高屈服强度TWIP钢动态变形及其构件压溃吸能行为的研究

发布时间：2020-08-25 08:25

【摘要】：随着汽车轻量化的不断发展,先进高强钢越来越受到汽车行业的重视。TWIP(twining induced plasticity)钢具有卓越的综合性能,是车身结构部件的首选材料之一。众所周知,汽车结构件在成形过程中的变形速率为10-1～101 s-1,而汽车在实际行驶过程中发生碰撞时的变形速率则高达102～103s-1。因此,研究TWIP钢不同应变速率下的力学行为和微观组织演变规律,探索TWIP钢汽车结构件的压溃吸能行为,是评估其碰撞安全性的重要依据。本论文以屈服强度为600 MPa级的TWIP钢为主要研究对象,并同时在部分研究中与屈服强度相近的双相钢作对比分析。采用电子万能试验机和高速拉伸试验机获得了实验钢在应变速率10-4～103s 1范围内的力学性能;采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征了拉伸变形前后的微观组织形貌,并利用X射线衍射(XRD)技术检测了断裂前后微观相组成的变化;利用电液伺服万能试验机和落锤试验机研究了实验钢点焊帽型薄壁梁构件的压溃吸能特性。总结如下:(1)通过对实验钢在不同变形速率下力学行为的分析发现:在10-4～103 s-1范围内,TWIP钢的屈服强度随应变速率的提高均单调增加,而抗拉强度先增加后减小。其中,抗拉强度在10-4～102 s-1呈现正的应变速率敏感性(PSRS),并在应变速率达到102s-1时达到最大值(1168 MPa);而后随着应变速率的增加而减小,呈现负的应变速率敏感性(NSRS);而双相钢的屈服和抗拉强度均随着应变速率的增加单调增加。TWIP钢在10-2～102s-1范围内具有较大的应变速率敏感性指数(m)和较小的激活体积(v*)。TWIP钢的均匀塑性变形阶段的加工硬化速率,在应变速率10-4～10-2s-1内,几乎不随应变的增加而变化;在10-1～103s-1内,随应变的增加而增加。两种实验钢基于Considere失稳准则的失稳应变随应变速率的变化规律与其均匀塑性变形性能一致。动态加载(10-1～103s 1)下的局部变形导致了实验钢的绝热温升效应,从而降低了应变率的强化作用,同时使TWIP钢的层错能(SFE)增加约5～9 mJ/m2。当应变速率达到102s-1以上时,TWIP钢和双相钢的断裂能量吸收强度(ΔEfracture)分别达到50 CGPa%以上和20 GPa%以上,可见TWIP钢用作汽车结构件时具有史好的碰撞吸能特性。(2)不同应变速率下实验钢塑性变形机制的研究表明:两种实验钢均为延性断裂机制,低应变速率下,拉伸断口表面韧窝尺寸差异大;随应变速率的增加,韧窝尺寸差异减小;TWIP钢在102s-1时形成了大而深的韧窝,双相钢在103 S-1时形成了不均匀且被拉长的韧窝。不同应变速率下,TWIP钢均发生了不同程度的孪晶诱导塑性效应,但均未发生ε-马氏体相变。应变速率对TWIP钢变形过程中产生的孪晶形貌有着显著的影响,准静态(10-3 s-1)-时形变孪晶数量较少,孪晶片层较厚;随着应变速率的增加(1000s-1),孪晶片层变得均匀,在102s-1时观察到与初始形变孪晶相交的二次形变孪晶;随着应变速率进一步增加(5×102s-1和103S-1),由于绝热温升使得SFE增加,对孪生产生了一定程度的抑制,降低了形变孪晶数量。在100s-1时,孪晶增长符合DoseResp模型的S曲线变化规律,而在102s-1时,孪晶呈线性增加;同一应变速率下孪晶在变形过程中逐渐形成。双相钢随应变速率的增加,近邻M/F界面铁素体内的位错密度增加,马氏体板条被拉长;在l03s-1时,马氏体板条出现一定程度的碎化。(3)基于对不同应变速率下TWIP钢力学行为及变形机制的研究,对Johnson-Cook模型应变速率敏感性因子进行了修正,建立了能够表征TWIP钢动态变形行为的修正Johnson-Cook模型,并将其应用到ABAQUS工程软件,所得到的拉伸载荷变形曲线与实验结果吻合。(4)对实验钢薄壁梁构件准静态和动态压缩特性及吸能规律进行了探讨。准静态下,双相钢构件较早的发生了开裂,承受载荷的能力小;而TWIP钢构件具有较大的可压缩位移,能量吸收能力较强。动态加载下,两种实验钢构件均未发生开裂;与双相钢构件相比,TWIP钢构件通过较短的压溃位移便能吸收同等的碰撞动能,具有更高的能量吸收能力。准静态和动态压缩过程中,两种实验钢构件均发生的是轴向顺序变形,通过褶皱的形成吸收能量。随着压溃速度的增加,TWIP钢构件第一峰值载荷增加,变形初期的平均载荷增加,后期平均载荷趋于相当水平;在较高的压溃速度下,与准静态具有相当的压缩位移时仍未见TWIP钢构件有裂纹形成,表明其构件可吸收更多的碰撞动能。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：

