（材料加工工程专业论文）低硅trip钢的动态拉伸性能研究.pdf

上海大学硕士论文 低硅t r i p 钢的动态拉伸性能研究 摘要 传统c s i m n 系高强度低合金相变诱发塑性( t r i p ) 钢因其碳、硅含量高， 影响了它的焊接性能、板材表面质量和热浸锌性能。本论文的研究目的在于低碳 低硅成份( o 1 l c - 0 6 2 s i 1 6 5 m n ) t r i p 钢的动态拉伸性能。拉伸实验在基于一 维弹性应力波原理的气动式h o p k i n s o n 杆杆型高速冲击拉伸试验装置上进行。研 究了热处理工艺、应变速率和拉伸过程中环境温度对拉伸性能的影响。本文主要 使用了计点法定量金相、x 射线衍射、扫描电镜( s e m ) 等实验观察手段。试验 结果对于汽车工业中防冲撞设计、车身轻量化以及冲压工艺的制定具有一定的参 考意义。 论文主要内容包括： 1 ) 低硅s i m n 系t r i p 钢经两相区退火加贝氏体转变区等温处理后，其显微组 织主要由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成，其中残余奥氏体的体积分数可以达 到1 2 1 4 。总体上说，两相区退火温度接近a c l 可获得较多的铁素体和残 余奥氏体。 2 ) 室温拉伸试验中，随应变速率增大，低硅t r i p 钢的均匀延伸率呈现峰值变 化，应变率1 0 0 0 s 。左右达到最大值( 1 6 1 8 ) ，总延伸率和能量吸收强度值 增加，抗拉强度略有提高。两相区热处理温度接近a c 。的试样具有较高的强塑性 配合。 3 ) 提高拉伸过程中的环境温度，抗拉强度下降，但5 0 c 并g7 54 c 下的能量吸收强 度仍可达到2 6 0 0 0 m p a ，较1 1 0 c - f 的高出约5 0 ；试验中发现经7 8 0 c 3 0 0 s + 4 0 0 c 3 0 0 s 处理工艺获得的试样在温度影响下的拉伸性能呈现峰值变化，5 0 下的抗拉强度、总延伸率和综合力学性能能量吸收强度比室温下、7 5 。c 下和 1 1 0 c 下的性能都要好，获得了最佳的强塑性配合。 4 ) 提高拉伸过程中的应变率( 5 0 0s - 1 1 7 0 0s - i ) 和试验温度( 室温 1 1 0 。c ) ， 都提高了t r i p 钢中残余奥氏体的稳定性，抑制拉伸过程中的应变诱发相变。 5 ) s e m 断口扫描显示，低硅t r i p 钢的断口均为韧性断口，体现出良好的延性 断裂特性。 关键字相变诱发塑性钢 应变率温度残余奥氏体 l 圭塑盔堂受圭兰壅 堡壁翼型i 型堕塑堕型型墅堕! ! 曼 a b s t r a c t b e r e rc o m b i n a t i o no fs t r e n g t ha n dp l a s t i c i t y c a nb ea c h i e v e d b yt r a n s f o r m a t i o n i n d u c e dp l a s t i c i t y ( t r i p ) o fr e t a i n e da n s t e n i t e s t e e l sh a v i n gt r a n s f o r m a t i o ni n d u c e d p l a s t i c i t yh a v e b e e nu s e dt om a n u f a c t u r ep a r t so ft h ea u t o m o b i l e sw h i c hc o u l da b s o r b m o r ee n e r g yi nt h ec r a s h m o s to ft h ep u b l i s h e dw o r kc o n c e n t r a t e do nc o m p o s i t i o n w i t hh i 【曲c a r b o na n ds i l i c o nc o n t e n tw h i c hc a u s e sp r o b l e m sd u r i n gp r o d u c t i o n t h e r e f o r ei nt h i sw o r kt r i ps t e e l sw i t hr e d u c e dc a r b o na n ds i l i c o nc o n t e n t sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ed y n a m i cp r o p e r t yo f t r i ps t e e lw a ss t u d i e do na h i g h - s p e e d t e n s i l e i m p a c tt e s t e r t h ep n e u m a t i ci n d i r e c tb a r - b a rt e n s i l ei m p a c tt e s t e rw a sb a s e do nt h e o n ed i m e n s