Warm deformation and fracture behavior of DP1000 advanced high

strength steel

DP1000先進高強度鋼的溫熱變形和斷裂行為

Onur Çavuşoğlu, Serkan Toros, Hakan Gürün & Ahmet Güral

摘要： 溫度對 DP1000 先進高強度鋼的機械性能和斷裂行為進行了調查，取決于溫度的機械性能由非軸向拉力試驗在 25℃，100℃，200℃，300℃在軋制方向為 0°（軋制方向），45°（對角線方向），90°（橫向）以 0.0083-1 的變形速率，屈服強度和抗拉強度在 25℃和 200℃之間稍微有下降趨勢，最大的數值是在 300℃上達到，溫度上升明顯地影響延伸率數值，而印度系數在 25℃到 100℃隨著溫度變化而增加，在 25℃到 100℃之間，強度系數沒有觀察到效果作用，但是溫度再增加就增加數值。

1  前言

近年來，使用先進高強度鋼制造汽車，材料的輕量化和增加乘坐人員安全性是汽車工業不斷的追求，汽車重量減輕是由于使用厚度較薄的鋼板，先進高強度鋼減少了燃料消耗和碳排放，今天這些材料已經廣泛使用在汽車工業上了，汽車上使用高強度鋼材改善了乘坐人員的安全性[1~4]，下一代中型車的車體結構件含有 20 多種先進高強度類型的鋼材，這些鋼材將在 2015~2010 年期間進行商業化生產，大約 30%以上

是雙相鋼（DP），其強度從 500MPa 上升到 1000MPa[5]。說明了先進高強度 DP 鋼的重要性。DP 鋼是一種低碳鋼，其微觀組織是鐵素體和馬氏體，發生在冷卻過程鋼中的馬氏體相貢獻了鋼的強度，而鋼中鐵素體軟相提供了良好的塑性[5~8]。

拉力試驗廣泛運用于確定金屬材料在各種條件下的機械性能和應變行為，在拉力試驗中得到許多取決于材料的塑性變形條件力學參數等數值[9~11]。已經知道溫度條件對許多金屬材料的機械性能和成形行為產生影響[12~17]。在文獻中，Curtze 團隊研究了 DP600 和 TRIP700 鋼溫度和應變速率的關系[18]；Chen 團隊做了 DP590 鋼在 500~700℃之間的拉力行為模型[19]；Akbarpour 和 Ekrami 分析了高比例貝氏體 DP 鋼溫度和機械性能之間的關系[20~21]；Ozturk 團隊已經識別了 DP600 在溫熱溫度下拉力特性和和回彈行為的關系[22]，Cao 團隊調查了 DP800 商用薄板在-60℃到 100℃和 1x10 -4 到 1x10 2 s -1 應變速率下的機械特性[23]；Queiroz 團隊研究了 DP 鋼的在應變速率 10 -2 到 5x10 -4 s -1 下拉力試驗下的應變時效，試驗溫度范圍在25~600℃[24]；Molaei 和 Ekrami 識別了兩種不同的 DP 鋼分別具有 20%和 28%的馬氏體在 300℃溫度下的應變時效對機械性能的的影響[25]；Sun 團隊分析了 DP 鋼的 DP600，DP780 和 DP980 在拉力負載下斷口組織[26]。

研究這些文獻時候，從調查中看到某些商用和非商用 DP 鋼的機械性能取決于溫度條件，沒有發現對DP1000 鋼的材料研究溫度升高情況下的應變行為。在本文研究中，目標是對 DP1000 的 DP 鋼薄板材料在25℃,100℃,200℃和 300℃溫度下對機械性能和斷裂行為的影響。

2  材料和試驗性研究

2.1 材料

在本研究中，使用 DP1000 先進高強度 1mm 厚度的薄板研究溫度條件對機械性能的影響，表1和表2給出了材料的化學成分和定性的高倍分析結果，此外，圖 1 給出了微觀組織照片。

