应变速率对HC340LA低合金高强度钢板拉伸性能的影响

苑文婧，刘晓航，田浩彬，鲁成伟

（1.上海第二工业大学工学部，上海201209；2.上海汇众汽车制造有限公司，上海200122）

0 引 言

低合金高强度钢是一种汽车用普通高强度钢，又称沉淀强化钢，目前以热轧为主，多用于汽车车体结构件，所用板材厚度为0.8～2.5mm。许多高强度钢构件是汽车承受碰撞、保证安全的重要部件，因此高强钢在高应变速率下的特性是其重要性能之一。目前，国内外对于高强钢在高应变速率下的研究较多，但这些研究中涉及的试验方法和设备不统一，数据处理方法也不相同，导致汽车整车碰撞有限元分析结果与试验结果存在差距［1］。

文献［2］研究了双相钢和TRIP钢在不同高应变速率下的力学性能，高应变速率试验设备采用的是液压伺服系统及霍普金森杆，并对两种方法获得的试验结果进行了对比。文献［3］重点分析了合金元素、冶炼方法及热处理工艺对低合金高强度钢板强韧性的影响。文献［4］针对HC420LA低合金高强度钢板，研究了应变时效对其屈服强度和应变硬化率的影响，发现2%的预应变可以提高HC420LA低合金高强度钢板的屈服强度。文献［5］研究了预应变和应变速率对HC340LA低合金高强度钢板力学性能的影响，发现HC340LA高强钢对预应变和应变速率敏感，流变应力随着预应变量和应变速率的提高而增大。文献［6-7］研究了加载速度对40Cr和30CrMnSiNi2A高强钢动态断裂韧性的影响，发现动态断裂韧性均随加载速度的增加呈上升趋势。文献［8］针对船体用10MnNiCrMoV钢，分析了准静态和动态拉伸状态下抗拉强度、伸长率及组织的变化情况。

随着对汽车安全性要求的不断提高，高强钢板的应用不断扩大。按照一般规律，随着应变速率的增加，钢铁材料的抗拉强度增加，总伸长率降低。但是对于不同批次的钢板，不一定适用该规律，为此，作者针对某车型结构件所用的HC340LA低合金高强度钢板，研究四种应变速率下该钢板拉伸性能的差异，并观察了高应变速率下显微组织和断口形貌。

1 试样制备与试验方法

试验材料为宝山钢铁股份有限公司生产的冷轧低合金高强度钢板，欧标牌号是HC340LA，板料厚度为2mm。其化学成分（质量分数／%）为：0.066C，0.82Mn，0.021P，0.003S，0.027Nb，余 Fe。参照GB／T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工拉伸试样，拉伸试样采用定标距试样，由于高速拉伸时试样夹持部分容易出现打滑现象，因此左侧预留高速拉伸机夹持部分，尺寸见图1。拉伸试验在INSTRON 3382型电子万能试验机上进行，并使用激光引伸计和压电传感器测应变和拉伸力，拉伸时选择一种准静态（应变速率为10-3）和三种高应变速率（应变速率分别5，50，200s-1）。采用的试验方法是美系、德系和日系汽车企业内部均认可的，并且已经成功用于某车型汽车碰撞的分析与实验中。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

在拉伸试样标距内断口附近线切割制备了多个10mm×10mm的金相试样，磨平、抛光后，用体积分数5%硝酸酒精溶液腐蚀，然后在NIKON ESLIPSELV150L型光学显微镜下观察其显微组织。并采用HITACHI S-4800型扫描电镜，观察高速拉伸试样的断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 应变速率对拉伸性能的影响

图2 不同应变速率下HC340LA钢的工程应力-应变曲线Fig.2 Engineering stress-strain curves of HC340LA steel at different strain rates

表1 不同应变速率下HC340LA钢的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of HC340LA steel at different strain rates

2.2 应变速率对显微组织和断口形貌的影响

因试验条件限制，只得到了应变速率为50s-1和200s-1时的金相试样。由图3可见，HC340LA低合金高强度钢板在应变速率为50s-1和200s-1拉伸后的显微组织均为铁素体和珠光体，白色组织为铁素体，灰黑色组织为珠光体；应变速率对晶粒尺寸有显著的影响，随着应变速率的增加，大部分铁素体的晶粒尺寸减小，分布更加不均匀，同时晶界增多，因此塑性、强度降低，与拉伸试验结果一致，即应变速率从5s-1增加到200s-1过程中，材料的伸长率降低，抗拉强度降低。

图3 应变速率为50s-1和200s-1时HC340LA钢的显微组织Fig.3 Microstructures of HC340LA steel at strain rates of 50s-1and 200s-1

图4 应变速率为50s-1和200s-1时HC340LA钢的断口形貌Fig.4 Fracture morphologies of HC340LA steel at strain rate of 50s-1and 200s-1

由图4可见，在两种应变速率下，HC340LA钢断口均呈现明显的正交韧窝，服从韧性断裂准则。同时对比两种应变速率下的断口形貌发现，应变速率为50s-1的试样断口中韧窝尺寸大而深，分布更加均匀。一般认为，韧窝尺寸越大越均匀，说明材料的塑性越好［9］。

3 结 论

（1）与准静态拉伸试验结果相比，在高应变速率下HC340LA低合金高强度钢板的塑性更好、伸长率和屈强比更高；而在高速拉伸时随着应变速率的增加，其伸长率和抗拉强度略有降低。

（2）高应变速率下，随着应变速率的增加，铁素体的晶粒尺寸减小，分布更加不均匀，同时晶界增多，因此伸长率和抗拉强度随之降低；试验钢板服从韧性断裂准则，应变速率为50s-1的拉伸试样断口中韧窝尺寸大而深，分布更均匀，塑性好于应变速率为200s-1时的。

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