i o ns t r e s sw a v ep r i n c i p a la n ds h t bm e a s u r et e c h n o l o g y t w of a c t o r st h a t a r et h es t r a i nr a t ea n de l e v a t e dt e m p e r a t u r ew h i c hi n f l u e n c e dt h et e n s i l ep r o p e r t i e s w e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l s t e e lc o n t a i n i n g0 1 l c - 0 6 2 s i 一1 6 2 m nw a si n t e r c r i t i c a l l y a n n e a l e df r o m7 4 0 t o8 0 0 a n d i s o t h e r m a l l y t r a n s f o r m a t i o na t4 0 0 m i c r o s t r u c t u r e sw e r ei d e n t i f i e db yo p t i c a lm e a s u r e m e n ta n dt h ev o l u m ef r a c t i o no f r e t a i n e da u s t e n i t ew a sq u a n t i f i e db y x r a yd i f f r a c t i o n e l e c t r o ns c a n n i n gm i c r o s c o p e w a su s e dt oo b s e r v et h ef r a c t u r es u r f a c e s t h ec o n t r i b u t i o no f t h ed i s s e r t a t i o nl i e sn o t o n l y i nt h ed e s i g n i n go f a n t i c r a s h i n ga n dl i g h t i n gb o d y b u ta l s oi nt h ed e f o r m a t i o no f t h e p r o c e s si na u t o m o b i l ei n d u s t r y t h e h i g h l i g h t so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： ( 1 ) a f t e rt h eh e a tt r e a t m e n t ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e s es t e e l sc o n t a i n e df e r r i t ea n d s e c o n d p h a s e ( b a l n i t ep l u s1 2 1 4 v 0 1 r e t a i n e da u s t e n i t e ) ，w h e nt h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e w a sn e a rt oa c j ，m o r ef e r r i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t ec o u l db eo b t a i n e d ( 2 ) t h ee f f e c to f s t r a i nr a t eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf o rt h es t e e lw a se v a l u a t e d w h e n i tw a st e s t e da th i g hs t a i nr a t ef r o m5 0 0 s - lt o1 7 0 0 s i nr o o m t e m p e r a t u r e t r i p s t e e l s w h i c hw e r et r e a t e d b yv a r i o u sp r o c e s s e ss h o wt h es i m i l a r t e n d e n c y o ft e n s i l e p r o p e r t i e s w i t hi n c r e a s i n gt h es t a i nr a t e ，t h et o t a le l o n g a t i o na n de n e r g ya b s o r p t i o n v a l u e si n c r e a s e db u tt h eu n i f o r m e l o n g a t i o nd e c r e a s e