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材料工程 2022年第10期50卷 73-79页

作者：吴聪景财年林涛叶道珉雷启腾山东建筑大学材料科学与工程学院济南250101

采用分离式Hopkinson压杆对热冲压淬火-配分(HS-Q&P)钢在0~12000 s^(-1)应变速率范围内进行动态压缩实验,利用SEM,EBSD,XRD等分析表征手段探究动态压缩过程中试样的变形行为。结果表明:实验钢在不同速率下的变形行为基本相似且分为3个阶... 详细信息

采用分离式Hopkinson压杆对热冲压淬火-配分(HS-Q&P)钢在0~12000 s^(-1)应变速率范围内进行动态压缩实验,利用SEM,EBSD,XRD等分析表征手段探究动态压缩过程中试样的变形行为。结果表明:实验钢在不同速率下的变形行为基本相似且分为3个阶段,在平台处应力有小幅度增加,增幅更多体现在应变上。在压缩过程中出现的绝热升温会带来软化效应。残余奥氏体的存在会提高实验钢的强度和塑性变形能力。钢中残余奥氏体发生相变诱导塑性(transformation induced plasticity,TRIP)效应减少的体积分数与马氏体增加的体积分数基本一致,证明TRIP效应为钢中主要的强化机制。同时,通过SEM可观测到残余奥氏体发生TRIP效应转变成细小针状马氏体,随着应变速率增加,晶格畸变越来越严重,EBSD图像中可以观测到部分形变孪晶,在不同应变速率下,〈001〉取向的晶粒都会更容易产生形变孪晶。

关键词：热冲压淬火-配分钢残余奥氏体应变速率绝热升温

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不同应变速率下HS-QP钢动态力学行为机理研究

不同应变速率下HS-QP钢动态力学行为机理研究

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作者：吴聪山东建筑大学

学位级别：硕士

先进高强钢因其较高的强度而常用于汽车结构件的制造过程中,可以在保证安全性能的前提下减小汽车板板厚,从而达到轻量化的目的。但汽车高强钢因其强度高存在冷轧效果不理想,室温塑性变形能力差等问题。将热冲压(HS)工艺与淬火-配分(Q&P... 详细信息

先进高强钢因其较高的强度而常用于汽车结构件的制造过程中,可以在保证安全性能的前提下减小汽车板板厚,从而达到轻量化的目的。但汽车高强钢因其强度高存在冷轧效果不理想,室温塑性变形能力差等问题。将热冲压(HS)工艺与淬火-配分(Q&P)工艺相结合的HS-Q&P一体化工艺可以解决高强钢室温成形困难及热成形钢塑性较差的问题,从而得到了兼具强度和塑性的高强钢,HS-Q&P工艺现在已经得到了广泛的研究与发展。目前,先进高强钢主要用于汽车的防撞和受力集中部件,这些部件在车辆碰撞过程中会承受较高的应变率而发生变形(10-10 s),因此正确全面的评估HS-Q&P钢在高速应变下的动态力学性能对工艺的改进和行车安全具有十分重要的意义。所以本文采用HS-Q&P工艺处理低碳硅锰钢,并采用霍普金森压杆和万能电子拉伸试验机测定不同参数下HS-Q&P钢的动态力学性能,结合OM、SEM、EBSD、XRD分析表征手段探究组织变化与力学性能的关系。揭示HS-Q&P钢在高速应变下的强塑性机制及动态力学变形行为,研究结果如下:(1)在920℃完全奥氏体化加热的HS-Q&P钢随着压缩速率的增加,屈服强度是逐渐上升的,但增加幅度较小,更多体现在应变上。当压缩速率为12000 s时屈服应力最大,为1935 MPa。压缩速率从4000 s增加至12000 s,塑性增加了26.7%。不同速率下的真实应力应变曲线大致相同,且分为3个阶段:急速上升阶段、平稳的屈服阶段、下降阶段。变形初期以应变硬化,位错增殖,TRIP强化效应为主,变形中期TRIP效应与绝热升温效应共同作用产生平台阶段,位错得以继续运动,前期的TRIP效应是发生塑性变形的主要原因。试验钢的显微组织主要由针状马氏体,少量铁素体和残余奥氏体组成,随着应变速率的增加,马氏体边界逐渐模糊,晶粒破碎数量增加,在一定程度上细化了马氏体晶粒,出现了面积较大的界面不清晰和沟壑不明显区域,块状马氏体增加。在EBSD图中观测到在绝热升温的作用下出现的绝热剪切带和形变孪晶。(2)在800℃奥氏体化加热的HS-Q&P钢最大屈服应力随压缩速率的增加也是逐渐上升的,且分为3个阶段:上升阶段、平稳的屈服阶段、下降阶段。在平稳的屈服阶段内会有小幅下降。在这个阶段内绝热升温起到了主要作用,提高了应变过程中的层错能,TRIP效应得到了抑制。试验钢的显微组织主要由板条马氏体、铁素体、残余奥氏体组成。随着应变速率的增加马氏体板条变粗,界面逐渐模糊,马氏体铁素体边界开始融合,组织逐渐扁平化。出现了马氏体相变生成的白色细小马氏体组织以及不同的奥氏体晶粒轮廓。(3)对比了以上两种不同工艺下HS-Q&P钢的动态力学性能和显微组织,结果发现两种工艺处理试验钢面对不同压缩速率下的真实应力-应变曲线图趋势大致相同,但也各有优缺点。低应变率下完全奥氏体化工艺的力学性能要稍好于两相区奥氏体化工艺,高应变率下两相区奥氏体化工艺的塑性则更为优秀。两种工艺在显微组织上则有较大的差异,虽然都是由马氏体、铁素体、残余奥氏体组成,但其形貌含量全然不同。二者具有相似的变形行为及强化机理,同时面对不同的压缩速率有不同的优势,证明了虽然残余奥氏体含量较少,但仍是十分重要且共通的强化过程。(4)以上两种工艺在面对快速拉伸时的应力-应变曲线也具有相似性,抗拉强度都是先增加后降低的;断后延伸率和强塑积都是随着应变速率的增加而降低的,最大值出现在拉伸速率最小的时候,为11.16%、17.1 GPa·%和12.56%、18.3 GPa·%。完全奥氏体化工艺由于大量马氏体的存在,其塑性要小于两相区奥氏体化处理的HS-Q&P钢。相反由于较多的铁素体组织的存在,完全奥氏体化工艺的HS-Q&P钢的塑性要小于两相区奥氏体化处理的HS-Q&P钢。这都是由于热处理工艺特性所带来的力学性能的微小差异。两种工艺带来的组织含量及形貌完全不同却能具有相似的力学性能,证明了残余奥氏体的TRIP效应为钢中的主要强化作用。(5)对比了HS-Q&P、Q&P+冷轧工艺和HS-Q工艺三种工艺的组织与力学性能。由于Q&P+冷轧和HS-Q工艺都会在成形和配分过程中会消耗残余奥氏体,所以HS-Q&P钢的力学性能要好一些。证明了HS-Q&P一体化工艺不仅在准静态下可以集Q&P与热冲压的优点于一身,在动态拉伸过程中的综合力学性能仍好于其他两种工艺。

关键词：热冲压淬火-配分钢霍普金森压杆动态力学性能绝热升温

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