Mn-Si-Cr系Q&P鋼的準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)行為對比
金玉亮1，徐聰聰2，楊會光3，吳限3，王振強(qiáng)3，高古輝4
(1. 哈爾濱東安發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司工藝技術(shù)部， 黑龍江 哈爾濱 150006；2. 中國船舶集團(tuán)有限公司七一一研究所， 上海 201108；3. 哈爾濱工程大學(xué)超輕材料與表面工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150001；4. 北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 北京 100044)
摘要：利用萬能試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB)對Mn-Si-Cr系Q&P鋼分別進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)。在應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1 s-1和900、1 500、2 200、3 000 s-1情況下分別得到了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，并利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行壓縮后的顯微組織和斷口分析，利用X射線衍射儀(XRD)對壓縮變形試樣進(jìn)行物相分析。結(jié)果表明，準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮變形條件下，試驗(yàn)鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均可大致分為彈性變形和塑性變形2個(gè)階段，且沒有明顯的屈服平臺。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下應(yīng)變速率強(qiáng)化效果不明顯但應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)較顯著。動態(tài)壓縮條件下應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)不明顯，但展現(xiàn)出一定的應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)。準(zhǔn)靜態(tài)變形后，試樣中心區(qū)域板條組織傾向沿近水平方向(垂直于壓縮方向)定向排布。動態(tài)變形后，約有1/3試樣發(fā)生了斷裂，未發(fā)生斷裂的試樣中心出現(xiàn)45°方向剪切帶，其附近板條組織發(fā)生了“屈曲”。準(zhǔn)靜態(tài)變形后殘余奧氏體含量下降明顯，而動態(tài)壓縮試樣中，殘余奧氏體含量只有略微下降，且塊狀M/A島內(nèi)部出現(xiàn)扭曲變形與開裂，這可能是導(dǎo)致部分試樣斷裂的誘因。動態(tài)壓縮破壞試樣斷口整體呈現(xiàn)45°剪切斷裂，一端發(fā)生微孔聚集性斷裂，另外一端發(fā)生剪切斷裂。
關(guān)鍵詞：Q&P鋼；準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)；動態(tài)力學(xué)；變形；殘余奧氏體；分離式霍普金森壓桿
1 引言
淬火配分鋼(Quenching and Partitioning，簡稱Q&P鋼)作為典型的第3代汽車用高強(qiáng)鋼，由于具有高強(qiáng)度、良好塑性以及低成本等優(yōu)勢呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著Q&P鋼在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，其使用性能得到越來越多的關(guān)注，特別是耐撞擊性能逐漸受到人們的重視。大量的研究表明，在沖擊載荷作用下，材料的強(qiáng)度、塑性不僅會發(fā)生巨大變化，其斷裂行為也與準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的存在明顯差異。因此，出于安全性考慮，在汽車用鋼輕量化與安全性需求的背景下，研究汽車用Q&P鋼在沖擊載荷作用下的斷裂行為，特別是其高加載速率下的微觀斷裂機(jī)理，具有重要的意義。
與準(zhǔn)靜態(tài)載荷下延性斷裂不同，Q&P鋼在沖擊載荷(夏比沖擊，應(yīng)變速率約為100 s-1)下的斷裂機(jī)理與試驗(yàn)溫度、組織類型等密切相關(guān)。在高于-20 ℃至室溫下，高強(qiáng)度Q&P鋼的夏比沖擊斷裂機(jī)理以微孔聚集型韌性斷裂為主；而在低于-40 ℃下，其沖擊斷裂機(jī)理以脆性的解理、準(zhǔn)解理斷裂為主。通過引入鐵素體軟相，Q&P鋼強(qiáng)度降低，在相同試驗(yàn)溫度下，其斷裂類型由脆性解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)為韌性的微孔聚集型斷裂。因汽車撞擊過程變形速度極快(應(yīng)變速率為100~1 000 s-1)，一些與速度相關(guān)的斷裂機(jī)理(如裂紋尖端的塑性變形)只能在微小范圍內(nèi)發(fā)生，此時(shí)關(guān)于殘余奧氏體的相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)對塑、韌性的作用將變得非常復(fù)雜。
在前人的工作中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體的TRIP效應(yīng)對材料均勻塑性變形起著有利作用，而Q&P鋼在高應(yīng)變速率下的塑性變形僅集中在裂紋尖端的局部區(qū)域，再加上絕熱溫升對塑性變形的影響，必然會使材料在高應(yīng)變速率下的微觀斷裂機(jī)理變得十分復(fù)雜。因此，有必要對Q&P鋼在不同應(yīng)變速率下的變形和斷裂的微觀機(jī)理進(jìn)行深入的研究。
本文在含殘余奧氏體鋼準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為的研究基礎(chǔ)上，以一種Mn-Si-Cr系Q&P鋼為研究對象(一種高強(qiáng)貝氏體Q&P鋼，前期已對該材料的微觀組織、拉伸性能及夏比沖擊性能進(jìn)行了詳細(xì)研究)，利用萬能試驗(yàn)機(jī)(Instron 5500R)與分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Presure Bar, SHPB)對準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)載荷下材料的壓縮力學(xué)行為進(jìn)行對比研究，并分析了動態(tài)斷裂機(jī)理。
2 精選圖表
3 結(jié)論
利用萬能試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿裝置研究了一種Mn-Si-Cr系Q&P鋼的準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)壓縮力學(xué)行為，并對壓縮變形后的微觀組織和斷口進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：
(1)準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮變形條件下，試驗(yàn)鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線均可大致分為彈性變形和塑性變形2個(gè)階段，沒有明顯的屈服平臺，準(zhǔn)靜態(tài)條件下的應(yīng)變速率強(qiáng)化效果不明顯但應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)較顯著，動態(tài)壓縮條件下應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)不明顯，但表現(xiàn)出一定的應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)。
(2)準(zhǔn)靜態(tài)變形后，殘余奧氏體含量下降顯著，試樣中心區(qū)域板條組織傾向沿垂直于壓縮方向定向排列。動態(tài)變形后，殘余奧氏體含量只有略微下降，且約1/3試樣發(fā)生了斷裂，未發(fā)生斷裂的試樣中心出現(xiàn)45°方向剪切帶，其附近板條組織發(fā)生了“屈曲”。塊狀M/A島內(nèi)部出現(xiàn)開裂是導(dǎo)致部分動態(tài)試樣斷裂的誘因。斷裂試樣斷口整體呈現(xiàn)45°剪切斷裂，一端發(fā)生微孔聚集性斷裂，另外一端則發(fā)生剪切斷裂。