d t h et e n s i l e s t r e n g t hj u s t s l i g h t l yr i s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fs t r a i nr a t e t h ee n e r g ya b s o r p t i o nv a l u e sg r o w s l u g g i s h l y a t h i g h e r s t r a i nr a t e t h e s p e c i m e nw h o s e i n t e r c r i t i c a i l y a n l l e a l e d i i 圭堂查兰堡圭丝塞 堡壁! 型! 塑塑垫变垫壁丝! ! ! 堕 t e m p e r a t u r e w a sc l o s et oa c ls h o w e dag o o dc o m b i n a t i o nb e t w e e ns t r e n g t ha n d p l a s t i c s d y n a m i cs t r a i n h a r d e n i n gr a t e h a sc e r t a i nr e l a t i o n s h i pw i t ht h es t r a i nr a t e a n du n i f o r me l o n g a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e nt h es p e c i m e nw a st e s t e da t 1 l i g hs t r a i nr a t e ，i t ss t r a i n - h a r d e n i n gr a t ew a sa l s o1 l i g h a tt h er a n g e o fs t r a i nb e y o n d 4 t h eh i g h e ru n i f o r me l o n g a t i o nw a sc o r r e s p o n d i n gt ot h eb i g g e rs t r a i n - h a r d e n i n g r a t e ( 3 ) e l e v a t i n gt h et e s t i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e st h et e n s i l es t r e n g t h ，a n da t 1i o * ct h e s t r e n g t hd e s c e n d sb y3 0 0 m p a t h eu n i f o r me l o n g a t i o nr e a c h e st h em a x i m u m v a l u e w h e nt h es t r a i nr a t ea p p r o a c h1 0 0 0 s w h e nc t y p e ( 7 8 0 c 3 0 0 s + 4 0 0 c 3 0 0 s ) w a s s t u d i e da tt h ee l e v a t e d t e m p e r a t u r e ，i t c o u l db ef o u n dt h a tt h et o t a l e l o n g a t i o n i n c r e a s e da tt e m p e r a t u r er a n g eo f5 0 。ca n d7 5 。ca n d s t r e n g t h sw e r eh i g h e rt h a nt h o s e o fr o o mt e m p e r a t u r e g o o dc o m b i n a t i o no fs t r e n g t ha n dt o u g h n e s sc a nb ea c h i e v e d u n d e rs u c hc o n d i t i o n s t h ee n e r g ya b s o r p t i o nv a l u er e a c h e d2 6 0 0 0 m p a a n dw h i c h w a s s e q u a l t o1 5t i m e so f v a i u ea t1i o * c ( 4 ) w i t ht h et e m p e r a t u r er i s i n g ，t h es t a b i l i t yo f r e t a i n e da u s t e n i t eg o th i g h e ra n ds t r a i n r a t ea l s oc o u l dr e s t r a i nt l et r a n s f o r m a t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t