先进高强钢的碰撞安全行为研究

王秋雨，徐 宽，吕 浩，刘淑影，张赛娟

(唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山 063000)

目前国内外专家学者已对AHSS的轧制、成形性能等准静态行为做了深入透彻的研究，但碰撞安全行为研究相对较少。汽车在碰撞时材料的变形速率一般为5 ～15 m/s，先进高强钢的强度随应变速率增加而增大，材料通过自身的塑性变形吸收碰撞时的巨大能量，从而保护成员舱的安全。目前用于表征材料动态性能的实验主要有高速拉伸和梁结构的高速压溃实验。本文将利用高速落锤实验机，研究材料性能、显微组织等对先进高强钢(AHSS)材料的动态吸能性能的影响，并进行定量的评价，为后续汽车设计选材提供数据支撑。

1.1 材料及性能

选取HC340/590DP、HC420/780DP、HC420/780DP、HC550/980DP、HC600/980QP、HC700/DP980、HC820/1180DP七种典型的连退板高强钢材料，1～6号材料为双相钢，7号材料为QP钢，材料的成分如表1所示。

表1 实验材料的化学成分 单位：%

根据GB/T228.1-2010标准对每种材料进行轴向方向单轴准静态拉伸试验[1]，确定每种材料的屈服强度、拉伸强度和延伸率等力学性能，试样标准标距长度为80 mm，每种材料进行三次检测，取平均值，检测结果如表2所示。材料的屈服强度(397～850 MPa)、抗拉强度(661～1253 MPa)、均匀延伸率(6.0%～16.5%)和总延伸率(10%～25%)。本次试验材料性能选择广泛，更有助于评判材料的抗压溃性能与材料性能之间的量化关系。

表2 实验材料的基础力学性能

1.2 帽型梁高速落锤实验

垂直压溃实验主要反映汽车正向碰撞时前纵梁等部件的压溃受力情况。根据J0709-2013《汽车典型结构件的压溃吸能方法》[2]标准制定帽型梁的试样，如图1所示，横截面为一典型的六面形结构，两帽型件采用点焊方式连接，根据材料厚度设定焊接力和焊接时间。焊接电流从8 kA调整到10 kA，保证焊点直径约为10 mm。将试样焊接在工作台面上，锤头底部装有压电式力传感器，试验过程中采集压电信号，以测量锤头受力情况，试样顶部装有位移传感器，记录试样的位移，同时利用高速摄像机观察整个压溃过程中试样的变形情况。垂直压溃实验和三点弯曲实验参数设置如表3所示。

图1 帽型梁试样尺寸及实验前图片

表3 压溃实验的参数设置

对所研究的7种材料进行垂直压溃碰撞实验，每个试样至少重复三次，且保证三次试样均产生稳定的折叠压溃，试验后的试样如图2所示，试验结果汇总如表4所示。

HC340/590DP HC420/780DP HC500/780DP HC550/980DP

表4 垂直压溃实验结果

帽型梁的压溃吸能与截面尺寸、材料厚度和性能有着密不可分的关系。目前评价材料压溃吸能的主要参数有压溃位移Dmax、平均碰撞力Fave。在截面形状一定的情况下，普遍认为材料厚度和性能是决定材料碰撞性能的关键因素，Abramowicz和Wierzbicki[3]研究表明在同种材料下，帽型梁的平均碰撞力与t1.6成正比，Bouaziz[4]等人研究表明在相同厚度下，材料的平均碰撞力与σs1/2成正比。材料在高速落锤压溃过程中首先发生塑性变形产生加工硬化，当材料受到的应力大于抗拉强度时，材料发生开裂。前人只考虑到材料的压溃性能与材料的屈服强度、厚度的关系，却忽略了加工硬化对碰撞吸能的影响。在通常条件下，一般采用屈强比评价材料的加工硬化水平。

根据表4的实验结果，在吸能一定的条件下，采用多项式拟合寻找材料的屈服强度、屈强比、厚度与碰撞性能的定量关系。对上述7种材料的实验数据进行拟合，如图3所示。平均碰撞力Fave与(t2)×(σs0.73)×σs/σb)-0.91拟合的方差R2为0.970。从拟合结果来看，引入屈强比后，材料的碰撞吸能性能更依赖于材料的厚度，而非材料性能，这可能是因为之前的研究中的材料都是780 MPa或更低的高强钢。

图3 平均碰撞力与材料性能的拟合关系注：Fave为平均碰撞力，t为厚度，σs为屈服强度，σs/σb为屈强比

根据图3绘制平均碰撞力与材料性能、厚度关系的轮廓图，如图4所示。每条曲线代表一组数值相同的平均碰撞力，1～7分别代表所研究的7种材料。图4中曲线A代表平均碰撞力为129.1kN，达到相同的平均碰撞力时，HC340/590DP的厚度为1.6 mm，如A点所示， HC420/780DP的厚度为1.5 mm，如B点所示，HC550/980DP的厚度为1.4 mm，如C点所示， HC600/980QP的厚度为1.39 mm，如D点所示，HC820/1180DP的厚度为1.3 mm，如E点所示。因此，若原始材料为HC340/590DP-1.6 mm，若采用材料HC550/980DP-1.4 mm可以减重12.5%，若选用HC820/1180DP-1.3 mm可减重17.5%。

图4 垂直压溃吸能性能的等势线注：1、2、3、4、5、6、7 分别代表 HC340/590DP、HC420/780DP、HC500/780DP、HC550/980DP、HC700/980DP、HC600/980QP、HC820/1180DP

从图4可以看出，随厚度的增加，等趋势线的间隙在减小，因此厚材料的减重更为明显。HC550/980DP(材料4)垂直压溃性能要优于HC700/980DP(材料5)，这是因为HC700/980DP的屈服强度高于HC550/980DP，但二者抗拉强度相近，因此HC700/980DP的屈强比较低，由此可见，单单提高屈服强度不仅不会引起垂直压溃位移的升高，反而会降低。

对研究的7种材料在500倍下进行组织观察，观察方向为轧制方向，如图5所示，其中HC340/590DP、HC420/780DP、HC500/780DP、HC500/980DP、HC700/980DP均为双相钢，组织为铁素体和马氏体双相组成，HC340/590DP的成分体系为C-Si-Mn，如表1所示，其他DP钢均在C-Si-Mn基础上添加不等量的Ti、Cr、Mo、Nb等合金元素，起到固溶强化和第二相粒子强化的作用。随强度的增加，材料中的马氏体含量增加，而基体铁素体含量降低。马氏体为过饱和的碳化物，晶粒内部大量位错交错盘集，变形变得异常困难，因此马氏体含量越高，材料发生塑性变形时所需要的能量越多，碰撞吸能效果越好。QP钢为淬火配分钢，组织为马氏体、贝氏体和少量的残余奥氏体，在变形过程中，马氏体组织保证了钢的强度，残余奥氏体向马氏体转变的同时发生塑形变形，从而吸收碰撞中的大部分能量。

HC340/590DP HC420/780DP

本文研究了7种典型先进高强钢高速垂直落锤压溃试验，以量化阐明影响汽车结构耐撞性的材料性能参数，为新车型的选材和轻量化提供数据支撑。

(1)采用垂直碰撞试验研究了汽车零部件在碰撞中的受力情况，首次用屈服比来表征材料的碰撞特性。试验结果表明，屈服强度、屈服比和厚度是影响碰撞吸能的关键因素，其中厚度起关键性作用，并得到了定量的经验公式。

(2)从等趋势图可以看出，应用高强度钢是减轻重量的有效方法，特别是对于材料较厚的零件。

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