低碳Si-Mn系TRIP钢的动态拉伸性能

1、低碳S i -M n 系TRI P 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S i -M n 系TR I P 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TR I P 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TR I P 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

2、目:上海市教委基金资助课题(N O.03K 027和上海市科委自然科学基金资助项目(N O.03ZR 14035作者简介:谢群(1981,女,硕士研究生;韦习成(1964,男,副研究员,博士响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O p ki nsOn 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S i -M n 系TR I P 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600M Pa 级冷轧

3、TR I P 钢,分别为韩国TR I P 钢(钢号CSP60TR -M ,简称K 以及宝钢TR I P 钢(钢号B 380TR ,简称B .采用X 射线衍射测量组织中的残余奥氏体量(C I K !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1TR IP 钢成分(质量分数和组织体积分数T able 1Che m ical com p osition and m icrostruct ure content of TR IP steels 材料成分的质量分数/%组织的体积分数/%C0.1341.5251.2260.0

4、170.01462.798.9028.31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Journal of universit y of S cience and T echno lo gy B ei j i n gV o l .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

5、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F i g.1M icrostruct ures of t wo steels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F i g.2Sche m atic dia g ra m of bar-bar tensile i m p act tester and m easuri n g p ri nci p le装置的实验原理与O p ki nsOn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

6、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=E A2A!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=526 ms-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;

7、!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/T2282 2,拉伸标距8 mm,厚度1.9mm.图3动态拉伸试样尺寸(单位:mmF i g.3C onfi g uration of d y na m ic tensile2实验结果和讨论2.1实验结果对两种TR I P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

8、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F i g.4S tress-strai n curves of S teel B(aand K(bres p ective-l y at various strai n ratesTR I P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

9、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F i g.5Y ield stren g t h as a f unction of strai n rate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

10、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I UUU S-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I UUU S-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F i g.6T ensile stren g t h as a f unction of strai n rate图7B,K钢均匀延伸率随应变率的变化F i g.7Un ifor m elon g ation as a f unction of str

11、ai n rate图8B,K钢断裂延伸率随应变率的变化F i g.8F ract ure elon g ation as a f unction of strai n rate7362.2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,TR I P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

12、14.但这并不能完全解释TR I P钢的高强度.与其他普通结构钢相比,TR I P钢的一个重要特性是其显微组织的复合特性15. Furn m Ont16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2000M Pa.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

13、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.TR I P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.M atsu m ura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.

14、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F i g.9T ransfor m ed vo lu m e fraction of retai ned austen ite as af unction of strai n for s teel B(aand K(bres p ectivel y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

15、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钢的碳含量比K钢的要高,但是这并不意味着形成的残余奥氏体中的碳浓度就一定高;另外高应变率变形过程中塑性功转变的热没有足够的时间向外界传导,因而试样中总是伴随着温升,应变率越大试样温升越高2 ,

16、这一现象对性能的影响也不能忽视,温度升高延缓了残余奥氏体的早期转变.对不同应变率的K钢和B钢的断裂试样在颈缩区的残余奥氏体量的测量结果如图1 所示.图lo B(a,K钢(b断口处残余奥氏体转变量随应变率的变化F i g.lo T ransfor m ed vo lu m e fraction of retai ned austen ite as a f unction of strai n rate at necki n g site for S teel B(aand K(b res p ectivel y从图中可以看出,撇去个别异常点,随着应变率的增加,残余奥氏体的转变量呈下降趋势.如果不

17、考虑绝热软化的影响,则绝热温升对残余奥氏体稳定性的影响类似于静态拉伸实验温度提高对残余奥氏体稳定性的影响9,即随着应变率增加带来的温升使得残余奥氏体的稳定性有所提高.综合以上因素,两种钢的延伸率表现出如图7和图8的变化趋势.3结论(1应变率影响下两种钢的室温拉伸性能有着近似的变化趋势:随应变率的增加,材料的屈服强度和抗拉强度增加,均匀延伸率显著降低,断裂延伸率下降,而失稳区延伸率增加,两种材料均体现显著的应变率敏感特性.(2残余奥氏体的应变诱发相变在提高材料强度的同时也有利于其延伸率的显著改善.参考文献1M atsu m ura f,S aku m a Y,T akech i.e nhance

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19、 erties of a low carbon,low s ilicon stee l b y f or m a-tion o f a m ulti p hase m icrostructure contai n i n g retai ned austen-ite.M etall T rans,1998,29A:23834S aku m a Y,M atlock D K,K rauss G.I nter critical annealedand isot her m all y transf or m ed.15%C stee ls contai n i n g1.2%S i 1.5%M n

20、 and4%N i:Part2.e ff ect o f testi n gte m p erature on stress strai n behavior and def or m ation i nducedausten ite transf or m ation.M etall T rans,1992,23A:1233 5T sukatan i I,ash i m o to S,I noue T.e ff ects o f s ilicon andm an g anese add ition on m echan ical p ro p erties o f h i g h stren

