Q&P钢中应变速率对其拉伸变形行为的影响检测方案(扫描电镜)

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应变速率对 Q&P钢拉伸变形行为的影响 刘超王磊刘杨 (东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳110819) 摘 要：以汽车用先进高强度 Q&P 钢为研究对象，分析了应变速率对 Q&P钢拉伸性能及变形行为的影响。结果表明，随应变速率增加，Q&P钢的强度增加，断裂延伸率则呈先下降(10s~10's)， 后上升至峰值(8×10's)， 之后再下降(10s~10's)的趋势。变形过程中强度的增加可能同形变回复受限，位错运动受阻有关。而断裂延伸率的变化主要与不同应变速率下Q&P钢中残余奥氏体向马氏体转变(即 TRIP 效应)有关。 关键词：Q&P钢；应变速率；拉伸性能；TRIP效应；残余奥氏体 中图分类号：TG142 文献标识码：A 文章编号： Effect of Strain Rate on Tensile Deformation Behaviorof Quenching and Partitioning Steel LIU Chao，WANG Lei， LIU Yang (Key Lab for Anisotropy and Texture of Materials， Northeastern University， Shenyang 110819， China) Abstract： The advanced high-strength quenching and partitioning steel was applied to the auto industry in the present research.The tensile deformation behavior influenced by strain rate was investigated. The results indicate that the strength of Q&P steel riseswith strain rate increase， while the change of elongation presents the trend of declining (104s~10'sl) followed by rising to thepeak (8×10's) and then falls again (10"s~10’s). The increase in strength is mainly due to the restraint of deformation recoveryand dislocation glide process during deformation， while the variation of elongation is mainly caused by the transformation fromretained austenite to martensite， namely the TRIP effect. Key words： quenching and partitioning steel； strain rate； tensile properties； transformation induced plasticity (TRIP effect)；retained austenite 言 近年来由于“节能降耗”的要求，对汽车轻量化的研究受到了广泛关注。将高强钢应用于汽车领域，， 可以减轻车身自重，节约能源，提高效率，但其抗冲撞性是设计中必须考虑的问题11~51。Q&P钢与其他高强钢相比，由于其基体为马氏体组织，且在变形过程中伴随有残余奥氏体向马氏体的转变(TRIP效应)，故具有优良的强度和塑性配合，韧性较高，在汽车碰 ( 作者简介：刘超，东北大 学 硕士研究生， E-mail ： lc0814@126.com ) 撞过程中能够吸收更多的能量，因此在汽车工业中有十分广阔的应用前景16~10]1。目前关于 Q&P钢所开展的研究主要集中在工艺方面，而针对其在近服役条件下的动态力学的性能研究较少。 本文主要对Q&P钢在不同应变速率下进行拉伸变形，考察其静态和动态载荷力学性能，探讨 Q&P钢的力学性能随应变速率变化的规律。并对拉伸变形前后的显微组织和断口形貌进行分析，总结Q&P钢的变形行为随应变速率的变化机理，为正确、合理的评估汽车安全性能提供重要的依据。 1试验材料与方法 试验用 Q&P钢采用 50t电弧炉冶炼，热轧成1.18mm厚的板材。在905℃保温 20min 后以50℃/s 冷却至250℃并保温 30s， 之后在440℃再分配 300s 并最终淬火至室温。合金的主要化学成分(wt%)为： Fe 93.586， C 0.200， Si 1.770， Mn 0.310， Cr 1.010， Ni 2.690， Mo 0.300，V0.080， Nb 0.050， S 0.001， P0.003. 