e t h er e t a i n e da u s t e n i t e t r a n s f o r m a t i o n p r i o r t ot h e n e c k i n ge n h a n c e d t h eu n i f o r m e l o n g a t i o n c o u l db e p r e d i c t e d t h ep h e n o m e n o no fh i g h e rs t r e n g t hp l a s t i cb a l a n c ea th i g h e rs t r a i nr a t e m i g h t b ec a u s e d b yt w of a c t o r s ：o n ew a st h er e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o n p o s t p o n i n gt h ef r a c t u r ea tl a r g es t r a i n ；a n o t h e rw a st h ea d i a b a t i ch e a t i n gs o f t e n i n gt h e m a t e r i a li nd y n a m i ct e n s i l ee x p e r i m e n t s ( 5 ) s e me x a m i n a t i o no ft e n s i l es p e c i m e n sa tf r a c t u r es u r f a c e ss h o w e da l lo f 也e s e w e r et o u g h n e s sf r a c t u r e s w h e nt h es t r a i nr a t er i s i n g t h eg r o w t hs p e e do f v o i dw e n t h i g ha n d i tc o r r e s p o n d e dt ot h el o w v a l u eo fu n i f o r m e l o n g a t i o n k e y w o r d s ：t r i ps t e e ls t r a i nr a t e t e m p e r a t u r e r e t a i n e da u s t e n i t e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：捌! 鹧日 本论文使用授权说明 期。枷争箩s 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：量4 必 导师签名：日期： 圭塑奎兰堡主丝奎 堡壁里坠兰旦堕垫查垫塑丝壁! 堡堕 第一章绪论 1 1 引言 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，因此汽车工业的每一次科技进步，都 会带来显著的经济和社会效益。降低能耗、减少环境污染以及节约有限资源是当 今人们所面临的一个十分重要而紧迫的问题，减轻汽车自重是提高汽车的燃油经 济性、节约能耗的重要措施之一。为此近年来，西方发达国家的汽车制造厂商竞 相加速汽车轻量化的步伐【”，以适应市场和社会提出的多样化要求。 在汽车工业所用的材料中，无论是从数量、重量，还是从零件的技术要求程 度来看，金属材料都具有极其重要的地位。从生产一辆汽车的费用来看：原材料 占5 3 、制造占3 0 ，设计开发占5 ，其他占1 2 ，由此可见汽车材料的重要 性1 2 】。而汽车材料中用量最大的是钢板，平均起来，一辆轿车约使用薄钢板6 0 0 8 0 0 k g ，薄板成形件5 0 0 6 0 0 件。薄板在汽车生产中不仅用量大，而且质量要求 高。对传统的钢材来说，塑性与强度是一对不可调和的矛盾，提高强度必然要牺 牲塑性：然而，提高汽车钢板的强度有着特别重要的意义，汽车钢板强度的提高， 意味着既可提高汽车驾驶的安全系数，又可大大减轻整车重量。人们发现以高强 度钢( h s s h i g hs t r e n g t hs t e e l ) 来替代软钢并非仅为降低油耗的权益之计，而 是代表了一种科技进步的方向。由此产生了汽车集团与钢铁集团联合起来，共同 开发研制高强度钢的佳话。由七十年代而掀起的这股浪潮，席卷了北美、欧洲、 日本等发达国家，开发了如双相钢、沉淀硬化钢、固溶强化钢、以i f 钢为基的 固溶强化钢、相变诱发塑性钢以及具有相变诱发塑性的双相钢等。从1 9 7 7 年 1 9 9 9 年这二十几年一辆典型北美轿车的普碳钢用量下降了6 0 0 k g ，而高强度钢 ( h s s ) 的用量则提高了2 6 倍 3 1 。其中以相变诱发塑性( t r i p ) 钢由于其独特 的强韧化机制，在同等强度下具有低的屈服强度、高的延长率和扩孔率f 4 1 ，达 到很高的强塑性配合，超出了其它现有的高强度钢板，被认为是新一代汽车用钢。 