2.2  試驗研究

試驗在津島（Shimadzu Autograph）100kN試驗機進行，該機帶有數據采集系統，十字頭速度為25mm/min，大致對應試驗所用試樣的 0.0083s -1 的變形速率，試樣加載所用的自動溫度調節記錄保溫箱的溫度精度為±2℃，變形測量使用可視的引伸儀測量系統。

在非軸向拉力試驗中確定機械性能，按照 ASTM E8 制作的拉力試樣在三個不同的方向上進行試驗（軋制方向，與軋制方向呈 45°夾角和橫向），使用的試樣標準尺寸見圖 2 所示。使用水流噴射機切割試樣，備樣工作盡可能減少溫度對試樣的影響，此外，取樣產生的應變造成刻槽則使用拋光方法打磨試樣的邊緣部。

3  結果和討論

3.1  拉力試驗結果

DP1000 各項機械性能取決于溫度的變化，原始的拉力負載和延伸數據轉化為真應力和真應變，詳細地分析機械性能，工程應力和工程塑性應變數據見圖 3~5。

圖 6 表示的是溫度和屈服極限之間的關系，當分析圖 6 時，在所有的沿著軋制方向取樣的試樣在溫度25℃拉力試驗，屈服發生在 713~801MPa 之間，雖然屈服強度在 100~200℃之間在拉力試驗中稍微有點下降，但是隨后開始增加，到 300℃時候達到最大的屈服強度。從室溫到 300℃范圍，屈服強度值是從 737 增加到 777MPa，在與軋制方向呈 45°的試樣屈服強度是從 709 增加到 756MPa，橫向屈服強度從 742 增加到801MPa。這種類似的結果在發表的文獻研究中具有一致的認識，DP 鋼的應變取決于溫度的影響[20~22,24]。

抗拉強度—溫度之間的關系見圖 7，分析圖 7 時候，可見抗拉強度在 25℃到 200℃的范圍內是下降的，然后隨著溫度的上升抗拉強度增加，所有三個方向取得的試樣在溫度為 300℃時候都達到了最大值，在溫度條件下材料的這種行為與 Oztuk 團隊[22]的發現是一致的，這種情況是按照發生動態應變時效考慮的[24~25]，抗拉強度最高數值測量為 1102MPa，這是在橫向試樣得到的，所觀察材料的溫度—抗拉強度和溫度—屈服強度之間的關系是類似的。

取決于溫度的均勻延伸量見圖 8，在 25℃溫度下，材料具有 8~12%的延伸率，對比在 25℃常溫下得到的延伸率，溫度為 100℃和 200℃試驗下其延伸率有±2%的波動。對于所有三個方向上的試樣的延伸率來看，當溫度上升一直到 300℃時，其延伸率數值隨著溫度的上升而增加的。在所有三個方向中的試樣中，發現最好的延伸率為 14.87%，而且在各種溫度條件下，其延伸率的波動變化范圍在一個很小的范圍內。因此，可以確定溫度條件對 DP1000 鋼的延伸行為沒有明顯的影響。在這種情況下，看到 Akbarpour 和 Ekrami研究的 DP 鋼溫度對延伸能力并沒有明顯的影響。

圖 9 表明硬化系數和溫度之間的關系，看到隨著溫度的上升其計算的硬化系數是增加的。在這種情況下，因為 DP1000 在高溫下更加容易實現位錯運動，造成了加工硬化行為。最低的硬化系數數值是軋制方向試樣在 25℃常溫下得到的是 0.102，與軋制方向呈 45°試樣是 0.111，橫向試樣數值是 0.115。在拉力試驗中，最高 300℃溫度條件下，軋制方向試樣最高的硬化系數是 0.182，與軋制方向呈 45°的試樣最高硬化系數為 0.163，橫向試樣最高硬化系數為 0.201。觀察到加工硬化增加對應 DP 鋼相變過程中的動態應變時效的上升，這是由于位錯的產生，在較高溫度變形所致[23~24]，在 Akbarpour 和 Ekrami[20]的研究中也觀察到硬化系數有少量的增加。

