汽车用钢需求高速增长的同时向着高强度化发展，钢在高应变速率条件下的力学性能及变形行为与静态条件下相比具有显著的区别。本文通过高速拉伸试验，分别研究了DP780双相钢和DC53D ZF钢的高应变速率行为，分析了应变速率对力学性能、组织变形的影响，并建立了相应的本构方程。根据获得的本构方程，对DC53D ZF钢板的矩形梁碰撞进行模拟计算。结果表明碰撞过程中应变速率的影响较大，采用所推导的J-C模型的仿真结果与通过试验获得的材料真应力应变曲线的计算结果最为接近。以980MPa级Nb微合金化（C-Si-Mn-Cr-Nb）冷轧超高强双相钢为例，分析了Nb析出历程及相应粒子形貌，可以通过在不同冶金工艺阶段的析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布。

   2000年以来，中国汽车产量高速增长。据统计，2014年中国汽车产量达2372万辆，同比增长7.3%。在未来十几年，中国将加快城镇化建设，对汽车和交通将形成巨大需求。若按年增长率5%预测，2020年中国汽车产量将达到3100万辆，见图1。然而，在汽车发展的同时也面临安全、环境、能源、资源及成本等一系列问题，汽车钢板向高强度化发展已成为必然趋势。国内外相继研发了双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）、孪晶诱导塑性钢（TWIP钢）、马氏体钢（M钢）以及淬火配分钢（Q·P钢）、热冲压成形钢（HF钢）等新一代汽车用先进高强钢。其中，DP钢以其低屈强比、高初始加工硬化速率、良好强度和延性的配合等优点，在现代汽车用钢中占绝对优势。近年来，有大量学者研究了汽车用高强钢的生产工艺、微观组织、成形性能等，而对高应变速率行为及纳米析出特征的研究相对较少。汽车用钢的高应变速率行为关系汽车行驶碰撞安全性能评价问题，而钢中纳米粒子的析出特征则关系钢的成分与组织结构设计及强化机理问题。

   1冷轧高强汽车板的高应变速率行为

   汽车车身部件冲压成形过程的应变速率约在10^-1-10s^-1之间，而一般交通事故中汽车结构件的应变速率在10¹-10³s^-1左右，并且材料在高应变速率条件下的力学性能及变形行为与静态条件下相比具有显著的区别。因此，研究汽车用钢板在高应变速率下的变形行为，对于分析和保障汽车的安全性尤为重要。针对先进汽车用钢板高应变速率下的变形行为，现阶段还没有一个统一的试验标准和试验方法。目前国内外对汽车用先进高强钢高速变形行为的试验研究主要集中在DP钢及TRIP钢的动态变形行为。在国外，S. Curt ze、HoonHua等人在不同温度及不同速率下针对TRIP钢、DP钢的变形行为进行了相关研究。由于我国先进汽车用钢的研制和开发相对较晚，相关试验设备少，因此现阶段国内对先进汽车用钢的动态变形行为的研究相对较少。国内近年也有结合SEM、TEM，利用霍普金森拉杆技术等手段研究冷轧高强DP钢动态拉伸性能及变形行为的影响、组织演变及与外界载荷冲击速率相关的本构模型等。

   1.1 DP780双相钢

   本 文 采 用ZWICK HTM5020高速拉伸试验机研究了不同应变速率下DP780钢的力学性能。图2测试分析了不同应变速率下DP780钢的强度。在低应变速率（0.001-0.067s^-1）条件下，随应变速率增加，屈服强度及抗拉强度均未见明显变化。这表明，在该应变速率范围内，DP780钢的强度对应变速率变化不敏感。应变速率增加至1s^-1之后，屈服强度存在明显增加的趋势，提高幅度随应变速率的增加而增大；抗拉强度在应变速率1-500s^-1范围内提高的幅度较小，但应变速率达到1000s^-1后，急剧升高。采用Fer et比率来描述变形对组织的影响，Fer et比是指沿拉伸方向和垂直于拉伸方向上测得的晶粒尺寸的比值。沿拉伸方向切样，界面磨抛侵蚀后用光学显微镜观察距断口尖端每2mm间隔的组织，并用Imagetool软件统计铁素体晶粒的尺寸，进而得到Fer et比率。图3为DP钢在不同应变速率下的Fer et比率结果。随着断口距离的减小，Fer et比率的非线性增加，说明应变速率效应不是均匀分布在DP钢全部塑性变形区间。应变速率较高时，试样的平均Fer et比率高于相应位置较低应变速率的，说明其组织变形程度大。