1 2 高强度低合金s i m n 系相变诱发塑性钢 s i - m n 系t r i p ( t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y 相变诱发塑性钢) 钢板是 近些年来为满足汽车工业对高强度、高塑性需求而开发的新型钢板。钢中存在 第1 页共6 i 页 尘塑查兰堕主丝兰堡壁! 型生塑箜丝查垦堡丝重i 竺堕 t r i p 效应在最初由v f z a e k a y 【5 1 在奥氏体不锈钢中发现并命名，其发现利用残余 奥氏体的应变诱发相变和相变诱发塑性，提高了钢板的塑性并改善了钢板的成型 性能。 图1 i 传统高强钢瓤】t r i p 钢的性能对比 t r i p 效应，是含有室温稳定存在的残余奥氏体在组织变形未达到颈缩前， 位错积累产生的应变强化不足以弥补应力增加时，通过应力诱发残余奥氏体向马 氏体的转变而引入相变强化和塑性增长。也可分步解释为 6 1 ： 拉伸变形时最大的部位首先诱发马氏体相变，使局部强度提高难以继续变 形，导致变形向未发生马氏体相变的其它部位转移，推迟了颈缩的形成。 拉伸变形时造成的局部应力集中因马氏体相变而松弛，改善裂纹尖端的应 力集中状态，推迟了裂纹的产生，减缓裂纹的扩展。 残余奥氏体与外加应力呈共格关系，高能界面不利于裂纹的扩展。因此， 宏观效应表现为拉伸、延伸率，特别是均匀延伸率的提高， 但早期的t r i p 钢板因含有较多的镍、铬等合金元素，成本高，使用受到限 制。后来h a y a m i 发现其中含有残余奥氏体双相钢也具有t r i p 效应n 从此人 们开始考虑以廉价的硅、锰等合金元素代替镍、铬来研制新型t r i p 钢板，较传 统的高强度钢材而言，c s i m n 系t r i p 钢有着独特的优势。固溶强化与析出强 化型钢材的抗拉强度与伸长率的矛盾突出，抗拉强度高则伸长率又偏低，伸长率 良好时抗拉强度又不够。双相( f + m ) 钢的出现，使汽车用钢的综合机械性能得 到一定的改善，而t r i p 钢的问世，则标志着汽车用钢的又一大进步。t r i p 钢的 一大特点就是“双高”，即伸长率高的同时其抗拉强度也高，具有低的屈服强度 ( 6 s ) 、高的抗拉强度( 6 b ) 与优良的伸长率( 瓤) 的平衡。借助于亚临界等温 第2 页菇6 l 页 占查奎兰堡主丝塞 堡壁卫翌羔型堑塑查垫盟壁! ! ! 堕 退火工艺，就可以得到大量稳定残余奥氏体的三相组织( 铁素体+ 贝氏体+ 残余 奥氏体) 。目前，低碳t r i p 钢的抗拉强度和延伸率的乘积可以达到了2 2 ，0 0 0 m p a ，比过去投产的所有汽车用钢板强塑积高得多。 图1 2 所示为目前生产s i m n 系1 r i t i p 钢的常用的两种工艺。图1 2 ( a ) 是热轧 生产工艺，图1 2 m ) 生产工艺是冷轧后连续退火。由于受实验条件限制，目前 t r j p 钢的试验研究主要采用图1 2 所示的方法。 砸恤 图1 2 ( a ) 1 r m 钢的熟轧生产工艺( b ) t r j p 钢的热处理工艺 日本是最早研制成功低合金高强度( h s l a ) 相变诱发塑性钢，投入工业化 生产并应用到汽车工业上去的国家，并与汽车公司联手将其应用于新型汽车的结 构件上。继日本之后，欧洲的钢铁公司也投入了t r i p 钢的批量生产。t r i p 钢板 主要用于制作汽车的挡板、底盘部件、车轮轮辋、车门、冲击梁等。此外，它可 作为热镀锌和锌一镍电镀锌的基板，以生产高强度、高塑性、高耐蚀性的镀锌板。 目前根据生产工艺的不同t r i p 钢可以分为热轧t r i p 钢、冷轧t i u p 钢、热 镀锌t r j p 钢和电镀锌t r i p 钢，从强度级别上来看，主要有6 0 0m p a 、7 0 0m p a 和8 0 0m p a 三个级别。目前国内外一些公司如新日铁、浦项、n k k 、川崎和蒂 森都已经实现低级别的热轧、冷轧和电镀锌t r i p 钢的商业化，热镀锌t r i p 钢 正在研究中口j 。国外已经成功地迈出了从研究到产业化这一步，而我国对t r i p 钢的研究与国际水平存在着较大差距吼我们必须迎头赶上，加快对t r j p 铜研 究的步伐，争取早日实现t r p 钢的国产化，并力争赶上并超过国际先进水平。 第3 页共6 l 页 q目牟 圭塑查兰堡圭笙塞j 塑重要坐尘塑篁堑墅塑型墅堕! 堕 图1 3h s l a - t k i p 钢制造的汽车零部件 1 3 合金元素在h s l a - t r i p 钢中的应用 通过t r i p 效应来提高钢延性的方法最早是由z a c k a y 等人在研究高n i 高c r 奥氏体不锈钢时提出的。由予需大量添加这些高成本合金元素，一些研究人员就 把他们的研究重点放在成本较低的低合金t r i p 钢的开发上。c s i ，m n 系t r i p 钢就是在这样的背景下开发出来的。 1 3 1 硅元素的作用 s i 是铁素体的形成元素，在亚临界加热时，s i 倾向于向铁素体中扩散，因 而铁素体中s i 浓度较高，而奥氏体晶体边缘s i 贫化。在贝氏体相变区等温过程 中，贫碳的奥氏体边缘率先向贝氏体铁素体转变，同时向奥氏体晶粒内部排c ； 高s i 铁素体中c 原子的活度提高，有利于铁素体中的c 排向奥氏体，同时对铁 素体本身起了净化作用。