圖 10 表明強度系數和溫度之間的關系，在 25℃和 100℃溫度下的強度系數沒有明顯的變化，在 100℃到 300℃之間溫度范圍內，隨著溫度上升強度系數是增加的，橫向試樣的強度系數高于其它兩個方向。

3.2  斷裂行為

鐵素體和馬氏體相的體積分數影響 DP 鋼的斷裂行為[27]，試樣的斷裂表面見圖 11。從圖 11（a，b）看在 25℃和 100℃溫度下的斷口組織是分布均勻細小的韌窩結構，這個結果是與 Sun 團隊[26]的研究是相一致的。所見的斷裂形式是深坑斷裂表面，這是在 100℃溫度條件下得到的，這種組織結構對塑性的增加是有利的。有人認為在這個溫度下并不發生 Cottrell 效應，然而在圖 11（c）中，在 200℃溫度下的斷口的局部區域具有平滑的表面和淺的微小韌窩組織，這種斷口表面指出了材料在這個溫度下較低的塑性，可能的原因是在 200℃下碳元素鎖住了位錯的運動，在低于再結晶溫度下，引起延性比的下降。在圖 11（d）中，在斷口表面微小尺寸的韌窩和大的深韌窩是在 300℃溫度下得到的，這些大而深的韌窩表面材料具有大的多的塑性。這些深韌窩由斷裂之前的微孔洞聚合而產生的，有人認為是較多活躍晶界滑移造成了這些微孔洞的聚合。

4  結論

本研究在 25~300℃溫度下對各個方向的試樣進行拉力試驗，DP1000 鋼的溫度變化對機械性能的影響概況如下。從拉力試驗得到的數據見表 3，材料的屈服強度和抗拉強度在 25℃和 200℃之間隨著溫度升高稍微有所下降，屈服強度和抗拉強度具有類似的行為。溫度的變化造成延伸率波動在 8~14%范圍內，可以確定溫度對延伸率指標沒有明顯的影響。加工硬化系數由于溫度上升而增加，強度系數在 25~100℃溫度范

圍內沒有觀察到變化，在高溫下可以看到增加的變化。總體上看這個結果非常有趣，這是由于在溫熱條件下動態變形時效造成了材料在不同的溫度和不同的軋制位向上呈現出復雜的行為，當 DP1000 溫度和機械性能之間的關系估計出來，對比溫熱條件，材料就可以確定在 25℃室溫條件下合適的成形能力。

致謝

作者感謝尼帶大學在 Onur 博士學習研究期間允許使用金屬成型研究實驗室設備。

公開申明

作者申明報告沒有任何潛在的利益沖突

參考文獻

[1] Kuziak R, Kawalla R, Waengler S. Advanced high strength steels for automotive industry. Arch Civ Mech Eng. 2008;8(1):103–117.

[2] Wang W, Wei X. The effect of martensite volume and distribution on shear fracture propagation of 600–1000 MPa dual phase sheet

steels in the process of deep drawing. Int J Mech Sci. 2013;67:100–107.

[3] Huh H, Kim SB, Song JH, et al. Dynamic tensile characteristics of TRIPtype and DP-type steel sheets for an auto-body. Int J Mech

Sci. 2008;50:918–931.

[4] Kalashami AG, Kermanpur A, Najafizadeh A, et al. Development of a high strength and ductile Nb-bearing dual phase steel by

coldrolling and intercritical annealing of the ferrite martensite microstructures. Mater Sci Eng A. 2016;658:355–366.

[5] Rosenberg G, Sinaiová I, Juhar Ľ. Effect of microstructure on mechanical properties of dual phase steels in the presence of stress concentrators. Mater Sci Eng A. 2013;582:347–358.

[6] Gündüz S, Demir B, Kaçar R. Effect of aging temperature and martensite by volume on strain aging behaviour of dual phase steel.Ironmak Steelmak. 2015;35(1):63–68.

[7] Wu-rong W, Chang-wei H, Zhong-hua Z, et al. The limit drawing ratio and formability prediction of advanced high strength dual-

phase steels. Mater Des. 2011;32:3320–3327.

