分享：马氏体钢MS1180在高应变速率 下的力学性能

节能、安全与环保是汽车工业目前发展的主 要方向，汽车在轻量化的同时需要安全性能得到保 证。高强钢材料具有经济适用的特点，通常被应用 在汽车结构件的设计中。这就要求在设计阶段对零 部件材料的高速力学性能数据进行统计，模拟出汽 车在碰撞过程中的吸能情况。因此对材料的动态力 学性能进行研究与表征，对车身设计及选材都具有 很重要的指导意义。动态载荷下的材料表征，尤其 是中高应变速率下材料力学行为测试与模拟是行业 研发和应用的难点[1]。国内外许多学者都对高强钢 动态力学性能及相关实验方法开展了大量的研究工 作，如Thompson等对DDQ、DP600、HSLA350这 3种材料进行了多种应变速率下的拉伸实验，采用 Johnson-Cook等模型进行了参数拟合与仿真探究[2]。 本文以本钢生产的马氏体钢MS1180为研究对 象，对材料进行高速拉伸测试，得到材料在不同应 变速率下的应力-应变曲线，并对曲线数据进行处 理。利用常见的几种本构模型进行拟合外推，对比 了不同硬化准则下材料的应变率效应和塑性硬化 行为。 实验材料与方法 采用本钢生产的MS1180/1.2 mm冷轧钢板加工试 样，试样选取长度方向与钢板轧制方向一致，通过 中走丝线切割方式进行加工。实验共进行了5组不同 速率的拉伸测试，分别为0.001(准静态)、0.1、10、 100和500 s–1。准静态试样采用国标GB/T 228.1中P5 尺寸试样，动态测试试样尺寸如图1所示。













实验分准静态和动态两个部分，分别在电子拉 伸试验机和高速拉伸试验机上进行。实验分别参考 标准GB/T228.1—2010、GB/T30069.2—2016和ASTM E111—97。 准静态实验在电子拉伸试验机上进行，数据直 接从试验机读取；动态实验在高速拉伸试验机上进 行，较低速率的0.1和10 s–1直接由试验机传感器读取 电压信号转化力值载荷，高应变速率100和500 s–1采 用粘贴应变片的方式，通过应变片测量电压信号转 化力值载荷。实验过程的应变信息通过高速摄像系 统，采用非接触式测量方式获得，实验设备如图2所 示。每个速率进行三次重复测量，选取重合性好的 曲线进行数据处理。

结果与讨论

将获得的电压信号转换为力值载荷，载荷除以 试样的平行段初始横截面积得到工程应力。用GOM 软件对高速相机获得的照片进行计算，通过应变计 算获得工程轴向应变和横向应变，从而得到各个速 度下的工程应力-应变曲线。MS1180-1.2 mm的工程 应力-应变曲线如图3所示。 由图3可以看出，随着应变率的升高，MS1180 的屈服强度和抗拉强度也随之提升，应力水平与应变速率表现为正相关性。与准静态测量相比，动态 速率测试下材料的延伸率也得到了明显提升。 考虑到实际应用中发生局部颈缩的材料已无实 用价值，通常把屈服点至颈缩点间的实验数据作为 材料真实的拉伸状态计算真应力和真应变(图4)。

将截取的真实应力-塑性应变数据曲线用不同 的动态本构方程进行拟合外推，得到外推曲线结 果。常用的本构模型有Johnson-Cook模型、CowperSymonds模型[3]和加权组合的Swift-Hockett/Sherby模 型等。研究不考虑温度影响因素，对Johnson-Cook 方程进行了简化，具体表达式参见表1。由于模型 的求解参数比较多，利用MATLAB编程进行求解， 输出不同模型下的拟合外推结果。选取较低应变率 (0.1 s–1)和较高应变率(100 s–1)进行对比，结果如图5 所示。 从图5中可以看出，基于不同硬化准则推导的动 态本构模型，在对材料曲线进行拟合外推时，得到 的结果也不同。Swift-Hockett/Sherby模型引入了加权系数α，可以通过调整加权系数来获得与实验更加匹 配、合理的外推曲线。 为了准确选择适应于材料的塑性硬化曲线，通 过LS_DYNA软件对实验材料进行有限元模拟仿真分 析，构建高速拉伸试样的网格模型，参照实验条件固 定一端，在另一端定义拉伸载荷输出，将不同本构模 型外推曲线作为材料卡片输入，加载拉伸速度曲线， 模拟试样测试过程，获得模拟的力和位移曲线，与实 际测量的曲线进行比对，为加权系数调整提供方向。

图6为由不同本构模型仿真得到的工程应力-应 变曲线，可以看出Swift-Hockett/Sherby模型得到的仿 真对标效果与实验数据高度重合。(1) 随着应变率的提高，MS1180的屈服强度和 抗拉强度也随之提升，应力水平与应变速率表现为 正相关性。(2) 使用加权组合的Swift-Hockett/Sherby模型进 行数据拟合外推，通过加权系数的优化，更加准确 的描述材料在不同应变速率下的动态力学性能。

来源：金属世界