这不仅有利于铁索体的延展性能，又稳定了过冷奥氏体 1 0 t l l j 。 s i 元素在碳化物中不易溶解，s i 的加入抑制碳化物的析出。贝氏体转变过 程中未有碳化物沉淀形成，相应的提高了残余奥氏体中的c 浓度，过冷奥氏体 具有更高的稳定性能。实验证实提高s i 含量可以有效抑制碳化物形成1 1 2 】。 第4 页共6 l 页 圭塑查堂堡主丝苎堡壁里塑羔塑堑堑型型塑墅堡l 堕 p i e h l e l a n d r e d l 3 1 同样认可s i 的主要贡献是抑制贝氏体相变阶段中f e 。c 的析出。 j a c q u e s ，p j l l 4 】等人不仅认同s i 对t r i p 钢中奥氏体的稳定化作用，而且指出 s i 对铁索体母相的固溶强化作用。铁素体中s i 含量每升高l ，其强度提高 1 0 0 m p a ；奥氏体中s i 含量每提高1 ，其强度仅上升2 0 m p a 。s i 的固溶强化促 进了t r i p 多相钢强度与塑性的良好结合。 但是t r i p 钢中s i 含量超过1 ，会给产品带来以下几种缺陷n 6 ) ： 铸造困难。 表面质量差。因为其硅含量高，表面容易起铁锈。 热镀锌困难，表面缺乏浸润层；界面上易形成脆弱的金属间化合物。 1 3 2 锰元素的作用 m n 是奥氏体稳定化元素，它在临界退火区会向奥氏体中扩散，使得m n 和c 同时在奥氏体中富集和均匀化，故改变了奥氏体在随后冷却过程中的稳定 性以及珠光体的形成1 7 1 。 m n 的加入使m s 点降低，残余奥氏体含量增加【1 8 】。 t s u k a t a n i ，i c h i r o ”】研究了合金元素对t r i p 钢的机械性能的影响后指出：m n 元素含量由1 5 增加到2 0 ，t r i p 钢中马氏体的体积分数会增加，铁索体含 量会减少，进而改变了显微组织结构，应力诱发相变特性和硬化率都发生变化。 结果是残余奥氏体中的碳含量降低，稳定性下降；同时，由于残余奥氏体周围硬 质相( 如：马氏体) 的存在，在拉伸变形时，拉力会直接通过马氏体传给残余奥 氏体，从而使残余舆氏体在应变早期发生相变，无法推迟颈缩阶段的到来，对 t r i p 钢整体延伸率的提高并无益处。 s u n g j o o n k i m 【2 0 j 列举了m n 含量超过2 o 以上，导致性能下降的两种观点： q m n 含量过高形成过分稳定的残余奥氏体，它们在塑性变形过程中不转变 成马氏体，对塑性提高没有贡献。且超过适宜水平的m n 含量，固溶强化作用使 强度上升，t r i p 效应失效，反而影响到塑性的提高。 m n 含量过高易形成带状组织，且m n 元素提高奥氏体的淬透性，在冷却 过程中易发生马氏体相变。而马氏体、贝氏体等硬质相均分布于这种带状结构中， 故此结构特性硬脆，对塑性提高没有帮助。 s u n g - j o o nk i m 2 0 1 在结论中提出适当提高s i 、m n 比可以预防带状结构的形 第5 页共6 l 页 圭查查兰堡主垒奎 堡壁型! 塑塑垫查望塑丝熊! 堕 成。 1 3 3 铝元素作用 m 是铁素体稳定化元素，可延缓回火反应并抑制渗碳体的形成。p i c h l c r 2 1 1 认为，a l 是一种不溶于渗碳体的元素。因而，a l 会以与s i 大体上相同的方式影 响贝氏体的相变反应，但无副作用。 a l 作为一种可溶解元素不会发生偏柝。因此，a 1 的添加也不会对可镀性产 生不良影响。但是添加少量a l 是否会对热镀锌产生影响，现在还无定论。 m e y e r 2 1 1 研究了铝代硅对t r i p 钢性能的影响。其热处理工艺为，在7 7 0 8 0 0 ( 2 两相区下保温2 4 0 秒后，在4 0 0 4 5 0 进行贝氏体区等温处理1 2 0 秒。实 验发现，铝代硅使常规c s i m n 系t r i p 钢具有优良的机械性能( 抗拉强度 7 5 0 m p a ，总延伸率 2 6 ) 。c - s i m n a 1 系t r i p 钢强塑乘积大于c s i m n 系 的t r i p 钢。铝代硅t r i p 钢和c s i m n 系t r i p 钢都获得高应变硬化系数n ， 并且n 值与应变率的关系不大，变化稳定，能产生较大的均匀延伸率。这种性能 对拉伸成形应用场合特别有价值。研究结果证实，a l 部分替代s i 的t r i p 钢很 容易获得，铝合金化的t r i p 钢因其s i 含量低，同时它们具有优良的成形性，有 望成为连续热镀锌基板的替代品。 1 3 4 磷元素 p 是铁素体稳定化元素，可延缓回火反应，降低渗碳体的析出动力，抑制渗 碳体的形成。p i c h l e r 等人的观点1 ，a i 也是一种不溶于渗碳体的元素，p 则可 降低渗碳体的析出动力。因而，a i 和p 会以与s i 大体上相同的方式影响贝氏体 的相变反应，但无副作用。关于加p 钢的可镀性问题，h e n v c l d t 2 1 1 等人认为，在 低露点情况下，加p 和加m n 的无间隙原子高强钢( i f ) 的热镀锌动力速度比标 准无间隙钢( i f ) 慢。他们还证明，较高露点下退火使钢板表面的湿润性得到改 善，加速反应历程。 