基于Hopkinson拉桿技術(shù)的QP980鋼動態(tài)力學性能研究

黃明欣,王銘

（1.香港大學機械工程系，香港999077；2.香港大學深圳研究院，廣東 深圳 518057）

在汽車工業(yè)中，先進高強度鋼是減輕車身重量和提高汽車碰撞安全性的關(guān)鍵材料。目前QP980鋼作為第三代先進高強度鋼，兼具高強度和良好的塑性，已實現(xiàn)批量生產(chǎn)并成為各大鋼鐵公司的研究熱點。先進高強度鋼常應(yīng)用于汽車安全構(gòu)件，而在汽車碰撞過程中安全構(gòu)件的應(yīng)變率可達 100～1000s-1［1］，因此了解 QP980鋼在此應(yīng)變速率范圍內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)和變形機理可以幫助相關(guān)人員模擬汽車零件受到?jīng)_擊時的變形和失效模式，對汽車零部件的設(shè)計以及QP980鋼的推廣應(yīng)用具有重大意義。

Hopkinson拉桿是實現(xiàn)動態(tài)加載的主要實驗裝置，一般用于研究材料在100～10000s-1范圍內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)，其測試原理在很多文獻中都有詳細的介紹［2-4］，在此不做贅述。利用Hopkinson拉桿的中斷試驗技術(shù)，可以在高應(yīng)變率下將材料拉伸到不同應(yīng)變量，從而得到動態(tài)加載過程中微觀組織的演化規(guī)律，為研究變形機理奠定基礎(chǔ)。

本文將主要介紹Hopkinson拉桿及其中斷試驗技術(shù)在QP980鋼動態(tài)測試中的一些應(yīng)用，包括高應(yīng)變率下材料力學性能測試，高應(yīng)變率下材料相變過程研究以及高應(yīng)變率下預(yù)應(yīng)變拉伸試驗。

1 Hopkinson拉桿中斷試驗技術(shù)

目前，在Hopkinson拉桿上實現(xiàn)中斷試驗的方法可以總結(jié)為以下兩種。第一種是對試樣進行特殊設(shè)計并采用外部裝置來限制試樣的最終變形量。X.Yang等人［5］將圖1所示的雙肩雙槽試樣和中斷裝置與Hopkinson拉桿結(jié)合使用，根據(jù)目標變形量調(diào)整試樣的可移動肩部與中斷裝置之間的初始距離，測試過程中可移動肩部會接觸到中斷裝置而停止移動，此時兩個肩部之間的變形區(qū)不再伸長，隨后試樣從預(yù)制槽口處斷裂，使變形區(qū)的應(yīng)變量停留在目標值并防止殘留在桿件中的應(yīng)力波對變形區(qū)的微觀組織進行破壞。這種方法不需要對現(xiàn)有的Hopkinson拉桿裝置進行任何改造，但試樣加工復(fù)雜，并且試驗結(jié)束后對回收的樣品不能進行再次加載。

圖1 中斷機制示意圖 ［5］

第二種方法是改變Hopkinson拉桿裝置中撞擊桿的長度并應(yīng)用單脈沖加載技術(shù)。應(yīng)變是應(yīng)變率和試驗時長的乘積，而撞擊桿的長度與試驗時長成正相關(guān)關(guān)系，因此調(diào)整撞擊桿的長度可以在保證應(yīng)變率不變的情況下改變試驗時長，從而使試樣獲得同一應(yīng)變率下的不同應(yīng)變值。不同于第一種方法，此方法的試樣保持傳統(tǒng)的狗骨形設(shè)計，在達到目標應(yīng)變值后仍與入射桿和透射桿相連接，為了避免其變形狀態(tài)和微觀組織遭到桿件內(nèi)殘留應(yīng)力波的破壞，需要使用單脈沖加載技術(shù)。S.Nemat-Nasser等［6］首次提出單脈沖加載技術(shù)的概念和基本原理，M.Isakov等［7］在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，降低了該技術(shù)的操作難度。改進后的單脈沖加載技術(shù)原理如圖2所示，其中能量吸收桿1（以下簡稱“桿 1”）、能量吸收桿 2（以下簡稱“桿2”）與入射桿這三根桿之間沒有任何間隙。以試樣左側(cè)桿件為例，應(yīng)力波的產(chǎn)生與傳播將分為以下幾個階段：

