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双相钢在高应变速率下的力学行为探究

作者:2014-11-08 12:10文章来源:未知
1 前言
       目前,节能、减排、舒适性、安全性是汽车工业发展的主趋势,但节能、减排及舒适性都以安全性为基础。20世纪末,面对汽车轻量化的需求及各种轻量化材料的竞争态势,国际钢铁协会组织了34家钢铁企业和知名的汽车公司联合开展超轻钢铁车身(UL-SABAVC)项目,项目提出在满足相应法规要求的条件下,一些典型汽车白车身的减重目标为20%,价格与原车身保持不变。其应用成果表明,用先进高强度钢替代原有钢材后在减重、节能、提高安全性、降低排放等方面都展现了良好的前景。
       双相钢诞生于 20 世纪 70 年代初。目前广泛应用于汽车中承受碰撞安全的部件如底盘、车身、悬架、转向部件及各种承载梁等。双相钢的变形行为与其自身的应变速率有着密切的关系,即材料的强度会随着应变速率的增加而提升。这种应变速率相关的特性使得材料在经受高速冲击碰撞时产生超高的抗形变强度,通过材料自身的塑性形变产生的塑性耗散能吸收冲击碰撞所带来的巨大能量。因此,高应变速率下的特性是先进高强度钢的重要性能之一,研究双相钢汽车板在高速动态条件下的力学行为特性,将为合理、正确的评估汽车安全性能做出重大的贡献。
2 双相钢静态力学性能
2.1 试验材料
       试验材料采用某钢厂提供的 DP590/1.4 mm、DP590/1.8 mm、DP780 /1.4 mm、DP980/1.6 mm 四种钢板。
2.2 试验结果
       材料准静态条件下的单向拉伸试验按照 GB/T 228(ISO 6892-1)在中国汽车工程研究院 SANSCMT5305D 电子万能拉伸试验机上进行,采用 A80试样,试样标距 80 mm。双相钢 DP590/1.4 mm、DP590/1.8 mm、DP780/1.4 mm、DP980/1.6 mm 的力学性能。
3 双相钢动态拉伸试验及力学性能分析
3.1 动态力学性能试验
       材料不同应变速率下的动态单向拉伸试验在中国汽车工程研究院 ZWICK HTM5020 材料高速拉伸试验机上进行,试验设备与试件夹。该试验机采用高性能双向等静压作动器液压加载,直线速度最高可达20 m/s,此线性速度范围覆盖试样原始标距 20 mm 时应变速率为 5×10-3~103/s。并采用高性能的控制测量系统,采样频率高达10 MHz,准确测量瞬间冲击下材料及零部件在高应变速率载荷作用下的物理力学性能。本次实验选取了4个应变速率进行试验:0.1/s、50/s、100/s、200/s、500/s,以包含汽车碰撞时的应变速率范围。每一个速率下测试 3~5 个试样,并得到 3组以上的有效试验数据。
3.2 试验数据的处理
       根据标准 ISO26203-2 和 SEP1230 的要求,如果材料在高应变速率下的波动是由于试验过程中产生的振动波引起时,关键参数(主要包括下屈服强度ReL、规定非比例延伸强度Rp、抗拉强度Rm、最大力Ag处的塑性伸长率和断裂后的延伸率)的确定,可用于有限元计算的应力-应变曲线。通过不同方式对曲线进行滤波和平滑处理,例如:用变化的平均值构成多项式近似法处理,或者通过多项式的转换或过滤。滤波或平滑处理方式的选择取决于不同的前提条件,如曲线的构成、振动的幅度或测量值的分布及数量。
       结合ISO26203-2、SEP1230及CAE工程分析的需要,试验数据处理的一般步骤为:原始的工程应力-应变测试数据;由于CAE分析需要的材料塑性变形阶段的数据,应变只需保留塑性变形阶段的应力-应变测试数据;真塑性应变-应力数据输入CAE软件应采用某种方式的平滑处理。
根据试验结果可知:
       a.整个试验过程中,三种双相钢的弹性模量不随应变速率的变化而改变,说明材料的弹性模量对应变速率的敏感性较小;
       b.随着应变速率的升高,三种双相钢的抗拉强度和屈服强度都随着升高;
       c.对于DP590/1.4 mm和DP590/1.8 mm而言,相同的应变速率对材料的力学性能影响不大,延伸率随着材料厚度的增加而增加;
       d. 不 同 应 变 速 率 条 件 下 ,材 料 的 延 伸 率DP590/1.8 mm>DP590/1.4 mm>DP780/1.4 mm>DP980/1.6 mm,这与材料在准静态条件下的试验结果一致;
       e.对于同种材料来说,在不同应变速率条件下的延伸率的变化比较复杂,这可能与应变速率对位错运动的热激活能和抑制缩颈的综合影响有关。
4 结论
       a.双相钢在不同应变速率下的弹性模量基本不随应变速率的变化而改变;
       b.双相钢的强度性能(屈服强度和抗拉强度)均随应变速率的增加而增加,而由于应变速率的增加而引起的流变应力增加的百分数随双相钢的强度增加而减小;
       c.对于同种材料,厚度的变化对材料应变速率的敏感性影响很小,材料的力学性能变化不大;
       d.材料的延伸率随应变速率的变化比较复杂,这可能与应变速率对位错运动的热激活能和抑制缩颈的综合影响有关。

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