将 Q&P钢板加工成拉伸试样，分别利用 MTS 810 材料疲劳试验机和 Zwick/Roell AmslerHTM5020 高速拉伸试验机进行准静态(应变速率分别为：10s、10's和10's)和动态(应变速率分别为：10's、5×10's、7×10's、8×10's、10²s、2×10s和10's)拉伸性能测试。 利用激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜观察分析Q&P钢变形前后组织变化和拉伸断口形貌，利用XPert Pro MPD 衍射仪定量测定拉伸前后试样中残余奥氏体体积分数的变化。 2试验结果 2.1应变速率对Q&P钢拉伸性能的影响 (a)屈服强度(b)抗拉强度 (c)断裂延伸率图1不同应变速率下 Q&P钢的拉伸性能 Fig.1 Tensile properties of Q&P steel under different strain rate 图1是不同应变速率条件下 Q&P钢强度和断裂延伸率的变化情况。由图1(a)和(b)可知，随应变速率增加，屈服强度和抗拉强度增大，且在应变速率大于10's后，增加幅度更为显著。 分析图1(c)可知，断裂延伸率随应变率率的变化趋势较为复杂。具体而言，当应变速率在10s~10's范围内时，断裂延伸率随应变速率增加逐渐下降，当应变速率大于10's 后，断裂延伸率大幅升高，到8×10's时，达到峰值，之后随应变速率进一步增加， Q&P钢的断裂延伸率下降。 2.2拉伸变形对 Q&P钢组织的影响 图2断口侧面组织形貌 Fig.2 Morphology of the side face of fracture 图2是利用 SEM 分别对未变形组织以及低速和高速拉伸断口侧面形貌进行分析的结果。经分析可知， Q&P钢主要由马氏体和残余奥氏体组成。奥氏体区在变形前所占面积比例较大，变形后其所占的比例明显减小。同时，通过对比10s和10's两试样发现，在动态拉伸条件下试样中残余奥氏体含量更少，且块状奥氏体明显被拉长，其伸长方向与外加拉应力方向一致。对比变形前后断口附近区域形貌的变化可知残余奥氏体含量在拉伸后减少，拉伸过程 2.3 Q&P钢拉伸断口形貌 (a)102s断口纤维区 (b)10s断口剪切唇区 (c)2×102s口口纤维区(d)2×102s断口剪切唇区 图3不同应变速率条件下的拉伸断口形貌 Fig.3 Fracture morphology under different strain rates 图3为不同应变速率条件下的拉伸断口形貌。分析可知，Q&P钢在试验应变速率范围内为韧型断裂。通过对比准静态和动态拉伸断口特征可见，高应变速率的断口中韧窝尺寸较大，且许多大韧窝由彼此相邻的小韧窝聚合而成，即由较小韧窝间的韧带在高速拉伸过程中断裂形成。随应变速率增大，拉伸断口孔洞增加，且在高应变速率条件下，拉伸断口剪切唇区的抛物线型韧窝更为明显。 2.4 Q&P 钢拉伸前后 XRD物相分析结果 图4拉伸前后Q&P钢的XRD图谱 Fig.4 X-ray diffraction patterns of Q&P steel before and after tension 利用 XRD 对拉伸前后试样中残余奥氏体含量进行定量分析的衍射图谱如图4所示。由图可知未变形组织的衍射峰强度大，而拉伸变形后衍射峰强度较小。在 40~100范围内，比较明显的衍射峰有：马氏体(110)M、(200)M、(211)M和(220)M；奥氏体(111)A、(200)A、(220)A和(311)A，这表明钢中存在一定量的残余奥氏体。 对未变形试样进行残余奥氏体定量计算，结果显示残余奥氏体体积分数为 8.22%。取6组不同应变速率条件下试样的 XRD 衍射图定量计算残余奥氏体含量，结果如图5所示。可见，与未变形组织相比，拉伸变形后各试样中残余奥氏体体积分数均有所降低。因此，在拉伸变形过程中，试样中发生了残余奥氏体向马氏体的转变。 图5不同应变速率条件下残余奥氏体体积分数的变化 Fig.5 Change of volume fraction of austenite under different strain rate 同时由图5可知，随应变速率增加，残余奥氏体含量先增加后减少，之后又增加。具体而言，在低应变速率范围内(10^s~10's)， 随应变速率增加，试样中残余奥氏体含量增加，说明在静态拉伸条件下随应变速率增加 TRIP 效应逐渐降低。在高应变速率范围内(10's~10°s)，随应变速率增加，试样中残余奥氏体含量先减少后增加，说明在动态拉伸过程中，随应变速率增加 TRIP效应先增加之后逐渐降低。 3：分析讨论 3.1应变速率对Q&P钢强度的景响机理 在弹性变形阶段取应变为10%对应的应力值，按m=0lno/0lne将7组不同应变速率条件下Q&P钢的应变速率敏感指数(m值)计算并进行比较的结果如图6所示。可见， m 值随应变速率增加呈逐渐增加的趋势，当应变速率大于10's后，m 值开始显著增加，强度对应变速率的敏感程度增大。