   1.2 DC53D ZF钢

   本文还研究了DC53D ZF钢板的高应变速率行为。通过万能材料试验机进行准静态拉伸，准静态拉伸速度为0.02mm/s。高速拉伸试验采用Instr on液压伺服高速拉伸试验机，拉伸速度分别为：0.2m/s、1.4m/s、2.8m/s、5.8m/s、14.0 m/s，对应的平均应变速率分别为8.3s^-1、47.6s^-1、132.6s^-1、189.6s^-1、589.0s^-1。高速拉伸下的试验结果如图4所示。可以看出：随着拉伸速度的提高，应力增大明显。

   先进高强钢板高应变速率下的变形行为是其重要特性之一，这是因为其多用于汽车的易冲撞部位。新一代汽车用先进高强钢板的高速变形行为包括屈服应力、流动应力的应变速率效应、温度效应及应变速率的历史效应等。因此描述高速变形条件下的塑性本构方程应包括应变速率、温度、变形历史（包括应变和应变速率历史）等，从而能综合描述各种时效以及有限变形效应，但目前还没有一个本构方程能够概括这些效应。由于在本文针对汽车用钢高速碰撞的过程，一般在常温下完成，温度的影响相对较小。在模型的推导过程中，温度项不进行考虑，这也是常用汽车碰撞相关软件在应用该模型时所采用的简化的J-C模型。通过参数的推导，获得材料的J-C模型为

   σ=（198 391ε0.39）（1 0.028l nε^·）

   σ-有效应力，MPa；ε-有效塑性应变； ε^·-应变，s^-1。

   图5为J-C模型拟合的结果与试验值对比，可以看出该模型较准确，证明了所推导的材料J-C模型的准确性，汽车用钢客户在高速碰撞数值模拟中可以直接使用，同时也为汽车碰撞的计算提供了理论及应用参考。

   2冷轧高强汽车板的碰撞性能

   汽车的安全性是汽车厂商、消费者、政府部门高度关注的问题。我国已建立汽车正面碰撞、侧面碰撞，以及后碰撞三位一体的汽车碰撞国家强制性标准体系。汽车碰撞数值模拟是一个在虚拟环境下的针对破坏性汽车碰撞测试的计算机模拟，以研究汽车和乘员安全水平。汽车制造商在新车型

   的设计研发阶段，待用汽车碰撞仿真完成新车的防撞性能分析。在碰撞之前，汽车的动能，经过碰撞过程，通过车身的变形吸能，转化成碰撞后的塑性变形能。材料在高应变速率条件下的试验数据对汽车结构碰撞的仿真计算显得尤为重要。

   对DC53D ZF钢板的矩形梁碰撞进行模拟计算。加载方式为一端固定，另一端接受负载为800kg、速度为60km/ h的刚性墙撞击，物理时间为10ms，求解器采用LSDYNA971。针对采用J-C模型所做的数值模拟，提取应变及应变速率的结果云图。随着撞击时间的推进，应变逐渐增大，在矩形梁的角部应变较大，在10ms时刻，最大应变为0.6左右。在整个碰撞过程中矩形梁的角部应变速率较大，图6为提取A、B、C三点的应变速率随时间的变化曲线。在整个矩形梁的碰撞过程中，应变速率波动较大，三点的最高应变速率分别为：62s^-1、134s^-1、218s^-1。三点在40-200s^-1范围内的时间较长，说明碰撞过程中应变速率的影响较大。

   在计算过程中分别采用四种本构模型进行模拟分析，分别是不考虑应变速率影响（ISR）、Cowper-Symonds模型（C-S）、Johnson-Cook模型（J-C）、实际试验曲线（Exp）同时完成多种本构模型下的矩形梁碰撞仿真。由结果得到：在采用所推导的J-C模型的仿真结果与通过试验获得的材料真应力应变曲线的计算结果最为接近，证明了所推导的材料J-C模型的准确性，汽车用钢客户在高速碰撞仿真分析

