DP1000先进高强度钢的温热变形和断裂行为

Warm deformation and fracture behavior of DP1000 advanced high

strength steel

DP1000先进高强度钢的温热变形和断裂行为

Onur Çavuşoğlu, Serkan Toros, Hakan Gürün & Ahmet Güral

摘要： 温度对 DP1000 先进高强度钢的机械性能和断裂行为进行了调查，取决于温度的机械性能由非轴向拉力试验在 25℃，100℃，200℃，300℃在轧制方向为 0°（轧制方向），45°（对角线方向），90°（横向）以 0.0083-1 的变形速率，屈服强度和抗拉强度在 25℃和 200℃之间稍微有下降趋势，最大的数值是在 300℃上达到，温度上升明显地影响延伸率数值，而印度系数在 25℃到 100℃随着温度变化而增加，在 25℃到 100℃之间，强度系数没有观察到效果作用，但是温度再增加就增加数值。

1  前言

近年来，使用先进高强度钢制造汽车，材料的轻量化和增加乘坐人员安全性是汽车工业不断的追求，汽车重量减轻是由于使用厚度较薄的钢板，先进高强度钢减少了燃料消耗和碳排放，今天这些材料已经广泛使用在汽车工业上了，汽车上使用高强度钢材改善了乘坐人员的安全性[1~4]，下一代中型车的车体结构件含有 20 多种先进高强度类型的钢材，这些钢材将在 2015~2010 年期间进行商业化生产，大约 30%以上

是双相钢（DP），其强度从 500MPa 上升到 1000MPa[5]。说明了先进高强度 DP 钢的重要性。DP 钢是一种低碳钢，其微观组织是铁素体和马氏体，发生在冷却过程钢中的马氏体相贡献了钢的强度，而钢中铁素体软相提供了良好的塑性[5~8]。

拉力试验广泛运用于确定金属材料在各种条件下的机械性能和应变行为，在拉力试验中得到许多取决于材料的塑性变形条件力学参数等数值[9~11]。已经知道温度条件对许多金属材料的机械性能和成形行为产生影响[12~17]。在文献中，Curtze 团队研究了 DP600 和 TRIP700 钢温度和应变速率的关系[18]；Chen 团队做了 DP590 钢在 500~700℃之间的拉力行为模型[19]；Akbarpour 和 Ekrami 分析了高比例贝氏体 DP 钢温度和机械性能之间的关系[20~21]；Ozturk 团队已经识别了 DP600 在温热温度下拉力特性和和回弹行为的关系[22]，Cao 团队调查了 DP800 商用薄板在-60℃到 100℃和 1x10 -4 到 1x10 2 s -1 应变速率下的机械特性[23]；Queiroz 团队研究了 DP 钢的在应变速率 10 -2 到 5x10 -4 s -1 下拉力试验下的应变时效，试验温度范围在25~600℃[24]；Molaei 和 Ekrami 识别了两种不同的 DP 钢分别具有 20%和 28%的马氏体在 300℃温度下的应变时效对机械性能的的影响[25]；Sun 团队分析了 DP 钢的 DP600，DP780 和 DP980 在拉力负载下断口组织[26]。

研究这些文献时候，从调查中看到某些商用和非商用 DP 钢的机械性能取决于温度条件，没有发现对DP1000 钢的材料研究温度升高情况下的应变行为。在本文研究中，目标是对 DP1000 的 DP 钢薄板材料在25℃,100℃,200℃和 300℃温度下对机械性能和断裂行为的影响。

2  材料和试验性研究

2.1 材料

在本研究中，使用 DP1000 先进高强度 1mm 厚度的薄板研究温度条件对机械性能的影响，表1和表2给出了材料的化学成分和定性的高倍分析结果，此外，图 1 给出了微观组织照片。

2.2  试验研究

试验在津岛（Shimadzu Autograph）100kN试验机进行，该机带有数据采集系统，十字头速度为25mm/min，大致对应试验所用试样的 0.0083s -1 的变形速率，试样加载所用的自动温度调节记录保温箱的温度精度为±2℃，变形测量使用可视的引伸仪测量系统。

在非轴向拉力试验中确定机械性能，按照 ASTM E8 制作的拉力试样在三个不同的方向上进行试验（轧制方向，与轧制方向呈 45°夹角和横向），使用的试样标准尺寸见图 2 所示。使用水流喷射机切割试样，备样工作尽可能减少温度对试样的影响，此外，取样产生的应变造成刻槽则使用抛光方法打磨试样的边缘部。

3  结果和讨论

3.1  拉力试验结果

DP1000 各项机械性能取决于温度的变化，原始的拉力负载和延伸数据转化为真应力和真应变，详细地分析机械性能，工程应力和工程塑性应变数据见图 3~5。

图 6 表示的是温度和屈服极限之间的关系，当分析图 6 时，在所有的沿着轧制方向取样的试样在温度25℃拉力试验，屈服发生在 713~801MPa 之间，虽然屈服强度在 100~200℃之间在拉力试验中稍微有点下降，但是随后开始增加，到 300℃时候达到最大的屈服强度。从室温到 300℃范围，屈服强度值是从 737 增加到 777MPa，在与轧制方向呈 45°的试样屈服强度是从 709 增加到 756MPa，横向屈服强度从 742 增加到801MPa。这种类似的结果在发表的文献研究中具有一致的认识，DP 钢的应变取决于温度的影响[20~22,24]。