当应变速率为10's时，m值达到最大。可见，Q&P钢是应变速率敏感材料。 Q&P钢的室温塑性变形主要通过位错滑移进行。有研究表明I11~12]，在动态拉伸过程中，由于变形滑移线的扩散受各种障碍的约束，其速度远远落后于载荷的增长速度，滑移线难以贯穿整个晶粒，即宏观塑性变形尚未表现出来之前，应力一直在增长，屈服强度提高，从而很好的解释了本研究中屈服强度随应变速率增加而增大的现象。同时，应变速率的提高也会使位错运动速率增加，滑移临界切应力增大，可能导致金属产生附加强化，使得抗拉强度提高。 图6应变速率敏感指数(m值)随应变速率的变化 Fig.6 Change of strain rate sensitivity value (m) with strain rate 3.2应变速率对Q&P钢断裂延伸率的景响机理 如图5所示，在较低的应变速率范围内(10^s~10's)，随应变速率增加，试样中残余奥氏体体积分数增大，即随应变速率增加， TRIP 效应降低。这应与马氏体相变极易在缺陷处形核、且相变有一定的惯习面有关。马氏体形核时，与母相的界面上存在较大的应变。为降低该应变能，奥氏体母相会发生辅助变形，在马氏体周围形成高密度位错，这是马氏体相变时母相协作变形形成的。应变速率低，则变形时间会延长，从而有充分的时间实现位错的滑移，为马氏体相变做准备。同时，低应变速率更利于缺陷产生，，而缺陷对马氏体相变有促进作用[13] 有研究表明113]，应变诱发马氏体只有少量、逐步地形成，才能期望获得较大的塑性。在拉伸变形过程中，塑性变形引起的局部区域应力集中将由于马氏体的形成而得到松弛，从而能够防止微裂纹的形成。即使微裂纹已经产生，裂纹尖端的应力集中也会因马氏体的形成而得到松弛，从而抑制微裂纹扩展14]。应变速率越低，残余奥氏体向马氏体转变的体积分数越多，抑制微裂纹形成和扩展的效果越明显，塑性提高越显著。同时， TRIP 效应可降低或消除界面应力集中，使孔洞的形成、长大和聚合过程推迟，抑制或延缓断面收缩，提高材料的塑性(分析图3(a)和(b)可知，拉伸断口的孔洞较少，韧窝直径较小，且剪切唇区抛物线型韧窝不太明显)。另外，由于应变总是滞后于应力的增长，断裂时有少数滑移尚未发展到晶粒的另一边而终止于晶粒内部，也可能导致塑性下降，所以随应变速率增大，材料的塑性降低。 当应变速率继续增加，在动态拉伸应变速率范围内(10's~8×10s)， Q&P钢的延伸率逐渐增大。如图5所示，在该应变速率范围内，残余奥氏体体积分数随应变速率增加而降低，即随应变速率增加 TRIP 效应增大。有研究认为[15~18]，当应变速率高时，材料的变形抗力增加，变形过程中转化为热能的能量增加。另外，由于变形时间越短能量的散失越少，因此绝热温升效应也越大。经分析认为，绝热温升效应对马氏体相变可能存在双重作用，一方面由于温升使位错易于滑移，促进马氏体转变；另一方面温度升高会使残余奥氏体稳定性增加，抑制马氏体转变[18]。结合本文研究结果可知， TRIP 效应的增大应与温升促进位错滑移有关。稳定性较高的残余奥氏体随应变速率增大完成渐进式转变，大应变速率下发生颈缩后试样并不迅速断裂，从而塑性得以提高(如图3(c)和(d)所示，拉伸断口孔洞较多，韧窝直径较大，且剪切唇区抛物线型韧窝更明显)。 在高应变速率范围内(10²s-~10's)，试样的延伸率随应变速率增加而降低。在该应变速率范围内，随应变速率增加，试样中残余奥氏体体积分数增大，即随应变速率增加 TRIP 效应降低。有文献12指出高应变速率下的温升会增加残余奥氏体稳定性，抑制马氏体转变，导 致 TRIP 效应下降。另外，绝热温升效应会导致材料发生局部软化，使断裂延伸率增大121，在该应变速率范围内断裂延伸率的降低可能是 TRIP 效应下降与绝热温升软化效应综合作用的结果，而前者应占主导地位，这就很好的解释了在该应变速率范围内断裂延伸率随应变速率增加而降低的现象。 4结论 (1) Q&P 钢的强度随应变速率增加而升高，而其断裂延伸率先下降(10“s~10's)， 之后显著上升(10's*~8×10's)， 当应变速率高于10's-，断裂延伸率又逐渐下降。 (2)变速率对Q&P钢强度的影响源于其对钢形变回复程度的作用，由此导致高应变速率下位错运动受限所致。而变速率对 Q&P 钢断裂延伸率的影响取决于 TRIP 效应、绝热温升等综合作用。 (3)10s*~10's变形后， Q&P钢的残余奥氏体含量随应变速率增大而增加， TRIP 效应降低，断裂延伸率下降。10's~8x10's变形，变形带来的绝热温升使位错易于滑移，同时提高残余奥氏体稳定性，使得钢的残余奥氏体含量降低，宏观上表现出颈缩缩不迅速断裂，塑性增加。10's~10's变形，绝热温升使残余奥氏体稳定性剧增， TRIP效应下降，断裂延伸率降低。 ( 参考文献： ) ( [1] Yuxuan Li， Z hongqin L i n， A i qin Jiang， e t al. 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