21、 g t hhot ro lled sheet stee l contai n i n g retai ned austen ite.IS IJ Int, 1991,31(9:9926S u g itom o K,N a g asaka A,K oba y ash i M,et al.e ff ects o f re-tai ned austen ite p ara m eters on w ar m stretch flan g e ab ilit y i nTR I P ai ded dual p hase sheet stee l.IS IJ Int,1999,39(1:56 7M i

22、noto T,T orizuka S,f g a w a A,et al.M ode li n g o f transf or-m ation on behavior and com p os itional p artition i n g i n TR I Pstee l.IS IJ Int,1996,36(2:2 18Cho i D,B ruce D M.D ef or m ation behavior o f low carbonTR I P sheet stee ls at h i g h strai n rates.IS IJ Int,2 2,42(12:14839孙鹏,李麟,符仁

23、钰,等.高速冲击拉伸条件下低硅TR I P钢的延伸率特性.上海金属,2 4,26(3:131 G irault e,Jac C ued P,arletetal.M etallo g ra p h ic m et hodsf or reveali ng t he m ulti p hase m icrostructure o f TR I P ass istedstee ls.M ater c haract,1998,4 :11111韦习成.S i-M n系相变诱发塑性钢的动态拉伸性能学位论文.上海:上海大学,2 2:2212fi u,e noki M,M ori,et al.e ff ect

24、of strai n rate andp lastic p restrai n on t he ductilit y o f structural stee ls.IS IJ Int,1999,39:95513K o j i m a N,M izui N,Fukui K,et al.i g h s p eed tens ile testof sheet stee ls f or autom otive use and ax ial co lla p se test ofco lu m ns.Su m itom om etal,1996,5 (3:3114张旺峰,卢正欣,陈瑜眉,等.组织结构对应

25、变硬化的影响.机械工程材料,2 2,26(1 :715Jac C ues P J.T ransf or m ation-i nduced p lasticit y f or h i g hstren g t h f or m ab le stee l.c urrent O p i n ion So lid S tate M aterSci,2 4,8:25916Furn m ont,Jac C ues P J,Pardoen T.T he m acro-and m i-crom echan ics of TR I P-ass isted m ulti p hase stee ls,ex p e

26、ri m entsand m ode li n g.J Ph y s I V JP,2 1,11(5:532517韦习成,符仁钰,李麟,等.不同应变率下TR I P钢的拉936 钢的动态拉伸性能 40 北 京 科 技 大 学 学 报 200 年第7 期 伸性能. 上海金属， 2002 ， （ ） 32 24 4 ： Seong B S ， n E J ，H Y S ， al . Eff ect of retai ned 18 Shi an et austenite and sol ute carbon on t he mechanical properties i n TRI p steels

27、 . PhyS B ， 2004 ， ： 350 e467 Lee C G ， i m S J ， T H ， al . Eff ect of vol u me fracti on 19 K Lee et and stabilit y of retai ned austenite on f or mabilit y i n a 0. 1 C- 1. 5S -1. 5 M -0. 5Cu TRI p-ai ded col d-rolled steel sheet . i n M ater Sci eng A ， 2004 ， ： 371 16 Rogers H C. Adiabatic plas

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29、aterials Science and Engi neeri ng ， Shanghai Uni versit y ， Shanghai 200072 ， na Chi The tensile mechanical properties of t wo i ndustri al TRI p steels ， （ 091 % C-1. 456 %S K 0. i ） B 0. 134 % C-1. 525 %S -1. 226 % M ） at hi gh strai n rate were i nvesti gated w h a self（ ， 1. 061 % M and n i n i

30、t ABSTRACT desi gned p neu maticall y act uati ng tensile i mpact bar- bar tester and co mpared to t he Cuasistatic tensile behavi or . The results showed t hat t heir tensile properties at roo m te mperat ure exhi bit consistent trends and are f ar more sensiti ve t o strai n - rate i n dy na m ten

31、si on t han i n static mode . Because t he stable retai ned ic austenite i n TRI p steels transf or med t o martensite duri ng tensile test and t he materi als exhi bited excellent transf or mati on i nduced plasticit y ，he plastic def or mati on behavi ors were evi dentl y i mproved . t KeY WORDS T

32、RI p steel ； transf or mati on i nduced plasticit y ； gh strai n rate ； y na m tensi on hi d ic 低碳Si-Mn系TRIP钢的动态拉伸性能 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 谢群， 韦习成， 张梅， 李麟， 符仁钰， XIE Qun， WEI Xicheng， ZHANG Mei， LI Lin， FU Renyu 上海大学材料科学与工程学院,上海,200072 北京科技大学学报 JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY BEI

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35、 stretch flange ability in TRIP aided dual phase sheet steel外文期刊 1999(01 7.Tsukatani I;Hashimoto S;Inoue T Effects of silicon and manganese addition on mechanical properties of high strength hot rolled sheet steel containing retained austenite 1991(09 8.Sakuma Y;Matlock D K;Krauss G Inter critical annealed and isothermally transformed 0.15% C steels containing 1.2% Si 1.5% Mn and 4% Ni:Part 2.Effect of testing temperature on stress strain behavior and deformation induced austenite transformation