   中可以直接使用。

   3冷轧高强汽车板的纳米析出特征

   可以通过在不同冶金工艺阶段的析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布。以980MPa级Nb微合金化（C-Si-Mn-Cr-Nb）冷轧超高强双相钢为例，分析Nb析出历程及相应的粒子形貌，如图7所示。大尺寸（80-120nm）Nb（C,N）在连铸、冷却、均热及热连轧过程中在奥氏体（γ）相中静态析出，此外，在进一步热连轧、层流冷却和卷取过程中通过形变诱导和铁素体（α）相析出小尺寸（＜20nm）的（Nb,Cr）（C,N）。冷轧过程析出粒子的形貌和数量没有变化。在连续退火加热过程中，发生α相析出，加热至两相区保温，并在随后的缓冷和快冷过程中发生α γ相析出。α相析出粒子尺寸小于5nm，经EDX分析以上粒子均属于（Nb,Cr）（C,N），数量较多，γ相析出粒子略大，约为5-25nm，由于奥氏体内粒子长大动力高，发生Ost wal d熟化，因而尺寸大、数量少。采用X射线小角度散射法对析出粒子的粒度进行分析，其中放射源为Co（Ka），试验条件为35kV-20mA，如图8所示。f（D）为粒子质量分数/粒径间隔。针对DP980钢（C-Si-Mn-Cr-Nb），析出粒子频度峰值为1-5nm，主要析出集中在10nm以下。

   4结论

   1）应变速率对塑性变形阶段的影响显著，且应变速率效应不是均匀分布在双相钢塑性变形区间。应变速率较高时，试样的平均Fer et比率高于相应位置较低应变速率的该指标；

   2）应变速率对高速碰撞过程的影响显著，采用推导的J-C本构模型的计算结果与通

   过试验获得的材料曲线的计算结果最为接近；3）可以通过在不同冶金工艺阶段的粒子析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布，这对汽车用高强钢的强化机制，以及钢的成分、组织及工艺优化设计与控制发挥重要作用。 （康永林李声慈 朱国明）

   的设计研发阶段，待用汽车碰撞仿真完成新车的防撞性能分析。在碰撞之前，汽车的动能，经过碰撞过程，通过车身的变形吸能，转化成碰撞后的塑性变形能。材料在高应变速率条件下的试验数据对汽车结构碰撞的仿真计算显得尤为重要。

   对DC53D ZF钢板的矩形梁碰撞进行模拟计算。加载方式为一端固定，另一端接受负载为800kg、速度为60km/ h的刚性墙撞击，物理时间为10ms，求解器采用LSDYNA971。针对采用J-C模型所做的数值模拟，提取应变及应变速率的结果云图。随着撞击时间的推进，应变逐渐增大，在矩形梁的角部应变较大，在10ms时刻，最大应变为0.6左右。在整个碰撞过程中矩形梁的角部应变速率较大，图6为提取A、B、C三点的应变速率随时间的变化曲线。在整个矩形梁的碰撞过程中，应变速率波动较大，三点的最高应变速率分别为：62s^-1、134s^-1、218s^-1。三点在40-200s^-1范围内的时间较长，说明碰撞过程中应变速率的影响较大。

   在计算过程中分别采用四种本构模型进行模拟分析，分别是不考虑应变速率影响（ISR）、Cowper-Symonds模型（C-S）、Johnson-Cook模型（J-C）、实际试验曲线（Exp）同时完成多种本构模型下的矩形梁碰撞仿真。由结果得到：在采用所推导的J-C模型的仿真结果与通过试验获得的材料真应力应变曲线的计算结果最为接近，证明了所推导的材料J-C模型的准确性，汽车用钢客户在高速碰撞仿真分析

   中可以直接使用。

   3冷轧高强汽车板的纳米析出特征

   可以通过在不同冶金工艺阶段的析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布。以980MPa级Nb微合金化（C-Si-Mn-Cr-Nb）冷轧超高强双相钢为例，分析Nb析出历程及相应的粒子形貌，如图7所示。大尺寸（80-120nm）Nb（C,N）在连铸、冷却、均热及热连轧过程中在奥氏体（γ）相中静态析出，此外，在进一步热连轧、层流冷却和卷取过程中通过形变诱导和铁素体（α）相析出小尺寸（＜20nm）的（Nb,Cr）（C,N）。冷轧过程析出粒子的形貌和数量没有变化。在连续退火加热过程中，发生α相析出，加热至两相区保温，并在随后的缓冷和快冷过程中发生α γ相析出。α相析出粒子尺寸小于5nm，经EDX分析以上粒子均属于（Nb,Cr）（C,N），数量较多，γ相析出粒子略大，约为5-25nm，由于奥氏体内粒子长大动力高，发生Ost wal d熟化，因而尺寸大、数量少。采用X射线小角度散射法对析出粒子的粒度进行分析，其中放射源为Co（Ka），试验条件为35kV-20mA，如图8所示。f（D）为粒子质量分数/粒径间隔。针对DP980钢（C-Si-Mn-Cr-Nb），析出粒子频度峰值为1-5nm，主要析出集中在10nm以下。