[8] Bay A, Ray KK, Dwarakadasa ES. Influence of martensite content and morphology on tensile and impact properties of high-

martensite dual-phase steels. Metall Mat Trans A. 1999;30:1993–1202.

[9] Davis J. Tensile testing. 2nd ed. Materials Park, OH: ASM International; 2004.

[10] Çavuşoğlu O, Güral A, Gürün H. Influence of strain rate on tensile properties and fracture behaviour of DP600 and DP780 dual-

phase steels. Ironmak Steelmak. 2016. DOI:10.1080/03019233.2016. 1232911

[11] Ma M, Ding H, Tang Z, et al. Effect of strain rate and temperature on hot workability and flow behaviour of duplex stainless steel.

Ironmak Steelmak. 2016;43(2):88–96.

[12] Dong H, Wang CY, Chen Y, et al. Warm stamping of the 3 rd generation sheet steel for automobiles. Adv Mater Res. 2015;1063:219–

222.

[13] Mori K, Maki S, Tanaka Y. Warm and hot stamping of ultra high tensile strength steel sheets using resistance heating. CIRP Ann

Manufact Technol. 2005;54(1):209–212.

[14] Pei HX, Zhang HL, Wang LX, et al. Tensile behaviour of 316LN stainless steel at elevated temperatures. Mater High Temp.

2014;31 (8):198–203.

[15] Şen N, Karaağaç İ, Kurgan N. Experimental research on warm deep drawing of HC420LA grade sheet material. Int J Adv Manuf

Technol. 2016;87:3359–3371.

[16] Yanagimoto J, Oyamada K, Nakagawa T. Springback of high-strength steel after hot and warm sheet formings. CIRP Ann Manufact

Technol. 2005;54(1):213–216.

[17] Güler H. Investigation of usibor 1500 formability in a hot forming operation. Mater Sci (Medžiagotyra). 2013;19(2):144–146.

[18] Curtzea S, Kuokkalaa V-T, Hokkaa M, et al. Deformation behavior of TRIP and DP steels in tension at different temperatures over

a wide range of strain rates. Mater Sci Eng A. 2009;507:124–131.

[19] Chen W, Cheng S, Xue L, et al. Modelling of flow stress of dual phase steel under warm tensile deformation. Mater Sc Technol.

2011;27 (6):1002–1006.

[20] Akbarpour MR. Ekrami A. Effect of temperature on flow and work hardening behavior of high bainite dual phase (HBDP) steels.

Mater Sci Eng A. 2008;475:293–298.

[21] Ekrami A. High temperature mechanical properties of dual phase steels. Mater Lett. 2005;59:2070–2074.

[22] Ozturk F, Toros S, Kilic S. Tensile and spring-back behavior of DP600 advanced high strength steel at warm temperatures. J Iron

Steel Res Int. 2009;16(8):41–46.

[23] Cao Y, Ahlström J, Karlsson B. The influence of temperatures and strain rates on the mechanical behavior of dual phase steel in

different conditions. J Mater Res Technol. 2015;4(1):68–74.

[24] Queiroz RRU, Cunha FGG, Gonzalez BM. Study of dynamic strain aging in dual phase steel. Mater Sci Eng A. 2012;543:84–87.

[25] Molaei MJ, Ekrami A. The effect of dynamic strain aging on subsequent mechanical properties of dual-phase steels. J Mater Eng

Perform. 2010;19:607–610.

[26] Sun Y, Li X, Yu X, et al. Fracture morphologies of advanced high strength steel during deformation. Acta Metall Sin (Engl Lett).2014;27:101–106.

[27] Sun X, Choi KS, Soulami A, et al. On key factors influencing ductile fractures of dual phase (DP) steels. Mater Sci Eng A.

2009;526:140–149

唐杰民 2018 年 8 月 27 日翻譯于 IRONMAKING & STEELMAKING 2018, VOL. 45, NO. 7, 618–625

唐工水平有限，文中有不準確之處敬請指正。