]，在小应变时，材料的强化主要来源于滑移面上位错之间、位错与溶质原子之间或者位错与沉淀粒子之间的交互作用。在应变量较小时，拉伸过程中位错的运动主要以平面滑移为主，位错硬化机制占主导。因此在均匀塑性变形的初始阶段，应变硬化率较高。随着应变的增加，不同滑移面上的位错达到其交滑移的临界应力，发生交滑移，使得位错与碳氮化物颗粒之间的交互作用减弱，应变硬化率较低。

高应变速率下，冲击拉伸加载条件下，变形过程是1个绝热过程。位错硬化机制产生的高应变硬化率被绝热软化削弱，应变硬化率较低。随塑√陛变形的发展，位错硬化和绝热软化相互竞争，共同控制着变形的整个过程，应变硬化率变化平缓。

2．3  屈服强度的速率效应

图3是屈服强度与应变速率韵关系曲线。在本文的速率范围获得了2个不同的强化区。在第一区，应变速率较低，速率敏感性较小，随应变速率增加，屈服强度呈线性关系而缓慢上升。在第二区，应变速率较高，速率敏感性较大，随应变速率增加，屈服强度也呈线性关系但迅速上升。第二区的交界处为临界应变速率。高强IF钢的室温临界应变速率为0．287s^﹣1。 

尽管本文没有进行10^﹣1～10¹s^﹣1应变速率之间的实验，但图3延伸到此区间的结果与文献[9—10]的实验结果是一致的。 

文献[10]认为，第一区为“富热激活区”，第二区为“贫热激活区”。在第一区，热激活位错线的数目超过屈服所需越过的短程能垒数，热激活作用被充分地利用，故外加应力较小，屈服强度较低，且对应变速率不敏感。在第二区，热激活位错线的数目小于屈服所需越过的短程能垒数，并且随着应变速率的增大数量急剧减少，故热激活作用逐渐减弱，所需施加的外力逐渐增大，屈服强度迅速增加，对应变速率十分敏感。

3结论

1)应变速率对高强IF钢应力一应变曲线具有很大的影响。在本文的实验速率下，同一应变下，随应变速率的提高，材料的流变应力增大；随塑性变形的发展，高应变速率下的应力一应变曲线与低应变速率下的应力一应变曲线具有相交的趋势。

2)冲击拉伸加载下，绝热软化使高强IF钢应变硬化率很低。

3)在本文的应变速率范围，高强IF钢屈服强度与应变速率的关系曲线可分成2个不同的强化区：屈服强度较低的应变速率不敏感区和屈服强度较高的应变速率敏感区。

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