高新華， 李 軍， 陳云霞

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.奇瑞汽車有限公司 汽車工程研究總院，安徽 蕪湖 241009）

目前汽車行業(yè)應(yīng)用的汽車鋼板材料標(biāo)準(zhǔn)來源不同，鋼板性能所規(guī)定的樣件尺寸與對應(yīng)的標(biāo)距也不同，常用的鋼板試樣分為比例試樣和非比例試樣（定標(biāo)距試樣）2類。比例試樣所測得材料塑性指標(biāo)具有可比性，但試樣尺寸和規(guī)格多，造成試樣加工及試驗效率低；非比例試樣可克服上述缺點(diǎn)，但用它測定斷后伸長率時只能與同種試樣進(jìn)行比較，喪失了廣泛的可比性。

斷后伸長率是金屬材料的重要力學(xué)性能塑性指標(biāo)之一，通常與試樣的標(biāo)距有關(guān)，相同狀態(tài)的材料，其試樣的標(biāo)距不同，所測定的斷后伸長率也不同。因此，對相同狀態(tài)的汽車鋼板材料，只有標(biāo)距相同時，所測定的斷后伸長率才具有可比性［1］。不同標(biāo)距下的斷后伸長率，可采用不同的方法進(jìn)行處理［2－5］。文獻(xiàn)［2］提出了伸長率換算公式；文獻(xiàn)［3］討論了伸長率換算公式在實際應(yīng)用中的方便性和可行性，并就應(yīng)用中的誤差進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［4］分析了金屬力學(xué)性能試樣的變形過程，根據(jù)金屬材料均勻塑性變形階段單位長度塑性伸長相同，以及頸縮變形只在局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生的規(guī)律，建立了一種用標(biāo)距小于標(biāo)準(zhǔn)比例試樣標(biāo)距的非標(biāo)準(zhǔn)試樣，獲得相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)比例試樣斷后伸長率的方法，雖然文中通過試驗驗證了該方法測得的斷后伸長率與文獻(xiàn)［1］規(guī)定的方法測得的斷后伸長率相吻合，但計算和處理比標(biāo)準(zhǔn)中的方法稍顯復(fù)雜，通用性也稍差。

文獻(xiàn)［5］基于試驗數(shù)據(jù)，對板式、棒式和管式試樣的試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，研究了某些材料伸長率與標(biāo)距之間的關(guān)系，提出了材料伸長率與試樣標(biāo)距長度之間的經(jīng)驗關(guān)系，所得經(jīng)驗關(guān)系不具有一般性，難以供實際采納和應(yīng)用。文獻(xiàn)［6］建立了不確定度計算的數(shù)學(xué)模型，確定了影響試驗結(jié)果的各項因素。

本文通過試驗研究測試標(biāo)距對汽車用熱軋鋼板的塑性和強(qiáng)度指標(biāo)以及應(yīng)力應(yīng)變曲線軌跡的影響，為汽車設(shè)計用熱軋鋼板的材料選擇、CAE分析及產(chǎn)品可靠性的提高以及今后熱軋鋼板相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立提供了參考依據(jù)，避免設(shè)計與分析中的盲目性。

為使不同標(biāo)距下的斷后伸長率具有可比性，本文將不同標(biāo)距下的斷后伸長率換算成同一標(biāo)距下的斷后伸長率，并通過試驗驗證。對汽車用熱軋鋼板而言，換算方法的可行性、換算結(jié)果的誤差在允許的范圍之內(nèi)。

1 斷后伸長率換算的方法

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣斷后的伸長量ΔL等于均勻伸長ΔLb與集中伸長 ΔLu之和［7－8］，即

均勻伸長量ΔLb與標(biāo)距L0成正比，即

其中，β為與材料有關(guān)的常數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)求得。

集中伸長ΔLu與試樣原始截面積S0的平方根成正比，即

其中，γ為與材料有關(guān)的常數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)求得。

由 （1）～（3）式得：

應(yīng)用較為廣泛的斷后伸長率A的計算公式［2－3］為：

其中，α為常數(shù)；S0為試樣原始橫截面積；L0為試樣原始標(biāo)距；m為伸長率換算系數(shù)，與材料性能因素有關(guān)，一般通過對大量的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后獲得。