（1）撞擊桿與入射桿法蘭盤發(fā)生高速碰撞，在入射桿內(nèi)產(chǎn)生拉伸波，在桿1內(nèi)產(chǎn)生壓縮波。

（2）入射桿的拉伸波向“入射桿-試樣”界面?zhèn)鬟f，準備對試樣進行加載，同時桿1的壓縮波傳遞到桿2中。

（3）入射桿拉伸波對試樣加載后，一部分以壓縮波的形式反射回入射桿，向著“入射桿-桿1”界面?zhèn)鬟f。在此過程中，桿2中的壓縮波到達桿端后以拉伸波形式反射回到“桿2-桿1”界面。由于“桿2-桿1”界面只能傳遞壓縮波，無法傳遞拉伸波，此時桿2會與桿1分離且桿2的應(yīng)力波不會再傳遞到桿1中。

（4）入射桿的壓縮波到達“入射桿-桿1”界面并傳遞到桿1中。

（5）桿1的壓縮波到達桿1端部，而桿2已經(jīng)與桿1分離，所以此壓縮波會以拉伸波的形式反射回桿1。

（6）桿1的拉伸波到達“桿1-入射桿”界面，與階段（3）的分析相似，桿1會與入射桿分離，且沒有應(yīng)力波會再傳遞到入射桿中。

試樣右側(cè)桿件的應(yīng)力波可參考以上階段進行分析。由上述分析可知，單脈沖加載技術(shù)可使試樣僅受第一個拉伸波的加載作用，殘留的應(yīng)力波會被能量吸收桿完全捕捉，不再傳遞到試樣中。

與第一種方法相比，第二種方法采用的試樣形狀簡單，且試驗結(jié)束后可再次對回收的試樣進行力學性能測試。因此，本文將采取第二種方法對QP980鋼進行高應(yīng)變率下的中斷拉伸試驗。

圖2 改進后的單脈沖加載技術(shù)原理 ［7］

2 試驗材料方法

試驗材料選用寶鋼集團提供的QP980鋼。用Zeiss Sigma 300掃描電鏡對QP980的在MTS材料試驗機上進行0.001s-1準靜態(tài)拉伸試驗，試樣尺寸為25 mm×6 mm×1.6 mm。在Hopkinson拉桿上進行800s-1高應(yīng)變率拉伸試驗，試樣和桿件之間用高強度膠水粘接，試樣尺寸為10 mm×4 mm×1.6 mm。用日本理學X射線衍射儀（Rigaku XRD）對試樣進行X射線掃描并測定殘余奧氏體體積分數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 QP980鋼的微觀組織

對QP980鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)進行觀察，結(jié)果如圖3所示，試樣微觀組織主要由鐵素體（F）、馬氏體（M）和殘余奧氏體（RA）組成。

圖3 QP980鋼微觀組織

3.2 高應(yīng)變率下QP980鋼的力學性能

QP980鋼在0.001s-1和800s-1下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。與準靜態(tài)（0.001s-1）相比，在800s-1下試樣屈服強度從682MPa顯著提高到848MPa，均勻延伸率則從16.5%急劇下降到8.3%。

3.3 高應(yīng)變率下QP980鋼的相變過程

通過Hopkinson拉桿中斷試驗技術(shù)，在800s-1下分別將樣品拉伸到6.1%、7.7%以及9.7%的應(yīng)變量，其中斷拉伸曲線如圖5所示，中斷拉伸曲線基本都與拉伸至失效的試驗曲線吻合。