抗拉强度—温度之间的关系见图 7，分析图 7 时候，可见抗拉强度在 25℃到 200℃的范围内是下降的，然后随着温度的上升抗拉强度增加，所有三个方向取得的试样在温度为 300℃时候都达到了最大值，在温度条件下材料的这种行为与 Oztuk 团队[22]的发现是一致的，这种情况是按照发生动态应变时效考虑的[24~25]，抗拉强度最高数值测量为 1102MPa，这是在横向试样得到的，所观察材料的温度—抗拉强度和温度—屈服强度之间的关系是类似的。

取决于温度的均匀延伸量见图 8，在 25℃温度下，材料具有 8~12%的延伸率，对比在 25℃常温下得到的延伸率，温度为 100℃和 200℃试验下其延伸率有±2%的波动。对于所有三个方向上的试样的延伸率来看，当温度上升一直到 300℃时，其延伸率数值随着温度的上升而增加的。在所有三个方向中的试样中，发现最好的延伸率为 14.87%，而且在各种温度条件下，其延伸率的波动变化范围在一个很小的范围内。因此，可以确定温度条件对 DP1000 钢的延伸行为没有明显的影响。在这种情况下，看到 Akbarpour 和 Ekrami研究的 DP 钢温度对延伸能力并没有明显的影响。

图 9 表明硬化系数和温度之间的关系，看到随着温度的上升其计算的硬化系数是增加的。在这种情况下，因为 DP1000 在高温下更加容易实现位错运动，造成了加工硬化行为。最低的硬化系数数值是轧制方向试样在 25℃常温下得到的是 0.102，与轧制方向呈 45°试样是 0.111，横向试样数值是 0.115。在拉力试验中，最高 300℃温度条件下，轧制方向试样最高的硬化系数是 0.182，与轧制方向呈 45°的试样最高硬化系数为 0.163，横向试样最高硬化系数为 0.201。观察到加工硬化增加对应 DP 钢相变过程中的动态应变时效的上升，这是由于位错的产生，在较高温度变形所致[23~24]，在 Akbarpour 和 Ekrami[20]的研究中也观察到硬化系数有少量的增加。

图 10 表明强度系数和温度之间的关系，在 25℃和 100℃温度下的强度系数没有明显的变化，在 100℃到 300℃之间温度范围内，随着温度上升强度系数是增加的，横向试样的强度系数高于其它两个方向。

3.2  断裂行为

铁素体和马氏体相的体积分数影响 DP 钢的断裂行为[27]，试样的断裂表面见图 11。从图 11（a，b）看在 25℃和 100℃温度下的断口组织是分布均匀细小的韧窝结构，这个结果是与 Sun 团队[26]的研究是相一致的。所见的断裂形式是深坑断裂表面，这是在 100℃温度条件下得到的，这种组织结构对塑性的增加是有利的。有人认为在这个温度下并不发生 Cottrell 效应，然而在图 11（c）中，在 200℃温度下的断口的局部区域具有平滑的表面和浅的微小韧窝组织，这种断口表面指出了材料在这个温度下较低的塑性，可能的原因是在 200℃下碳元素锁住了位错的运动，在低于再结晶温度下，引起延性比的下降。在图 11（d）中，在断口表面微小尺寸的韧窝和大的深韧窝是在 300℃温度下得到的，这些大而深的韧窝表面材料具有大的多的塑性。这些深韧窝由断裂之前的微孔洞聚合而产生的，有人认为是较多活跃晶界滑移造成了这些微孔洞的聚合。

4  结论

本研究在 25~300℃温度下对各个方向的试样进行拉力试验，DP1000 钢的温度变化对机械性能的影响概况如下。从拉力试验得到的数据见表 3，材料的屈服强度和抗拉强度在 25℃和 200℃之间随着温度升高稍微有所下降，屈服强度和抗拉强度具有类似的行为。温度的变化造成延伸率波动在 8~14%范围内，可以确定温度对延伸率指标没有明显的影响。加工硬化系数由于温度上升而增加，强度系数在 25~100℃温度范

围内没有观察到变化，在高温下可以看到增加的变化。总体上看这个结果非常有趣，这是由于在温热条件下动态变形时效造成了材料在不同的温度和不同的轧制位向上呈现出复杂的行为，当 DP1000 温度和机械性能之间的关系估计出来，对比温热条件，材料就可以确定在 25℃室温条件下合适的成形能力。

致谢

作者感谢尼带大学在 Onur 博士学习研究期间允许使用金属成型研究实验室设备。

公开申明

作者申明报告没有任何潜在的利益冲突

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唐杰民 2018 年 8 月 27 日翻译于 IRONMAKING & STEELMAKING 2018, VOL. 45, NO. 7, 618–625

唐工水平有限，文中有不准确之处敬请指正。