其中，對于熱軋鋼板和低合金鋼，m＝0.4。文獻(xiàn)［9］對斷后伸長率的預(yù)測也采用了該數(shù)值。

利用（7）式，不同標(biāo)距下的斷后伸長率可換算到同一標(biāo)距下，從而可解決使用汽車用熱軋鋼板時，比例試樣的斷后伸長率與非比例試樣的斷后伸長率的不可比問題。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本文測試的材料熱軋酸洗板為：SAPH370／1.8／2.2／2.5、SAPH440／2.3、SPHC／3.0、SPHE／1.8，是目前汽車行業(yè)普遍采用的材料。

2.2 試驗方法

試驗在CMT－5205萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率數(shù)值采用文獻(xiàn)［1］，同時采集準(zhǔn)靜態(tài)下的載荷、橫向和縱向位移數(shù)據(jù)。r、n值的測定分別采用文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 斷后伸長率換算

80mm標(biāo)距的熱軋酸洗板，斷后伸長率試驗實測值和理論值比較如圖1所示，由圖1可知，實測值略低于理論值，但基本相符。用其他標(biāo)距的熱軋酸洗板，可得到類似結(jié)論。兩者間的誤差主要是由材料誤差、測量誤差和（7）式引起的。但總體來說，對汽車用熱軋鋼板，用 （7）式將不同標(biāo)距下的斷后伸長率換算到同一標(biāo)距下，以便對不同標(biāo)距下的斷后伸長率進(jìn)行比較，是可行的。

試驗結(jié)果表明：（7）式所建立的斷后伸長率與標(biāo)距之間的定量換算關(guān)系，可以用來衡量相同狀態(tài)的汽車用熱軋鋼板是否滿足設(shè)計使用要求，具有現(xiàn)實的工程意義；標(biāo)距不同的相同狀態(tài)的汽車用熱軋鋼板，其斷后伸長率是不同的。

圖1 斷后伸長率的理論值與實測值比較

3.2 抗拉強(qiáng)度

試驗用幾種熱軋鋼板，在不同標(biāo)距下測量的抗拉強(qiáng)度比較如圖2所示。

由圖2可知，除SAPH440／2.3外，50mm 標(biāo)距的抗拉強(qiáng)度均高于80mm標(biāo)距的抗拉強(qiáng)度，但相差不大。一般來說，樣件的規(guī)格不會對材料的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因強(qiáng)度是由其化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)決定的［7］，對熱軋鋼板試件抗拉強(qiáng)度的影響也不會很大。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生一方面是由材料抗拉強(qiáng)度的隨機(jī)性造成的；另一方面更可能是由于樣件加工時，表面線切割加工存在一定的缺陷造成的。50mm標(biāo)距和80mm標(biāo)距試樣的寬度分別為25mm和20mm，當(dāng)線切割斷面缺陷寬度一致時，樣件越寬，影響越小，所以50mm標(biāo)距試驗測量值略高。

試驗結(jié)果表明，標(biāo)距對熱軋鋼板抗拉強(qiáng)度的影響微乎其微，可以忽略。即在實際應(yīng)用中，不需要考慮標(biāo)距對熱軋鋼板抗拉強(qiáng)度的影響。

圖2 不同標(biāo)距下熱軋鋼板的抗拉強(qiáng)度

3.3 力學(xué)性能指標(biāo)

在金屬單向拉伸測試中，衡量板材成形性的指標(biāo)主要有斷后伸長率A、塑性應(yīng)變比r、加工硬化指數(shù)n。不同的測試標(biāo)距下，測試的熱軋鋼板試件的A、r、n值見表1所列。

由表1可知，80mm標(biāo)距的斷后伸長率比50mm標(biāo)距的斷面伸長率低15%～20%；80mm標(biāo)距的r值大，接近50mm標(biāo)距r值的2倍，而80mm標(biāo)距的n值小13%～25%。多次試驗結(jié)果表明，標(biāo)距對熱軋鋼板A、r、n值有影響，此影響不容忽略。

幾種材料在50mm和80mm標(biāo)距下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，真實應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖3可知，2種標(biāo)距下的測試結(jié)果反映在工程應(yīng)力應(yīng)變曲線上有較大的差異。50mm標(biāo)距的均勻伸長率、斷后總伸長率等塑性指標(biāo)都明顯大于80mm標(biāo)距相應(yīng)的值。

表1 不同標(biāo)距下鋼板的A、r、n的測試值

圖3 幾種材料50mm和80mm標(biāo)距下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖4可知，在塑性變形初始階段，采用80mm標(biāo)距對應(yīng)的真應(yīng)力值比50mm標(biāo)距的大，在相同變形量時能吸收更多的能量。但是，由于50mm標(biāo)距試樣有更大的硬化指數(shù)，其真應(yīng)力增加速率快，這與試驗測得的n值較大一致。隨著應(yīng)變的增加，50mm標(biāo)距的真應(yīng)力逐漸超過80mm標(biāo)距，在某一應(yīng)變值處兩者的真應(yīng)力值相同。

