高应变速率下超高强冷轧双相不锈钢的拉伸性能研究

 浙江至德钢业有限公司测试超高强冷轧双相不锈钢在不同应变速率下的准静态和动态拉伸力学性能，并通过数学模型研究了高应变速率下材料的变形行为。结果表明，模型拟合度较差，但是根据可决系数修正以后的模型预测结果与实验结果具有较好的吻合度。应用在汽车上的安全结构件是超高强冷轧双相不锈钢的一个重要用途，应变速率对超高强冷轧双相钢具有很大的影响。研究材料动态特性的一个重要方法是建立应变速率和力学模型之间的联系。冷轧双相不锈钢一般采用连续退火的热处理工艺生产，采用两段式冷却方式，快速冷却和缓慢冷却两部分。浙江至德钢业有限公司在不同应变速率下，测试超高强冷轧双相钢的准静态以及动态拉伸力学性能，结合数学模型研究了高应变速率下材料的变形行为。

一、实验方法

   实验所用双相不锈钢的主要化学成分见表，将冷轧后的试样在热模拟试验机上进行连续退火实验。热处理工艺如下：先将试样以10℃/s的速度加热到780℃，保温150秒后缓慢冷却到710℃，最后以50℃/秒的冷却速度冷却到240℃，保温240秒。在应变速率分别为0.0001和0.0100s-1时进行准静态拉伸试验，在应变速率分别为500、1000和2250s-1时进行动态拉伸试验。将热模拟试验机连续退火后的试样，用不同型号的砂纸打磨，抛光至镜面，然后用4%硝酸酒精溶液浸蚀，在金相显微镜下观察其微观组织。

二、实验结果与讨论

 1. 显微组织观察

   图为双相不锈钢的显微组织。可以看出，双相不锈钢退火后的组织主要是马氏体(图中灰黑色部分)和铁素体(图中白色部分)。实验双相不锈钢的马氏体体积分数约为47.3%，铁素体的平均晶粒尺寸约为3.54μm。一方面微量合金元素钒的存在使得晶粒得到了细化，另一方面含钒碳化物的析出，使得基体硬度升高，强度提高。

 2. 实验钢准静态和动态应力-应变关系

   图为实验钢在不同应变速率下真应力-等效塑性应变曲线。可以看出，在不同的应变速率下，随着塑性应变的不断增加，应力也增加。应变速率越高，真应力也就越高，即在相同的塑性应变下，应变速率为0.0001s-1时所具有的应力值最小；应变速率为2250s-1时所具有的应力值最大。由此可以得出，实验双相钢的应变速率敏感性很强。图为规定塑性延伸强度RP0.2和抗拉强度Rm随应变速率的变化曲线。可以看出，随着应变速率的增大，规定塑性延伸强度和抗拉强度都呈增大的趋势。在高应变速率下，双相钢发生塑性变形时，既存在软化作用，又存在硬化作用。通过计算应变速率敏感系数，发现其数值基本保持不变，说明存在软化作用，塑性变形过程中温度升高会引起材料发生软化，并且此过程绝热。与此同时，由图可知，应变速率强化作用表现为应变速率增加，真应力增加；应变的强化作用表现为应变增加，真应力亦增大。

 3. 双相不锈钢动态模型

   汽车中用双相不锈钢大多在室温下使用，因此受温度的影响较小，本实验在此不做考虑。图为不同应变速率下模型预测结果和实验结果的对比。可以看出，预测曲线和实验曲线在一定程度上趋于吻合，但是随着应变速率的增加，实验结果逐渐偏离模型预测结果。为了使模型预测结果与实验结果相吻合，在此我们对上述模型进行了修正。图为修正后的模型预测与实验结果曲线。可以看出，随着应变的不断增加，真应力呈现不断增加的趋势。并且应变速率很高时，模型预测的曲线与实验测得的曲线吻合度极高，说明修正后的模型能够很好的说明双相不锈钢的动态特征。为了使实验结果更加准确，为此我们引入可决系数来表征实验与模型的吻合程度，可决系数能够在一定程度上表征实验结果与模型之间的关系，可决系数越大，说明实验结果和模型之间吻合度越好。模型中的平均可决系数为0.9433，修正后的模型中可决系数的平均值为0.9848，即模型的可决系数明显小于修正后的可决系数。由此可以说明，模型预测结果与实验结果相比吻合度较差，而修正后的模型很好地表达双相不锈钢的塑性变形过程，满足实验的要求。

   连续退火以后的双相不锈钢由于细晶强化，析出强化和位错强化的综合作用，使得双相钢具有较高的强度。模型拟合度较差，不能满足实验的要求，引入可决系数进行修正，修正以后的模型预测结果与实验结果具有较好的吻合度，在一定程度上说明了双相不锈钢的动态特征。