圖4 QP980鋼在兩種應(yīng)變率下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 QP980鋼800 s-1下的中斷拉伸曲線

對0.001 s-1和800 s-1兩種應(yīng)變率下不同應(yīng)變量的樣品進行了殘余奧氏體體積分數(shù)的測定，結(jié)果如圖6所示。QP980鋼在發(fā)生塑性變形的過程中，殘余奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，導(dǎo)致相變誘發(fā)塑性效應(yīng)（TRIP效應(yīng)）［8］，從而影響鋼材的力學性能。由圖6可見，800 s-1下馬氏體相變的速度比準靜態(tài)下快，約90%的殘余奧氏體在應(yīng)變量為0.06時已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變。準靜態(tài)下QP980鋼的殘余奧氏體則相對穩(wěn)定，馬氏體相變持續(xù)的時間更長，直到應(yīng)變達到0.12時殘余奧氏體才完成轉(zhuǎn)變。

圖6 QP980鋼兩種應(yīng)變率下的殘余奧氏體體積分數(shù)

結(jié)合QP980鋼在兩個應(yīng)變率下的相變過程和圖4中的力學性能進行分析，發(fā)現(xiàn)均勻延伸率之前800s-1下材料的流變應(yīng)力更大，為馬氏體相變提供了更高的機械驅(qū)動力，使得馬氏體相變更容易發(fā)生。另一方面，0.001s-1和800 s-1下QP980鋼的均勻延伸率分別為0.165和0.083，而對應(yīng)殘余奧氏體完成轉(zhuǎn)變的應(yīng)變量分別為0.12和0.077，說明當殘余奧氏體完全轉(zhuǎn)變成馬氏體后不久，材料就會進入頸縮階段，因此，持久的馬氏體相變可以抑制頸縮現(xiàn)象的發(fā)生，提高材料的均勻延伸率。

3.4 高應(yīng)變率下QP980鋼的預(yù)應(yīng)變拉伸試驗

在800 s-1下將QP980鋼試樣拉伸至5%工程應(yīng)變，卸載回收樣品后，保持應(yīng)變率不變對樣品再次進行拉伸試驗，直至工程應(yīng)變達到10%，預(yù)變形樣品的拉伸曲線如圖7所示。

圖7 QP980鋼 800s-1下的預(yù)變形拉伸曲線

與預(yù)變形為0的試樣在應(yīng)變量達到5%（以下簡稱“狀態(tài)一”）之后的拉伸曲線相比，預(yù)應(yīng)變5%的樣品再次加載初期（以下簡稱“狀態(tài)二”）流變應(yīng)力提高了約237 MPa，并提前發(fā)生了頸縮現(xiàn)象。狀態(tài)一與狀態(tài)二的微觀組織并無不同，加載的應(yīng)變率沒有發(fā)生變化，但狀態(tài)一保留了塑性變形做功引起的絕熱溫升，狀態(tài)二則是處于室溫環(huán)境。兩者之間流變應(yīng)力的不同有待進一步的研究。

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種改進后的Hopkinson拉桿中斷試驗技術(shù)，并將其應(yīng)用到QP980鋼的動態(tài)性能的研究中，得到以下結(jié)論：

（1）與 0.001 s-1相比，QP980鋼800 s-1下的屈服強度由682 MPa提高到了848 MPa，同時均勻變形前的流變應(yīng)力也有顯著提升，為馬氏體相變提供了更多的機械驅(qū)動力，加快了馬氏體相變的速率。

（2）與0.001 s-1相比，QP980鋼800 s-1下約90%的殘余奧氏體在應(yīng)變量到達6%之前已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，導(dǎo)致頸縮提前發(fā)生，材料的均勻延伸率由16.5%下降到了8.3%。

（3）800 s-1下動態(tài)預(yù)變形的QP980鋼再次受到動態(tài)加載時會呈現(xiàn)出更高的流變應(yīng)力，應(yīng)力值提高了約237 MPa。