c h e n 2 q 等人研究了加p 对无s i 和含s i 低碳钢的影响。他们的研究结果表明， p 有利于亚稳态奥氏体的保留，与s i 组合时尤其如此。他们发现，o 。1 2 c 一0 5 s i 1 5 m n - 0 0 7 p 钢在8 0 0 c q r n 火1 5 0 秒，并在4 5 0 。c w 。度下保温3 0 0 秒 后，残余奥氏体的体积分数为9 5 ，强度高达7 3 0 m p a ，总延伸率为3 6 。因 此，在t r i p 钢中，p 是可部分替代s i 的元素。只有低碳钢和超低碳钢才会出现 第6 页共6 l 页 上海大学硕士论文 低硅t r i p 钢的动态拉伸性能研究 p 引起的冷加工脆性，因而，添加多量p 不会产生加工脆性。 1 3 5 铌元素的作用 铌作为一个合金元素能够有效地控制奥氏体化、再结晶、晶粒长大、相变和 析出行为，从而使力学性能再一个很大范围内能够进行变化。铌在多相钢中影响 其它方面：如奥氏体向铁素体和贝氏体的转变、残余奥氏体的体积分数和稳定性、 而残余奥氏体的性能是影响t r i p 钢力学行为的关键因素。因此近年来n b 也被 作为t r i p 钢的主要添加元素使用，b l e c k l 8 】等研究了在适当的退火工艺下，n b 延迟了贝氏体动力学增加了残余奥氏体含量。同时与未添加n b 的钢相比，添加 n b 的可以提高残余奥氏体约2 5 。此外由于n b 的晶粒细化作用，每添加0 0 1 的n b 屈服和抗拉强度可增加1 5 m p a 。t e k e c h ic 2 2 】等研究了n b 对热轧t r i p 钢 的影响，结果表明，n b 增加稳定热轧t r i p 钢中的残余奥氏体。n b 抑制渗碳体 在贝氏体中的析出，有利于碳在奥氏体中的富集。 1 3 6 钼元素的作用 b o u e t 悼1 等人研究了在含n b 的形变热处理c s i m n 系t r i p 钢中用m o 部分 替代s i 的可行性( o 2 3 c 一1 1 s i 0 3 3 m o ) 。m o 也是一种铁素体形成元素，能 延缓向铁索体的相变，降低贝氏体转变的起始温度。与未加m o 的钢相比，这种 t r j p 钢兼具高强度与高延性( 抗拉强度= 1 2 7 0 m p a ，总延伸率= 3 6 ) ，但s i 含 量较高( 1 6 s i ) 。他们的研究结果表明：m o 对铁素体的形成具有重要的延缓作 用a6 5 0 下的等温铁素体的相变曲线说明，若要使含m o 钢的显微组织中铁素 体达到2 5 ，就得保温3 0 0 0 秒。与此相反，不含m o 的高s i 钢，若想获得同等 量的铁素体，只需保温2 4 0 秒即可。 1 3 7 镍元素的作用 镍是奥氏体稳定化元素。通常，常规t r i p 钢中不加n i 。但添加n i 可稳定 奥氏体显微组织，这与n i 在奥氏体不锈钢中所起的作用大体相同。 s u k u m a 研究了n i 元素对t r i p 钢中残余奥氏体量的影响。试验表明，含镍 钢所能得到的最大残余奥氏体量低于无镍钢。 含镍钢与不含镍钢的差异可能是由于两方面的因素引起的： 由于镍的存在，降低了钢的a c i 温度。因此，为了保持与不含镍钢具有相同过 热度，镍钢的退火温度就低。进而使得奥氏体的形成速度降低。另外，奥氏体形 第7 页菇6 1 页 圭童查兰翌主丝奎 堡壁堡! 旦塑塑塑查垫塑堡! i ! 堕 成速度也受到镍元素扩散的影响。低温时，镍的扩散速度是很慢的，所以也阻碍 了奥氏体的形成。 在含镍钢中，发现了粒状碳化物。这些碳化物一部分可能是退火是留下的，它 们的存在，也阻碍了奥氏体的长大。另一部分可能是贝氏体区等温时奥氏体分解 所形成的，这也导致了残余奥氏体量的下降。 1 3 8 铜元素作用 c u 也是奥氏体稳定元素，不能在碳化物中固溶。含c u 合金的t r i p 钢特征 是贝氏体多。有人认为有可能可以代替s i ，但其作用研究较少【2 3 l 2 4 1 。 1 , 3 9 钒元素作用 增强残余奥氏体形成趋势的其它合金元索是v 和n i 。o s t r o m 纠i 等人认为， 就双相钢而言，加v 与提高冷却速度的作用相同。通常，常规t r i p 钢中不加 n i 。但添加n i 可稳定奥氏体显微组织，这与n i 在奥氏体不锈钢中所起的作用大 体相同。 s u k u m a 【1 0 】研究了n i 元素对t r i p 钢中残余奥氏体量的影响。试验表明，含 镍钢所能得到的最大残余奥氏体量低于无镍钢。 1 4 应变率对材料性能的影响 静态加载( 1 0 1 s 。1 1 0 5 。) 在拉伸过程中可以认为是一个等温过程，单向静 拉伸试验是工业上应用最广泛的力学性能试验方法之一。这种试验方法的特点是 温度、应力状态和加载速度是确定的，并且常用标准的光滑圆柱试样进行实验。 通过拉伸试验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹 性变形、塑性变形和断裂。还可以标定出金属材料最基本力学性能指标，如屈服 强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。 