圖4 幾種材料50mm和80mm標(biāo)距下的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

在真應(yīng)力應(yīng)變曲線的末端，50mm標(biāo)距的斜率更大，這與試驗測得的n值較大一致。當(dāng)以末端斜率來擬合緊縮階段真應(yīng)力時，會得到偏大的真應(yīng)力值。不同的曲線對于以吸收能量大小為主要考核指標(biāo)的碰撞分析來說，會影響失效點(diǎn)的確定，同時也會對零件變形形式的判定產(chǎn)生一定的影響。幾種材料在2種測試標(biāo)距下得到的均勻塑性變形最大真應(yīng)力值與真實應(yīng)變值見表2所列。

由圖3、圖4及表2可知，熱軋鋼板在不同標(biāo)距下，其工程應(yīng)力應(yīng)變曲線、真實應(yīng)力應(yīng)變曲線以及最大真應(yīng)力有很大差異。因此，實際應(yīng)用中，應(yīng)考慮標(biāo)距對材料應(yīng)力應(yīng)變特性的影響。

表2 不同標(biāo)距測真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的最大真應(yīng)力與真應(yīng)變

4 結(jié)束語

對不同標(biāo)距下的汽車用熱軋鋼板樣件，利用簡單的公式，將不同標(biāo)距下的斷后伸長率換算到同一標(biāo)距下，以節(jié)省必要的人力、物力和財力，使不同標(biāo)距下的斷后伸長率具有可比性，結(jié)果表明該方法是可行的，且能夠滿足工程精度要求。標(biāo)距對汽車用熱軋鋼板樣件的抗拉強(qiáng)度基本無影響。汽車用熱軋鋼板樣件的斷后伸長率和n值隨標(biāo)距的增大而減小，r值卻增大。

汽車用熱軋鋼板樣件的變形量、均勻伸長率和斷后總伸長率等塑性指標(biāo)，隨標(biāo)距的減小而增大；不同標(biāo)距的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線有較大的不同，且最大真應(yīng)力和最大真應(yīng)變隨標(biāo)距的減小而增大。

不同標(biāo)距的汽車用熱軋鋼板，在塑性指標(biāo)、應(yīng)力應(yīng)變曲線上存在很大的差異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程允許的誤差范圍。因此，除抗拉強(qiáng)度外，在工程應(yīng)用中，應(yīng)盡可能選用統(tǒng)一規(guī)格的熱軋鋼板，否則，會影響汽車產(chǎn)品的可靠性以及設(shè)計和CAE分析結(jié)果的有效性。對不同標(biāo)距的汽車用熱軋鋼板，應(yīng)通過試驗建立其塑性指標(biāo)等數(shù)據(jù)庫，供設(shè)計和分析參考與使用。

［1］ GB／T 228－2002，金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.

［2］ Oliver D A.Proposed new criteria of ductility from a new law connecting the percentage elongation with size of testpiece［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，1928，115（1）：827－864.

［3］ 葉 姜，劉毅敏.伸長率換算在力學(xué)檢驗中的應(yīng)用［J］.物理測試，2009，27（5）：35－37.

［4］ 王 俊，王玉玲，張 齊，等.用非比例試樣獲取比例試樣斷后伸長率的方法［J］.理化檢驗：物理分冊，2009，45（7）：417－419.

［5］ 張永信，姚永進(jìn).材料伸長率與試樣標(biāo)長之間的關(guān)系［J］.物理測試，2002，20（6）：40－44.

［6］ 孫 嶺，單小鳳，高 波.鋼板斷后伸長率測量不確定度的評定［J］.物理測試，2005，23（1）：1－4.

［7］ 鄭修鱗.材料的力學(xué)性能［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991：45－70.

［8］ 童潔娜，周網(wǎng)才.金屬材料不同標(biāo)距延伸率換算分析［J］.上海冶金高等專科學(xué)校學(xué)報，1999，20（1）：41－44.

［9］ GB／T 17600.1－1998，鋼的伸長率換算 第1部分：碳素鋼和低合金鋼［S］.

［10］ GB／T 5027－2007，金屬材料薄板和薄帶塑性應(yīng)變比（r值）的測定［S］.

［11］ GB／T 5028－2008，金屬材料薄板和薄帶拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）的測定［S］.