汽车用钢,对撞,吸收能力,动能

应变硬化性、高的能量吸收能力、优良的低温性能和良好的成形性能，其强逡逑塑积大于５０邋ＧＰａ％，是普通ＤＰ钢、ＴＲＩＰ钢的两倍以上，是一种理想的抗冲逡逑击结构材料和吸能材料（图２－１是ＴＷＩＰ钢与其他汽车用钢构件对撞击动能吸逡逑收能力的对比），可应用于汽车、军工、电力、航空、石油开采等领域。逡逑ｎｒ＾ｌ逡逑Ｉ逦＿逡逑ｒ．邋，ｓ，Ａ邋ｍ邋ｍ邋ｍ逡逑图２－１各种汽车用钢构件对撞击动能吸收能力的对比逡逑按照ＵＬＳＡＢ（ｕｌｔｒａ邋ｌｉｇｈｔ邋ｓｔｅｅｌ邋ａｕｔｏ邋ｂｏｄｙ）所米用的定义，将屈服强度小于逡逑２１０邋ＭＰａ的钢称为软钢，将屈服强度在２１０？５５０邋ＭＰａ间的钢称为高强度钢，逡逑将屈服强度大于５５０邋ＭＰａ的钢称为超高强钢１１４１。图２－２是各种强度级别的逡逑汽车用钢的屈服强度和延伸率的关系图［｜５］。ＴＷＩＰ钢表现出了卓越的综合性逡逑能，可大幅度提高汽车碰撞过程中的安全性，为解决强度和塑性这一矛盾体逡逑－３邋－逡逑

无间隙原子钢,汽车用钢,低碳铝镇静钢,延伸率

化机理等系列科学问题，系统研究了邋ＴＷＩＰ钢的成分体系、制备工艺和应用逡逑技术。逡逑表２－１和图２－３是国内外公开发表文献中部分数据的汇总，研究表明层逡逑错能为２０？５０邋ｍＪ／ｍ２的奥氏体高锰钢可以获得ＴＷＩＰ效应。目前开发了多种逡逑成分体系，有研究者将其分为三代［１６］，第一代ＴＷＩＰ钢是ＧｒＳｓｓｅｌ等研究的逡逑Ｆｅ－２５Ｍｎ－３Ｓｉ－３Ａｌ，具有很高的塑性和中等的抗拉强度，但Ａｌ、Ｓｉ含量高，不逡逑利于浇铸和镀层；为此开发了邋Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ第二代ＴＷＩＰ钢，碳含量提高，强度逡逑明显增加，延伸率有所降低，但遇到延迟开裂问题；第三代ＴＷＩＰ钢是在逡逑Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ基础上加入Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐ、Ｐｄ和ＲＥ等进行合金化逡逑或微合金化，加Ａ１和ＲＥ可以抑制ＴＷＩＰ钢的延迟开裂，第三代ＴＷＩＰ钢是逡逑重要的发展方向。ＴＷＩＰ钢含有大量的Ｍｎ元素，在室温下获得单相奥氏体，逡逑没有固态相变，因此未经过固态转变和再结晶的ＴＷＩＰ钢晶粒粗大，加入Ｎｂ、逡逑Ｖ、Ｔｉ微合金化

孪晶,延伸率,无间隙原子钢,碳锰钢

逦１２００逡逑Ｙｉｅｌｄ邋Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＭＰａ逡逑图２－２汽车用钢的屈服强度与延伸率的关系逡逑ＩＦ－无间隙原子钢；Ｍｉｌｄ－低碳铝镇静钢；ＨＳＳ邋ＩＦ－高强度ＩＦ钢；ＩＳ－各向同性钢；ＢＨ－烘逡逑烤硬化钢；ＣＭｎ－碳锰钢；ＨＳＬＡ－高强度低合金钢；ＤＰ－双相钢；ＣＰ－复相钢；ＴＲＩＰ－相逡逑变诱发塑性钢；ＭＡＲＴ－马氏体钢；ＴＷＩＰ－孪晶诱发塑性钢；Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ－不锈钢；Ｍｉｄ邋Ｍｎ－逡逑中锰钢逡逑２．１．１邋ＴＷＩＰ钢的研究现状逡逑国内外学者开展了大量的有关ＴＷＩＰ钢理论和技术的研宄，探索了邋ＴＷＩＰ逡逑钢的层错能控制、孪生变形机制、孪晶增塑增强机理、应变硬化机理、强梞逡逑化机理等系列科学问题，系统研究了邋ＴＷＩＰ钢的成分体系、制备工艺和应用逡逑技术。逡逑表２－１和图２－３是国内外公开发表文献中部分数据的汇总，研究表明层逡逑错能为２０？５０邋ｍＪ／ｍ２的奥氏体高锰钢可以获得ＴＷＩＰ效应。目前开发了多种逡逑成分体系，有研究者将其分为三代［１６］，第一代ＴＷＩＰ钢是ＧｒＳｓｓｅｌ等研究的逡逑Ｆｅ－２５Ｍｎ－３Ｓｉ－３Ａｌ，具有很高的塑性和中等的抗拉强度，但Ａｌ、Ｓｉ含量高，不逡逑利于浇铸和镀层；为此开发了邋Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ第二代ＴＷＩＰ钢，碳含量提高，强度逡逑明显增加，延伸率有所降低，但遇到延迟开裂问题；第三代ＴＷＩＰ钢是在逡逑Ｆｅ－Ｍｎ－Ｃ基础上加入Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐ、Ｐｄ和ＲＥ等进行合金化逡逑或微合金化

【参考文献】