由于汽车结构钢构件的生产过程和使用过程中的冲撞，均是一个动态的变形 过程，而汽车工业使用的钢板通常是以静态或准静态的强度为设计依据，不能真 实反映材料在冲击力学下的变形抗力，因而对材料在动态冲击条件下的拉伸性能 和断裂机理进行研究，为材料在生产中工艺参数的合理制定提供试验数据参考。 动态加载( 1 0 1s - 1 1 0 4s 1 ) 则可以认为是一个绝热过程。静态加载式样只承 受水平静压力a 动态加载常用一维平面应力波加载，有剪应力存在，测量到的通 第8 页共6 l 页 主塑查堂堡圭堡兰堑至里兰生型堕塑查丝塑堡! ! ! ! 塑 常是轴向应力。由于动态加载的瞬时性，相变机制和机理也许与静态加载不尽相 同，例如基本可排除扩散型相变机理。 由于材料在高应变率下的动态力学性能与静态或准静态下的不同，以及材料 的本构关系对应变率的相关性。为了在工程应用中合理利用材料，就必须了解材 料在各种外在条件下力学性能的差异。除军事，国防和航天领域外，5 0 年代以 前人们主要侧重于地应变率的材料力学行为研究，随着科学技术的目新月异，许 多领域也涉及冲击载荷和高应变率条件下的材料性能问题，如低针对建筑结构钢 的冲击、高速切削加工、汽轮机和水轮机叶片的冲刷、汽车的冲撞，均是材料的 动态力学性能的问题。 图1 4 所示为不同应变率下的测试方法。通常汽车碰撞事件中车辆的变形应 变速率包括了准静态到高速应变率的范围。可以看出h o p k i n s o n 杆可以解决 1 0 2 s - l 1 0 4s o 应变率范围内的动态性能测量。 f j h r “ f r h 叫 l - 1t “n m j l l 岵i 茸c4 l j l l i g h 、七1 w i h i m r ：u d 一$ h c c k【：bc il i l t i l l 七i m 。1 n s i 嘣n 月i c ：i i 】1 1 f c n i t ，i l a k p n c l l l l l 1 i ”r s r 1 m i b l 。i ) x l t 。a u 。l i 】 o u # ：“s l n k l u l i i i _ l l l l l l i- i l t 、川1 5 t m 【 i lli c h i i i c 幽1 4 不同的应燹速率对应的实验敬各 w o l f g a n gb l e c k 2 5 j 在石服式试验机上对一系列钢材进行了拉伸实验，其应变 率范围从5 x 1 0 一s 。2 x 1 0 2 s 一，试验结果表明提高应变速率，试验材料的延伸率 高于准静态拉伸试验的结果；动态试样的局部绝热温升可以达到1 2 0 k 。d c h o i 2 0 】 在t r i p 钢动态拉伸试验( 应变率：1 l o s 。1 2 5 1 0 2 s 。1 ) 试验中发现随着应变 率的提高所有试样的能力吸收值都提高。 第9 页共6 l 页 洲 一 ，旧 ” 旷 一 o s 上海大学硕士论文 低硅t r i p 钢的动态拉伸性能研究 1 5 温度对拉伸试验性能的影响 s u g i m o t o ，k o h i c h i 2 7 】对化学成分为0 4 c 1 5 s i 。1 5 m n 的典型t p 钢进行慢 拉伸实验。热处理工艺：7 8 0 c 1 0 0 0 s + 4 0 0 * c 1 0 0 0 s + 油冷；拉伸速率：2 8 x 1 0 s - i 2 8 x l o - 2s d ( 夹头速率：0 1 1 0 0 m m m i n ) ；测试温度范围：2 t c 5 0 0 。c 。实验结 果表明：塑性、强度、强塑积三项指标随温度都呈现峰值变化。其中塑性和强塑 积的最大值出现在1 0 0 2 0 0 之间，强度的最大值出现在2 5 0 3 0 0 区间。 实验发现在1 0 0 2 0 0 之间残余奥氏体的稳定性提高。以2 8 x 1 0 _ 4s 。的速率 进行拉伸试验中2 7 c 的拉伸式样与1 5 0 c 的相比：1 5 0 拉伸时残余奥氏体内出 现的应力诱发马氏体数量比2 t c 时大为减少；2 7 c 拉伸试样中未观察到孪生形 变，而经1 5 0 c 的拉伸后，膜状或块状残余奥氏体岛内的位错密度提高很多。且 应力诱发马氏体与这些位错不能在同一奥氏体岛内共存。这一现象可以解释为： 在1 0 0 c 2 0 0 c 温度区间内由于残余奥氏体中孪生位错的出现，减轻了直接传 导给奥氏体的拉应力，抑制了马氏体相变的发生。奥氏体稳定性的提高以及应力 诱发马氏体相变和相变带来的局部应力释放，使得拉伸试样在出现颈缩前的很大 一段应力范围内拉伸硬化性能保持了恒定，延伸率得以提高。 w e s t i n gt e m p e l 。a “l r e 图1 5s u g i m o t o ，k o h i c h i 温度影响下的静态拉伸试验 y a s u h a ms a k u m a 【2 8 】在一8 0 1 2 0 范围内对成分为o t 4 c 1 2 1 s i 1 5 7 m n 第l o 页共6 1 页 圭塑查堂堡主堡苎 堡壁堡堡j 塑望整查丝壁丝! 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