   4结论

   1）应变速率对塑性变形阶段的影响显著，且应变速率效应不是均匀分布在双相钢塑性变形区间。应变速率较高时，试样的平均Fer et比率高于相应位置较低应变速率的该指标；

   2）应变速率对高速碰撞过程的影响显著，采用推导的J-C本构模型的计算结果与通

   过试验获得的材料曲线的计算结果最为接近；3）可以通过在不同冶金工艺阶段的粒子析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布，这对汽车用高强钢的强化机制，以及钢的成分、组织及工艺优化设计与控制发挥重要作用。 （康永林李声慈 朱国明）

   的设计研发阶段，待用汽车碰撞仿真完成新车的防撞性能分析。在碰撞之前，汽车的动能，经过碰撞过程，通过车身的变形吸能，转化成碰撞后的塑性变形能。材料在高应变速率条件下的试验数据对汽车结构碰撞的仿真计算显得尤为重要。

   对DC53D ZF钢板的矩形梁碰撞进行模拟计算。加载方式为一端固定，另一端接受负载为800kg、速度为60km/ h的刚性墙撞击，物理时间为10ms，求解器采用LSDYNA971。针对采用J-C模型所做的数值模拟，提取应变及应变速率的结果云图。随着撞击时间的推进，应变逐渐增大，在矩形梁的角部应变较大，在10ms时刻，最大应变为0.6左右。在整个碰撞过程中矩形梁的角部应变速率较大，图6为提取A、B、C三点的应变速率随时间的变化曲线。在整个矩形梁的碰撞过程中，应变速率波动较大，三点的最高应变速率分别为：62s^-1、134s^-1、218s^-1。三点在40-200s^-1范围内的时间较长，说明碰撞过程中应变速率的影响较大。

   在计算过程中分别采用四种本构模型进行模拟分析，分别是不考虑应变速率影响（ISR）、Cowper-Symonds模型（C-S）、Johnson-Cook模型（J-C）、实际试验曲线（Exp）同时完成多种本构模型下的矩形梁碰撞仿真。由结果得到：在采用所推导的J-C模型的仿真结果与通过试验获得的材料真应力应变曲线的计算结果最为接近，证明了所推导的材料J-C模型的准确性，汽车用钢客户在高速碰撞仿真分析

   中可以直接使用。

   3冷轧高强汽车板的纳米析出特征

   可以通过在不同冶金工艺阶段的析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布。以980MPa级Nb微合金化（C-Si-Mn-Cr-Nb）冷轧超高强双相钢为例，分析Nb析出历程及相应的粒子形貌，如图7所示。大尺寸（80-120nm）Nb（C,N）在连铸、冷却、均热及热连轧过程中在奥氏体（γ）相中静态析出，此外，在进一步热连轧、层流冷却和卷取过程中通过形变诱导和铁素体（α）相析出小尺寸（＜20nm）的（Nb,Cr）（C,N）。冷轧过程析出粒子的形貌和数量没有变化。在连续退火加热过程中，发生α相析出，加热至两相区保温，并在随后的缓冷和快冷过程中发生α γ相析出。α相析出粒子尺寸小于5nm，经EDX分析以上粒子均属于（Nb,Cr）（C,N），数量较多，γ相析出粒子略大，约为5-25nm，由于奥氏体内粒子长大动力高，发生Ost wal d熟化，因而尺寸大、数量少。采用X射线小角度散射法对析出粒子的粒度进行分析，其中放射源为Co（Ka），试验条件为35kV-20mA，如图8所示。f（D）为粒子质量分数/粒径间隔。针对DP980钢（C-Si-Mn-Cr-Nb），析出粒子频度峰值为1-5nm，主要析出集中在10nm以下。

   4结论

   1）应变速率对塑性变形阶段的影响显著，且应变速率效应不是均匀分布在双相钢塑性变形区间。应变速率较高时，试样的平均Fer et比率高于相应位置较低应变速率的该指标；

   2）应变速率对高速碰撞过程的影响显著，采用推导的J-C本构模型的计算结果与通

   过试验获得的材料曲线的计算结果最为接近；3）可以通过在不同冶金工艺阶段的粒子析出特征进行相应的工艺控制，以得到目标组织及纳米析出粒子的分布，这对汽车用高强钢的强化机制，以及钢的成分、组织及工艺优化设计与控制发挥重要作用。 （康永林李声慈 朱国明）