S500MC钢动态力学性能试验研究

2024年3月14日发(作者：起亚k2多少钱一辆)

第47卷

Vol.47

第5期

No.5

铁道技术监督

RAILWAYQUALITYCONTROL

检验与认证

INSPECTIONANDCERTIFICATION

S500MC钢动态力学性能试验研究

陈刚，王青权，杜洪军

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

1000/s等4个不同应变率水平的动态拉伸试验，得到不同应变率下的应力-应变曲线，并与其准静态试验

结果进行对比。结果表明：S500MC钢具有较强的应变率效应，延展性随着应变率的增加而提升；Cowper-

Symonds模型可以对各应变率下的屈服强度和拉伸极限进行数值拟合。

关键词：S500MC钢板；动态力学性能试验；应变率效应；Cowper-Symonds模型

文献标识码：A文章编号：1006-9178（2019）05-0027-04

摘要：为了得到S500MC钢的动态力学性能，分别对S500MC钢板样件进行0.1/s，10/s，100/s，

中图分类号：U270.41-34

Abstract：ToobtainthedynamicmechanicalpropertyofS500MCsteel，adynamictensiletestiscarriedouton

enginrisonismadebetweenitandits

yieldstrengthandthelimitintensionforeachstrainrate.

S500MCsteelplatesamplesbasedonsuch4differentstrainratesas0.1/s，10/s，100/sand1000/ore，the

ingtotheresult：S500MCsteelhasastrongerstrainrateeffect，withitsmaterialductil?

per-Symondsmodelcanconductnumericalfittinginviewofthe

Keywords：S500MCSteelPlate；DynamicMechanicalPropertyTest；StrainRateEffect；Cowper-SymondsModel

1概述

目前，世界范围内的轨道交通市场呈现出蓬勃

应变率效应。对于汽车行业而言，一般需要考虑材

料在10

2

/s~10

3

/s应变率区间内的动态力学响应，轨

道交通行业也可借鉴这一经验。

发展的态势，人们对轨道车辆的被动安全、乘坐舒

适度等要求也越来越高。对轨道车辆的被动安全研

究可借鉴汽车行业的经验。在汽车行业中，被动安

全设计主要通过仿真计算模拟、生产试制及整车碰

撞试验来实现。轨道交通行业虽然也大致遵循上述

流程，但因为整车试验造价昂贵，一般不进行整车

级别的碰撞试验，而是用吸能部件的碰撞试验来代

替；同时进行部件级以及整车级别仿真计算模拟。

碰撞吸能仿真计算模拟可以通过Hypermesh等

软件建模，然后使用LS-DYNA等求解器求解。但

为了提升计算模拟的精度，除了要让模型尽量反映

实体情况之外，材料参数也是最关键的参数之一。

在材料参数中，最为重要的就是应力-应变曲线。

在碰撞吸能仿真计算中，使用应力-应变曲线不同

于常规的准静态应力-应变曲线，需要考虑材料的

收稿日期：2019-03-26

作者简介：陈刚，工程师；王青权，高级工程师；

杜洪军，工程师

对于材料动态力学性能测试，根据可达到的应

变率，采用霍普金森杆、气锤、旋转飞轮式拉伸

机、高速拉伸试验机、落锤等测试方法。适用于

10

2

/s~10

3

/s中高应变率区间，且测试准确度比较高

的首推高速拉伸试验机

［1］

。然而，利用高速拉伸

试验机进行测试时，需要解决的问题也是多方面

的，如应变、力值的精确测量、测试过程中噪声的

消除或抑制等。

S500MC为冷成型用高屈服强热连轧钢，准静

态下屈服强度大于500MPa。S500MC既可用于汽

车，也可用在轨道车辆的吸能结构上。文章提供

的解决方案可以比较精确地获得S500MC钢板在

力学响应。

0.1/s，10/s，100/s，1000/s等不同应变率下的动态

2

2.1

试验设备及方案

试验设备

试验机选用ZWICK公司的HTM5020高速拉

·27·

2019年5月（总第391期）

检验与认证S500MC钢动态力学性能试验研究

伸试验机，最大动态载荷为50kN，最大拉伸速度

为20m/s。使用CSI公司提供的非接触式应变测量

系统测量试验过程中样件的应变。试验设备如图1

所示。

（a）HTM5020高速拉伸试验机

（b）CSI非接触应变测量系统

图1试验设备

2.2试验方案

高速拉伸试验遵照ISO26203-2：2011《金属

材料高应变率下的拉伸试验第2部分：液压伺

服与其他测试系统》

［2］

进行。S500MC化学成分见

表1。

表1S500MC化学成分%

≤0.21

C

≤0.30

Si

≤1.50

Mn

≤0.030

S

≤0.025

P

Balance

Fe

·28·

试验样件厚度为3mm，其他尺寸如图2所示。

15

7

1

Φ

60

R

1

12.5

0

30

单位：mm

图2试验样件尺寸

0.1/s

采用图1的试验设备，分别对试验样件进行

的动态拉伸试验。为了保证数据的可重复性，每

，10/s，100/s，1000/s等4个不同应变率水平

个应变率进行

1

5次试验。对于应变率为100/s

导致试验机内部产生较强振荡，直接使用试验机上

000/s的试验，由于试验速度较快，弹性应力波

及

附属的动态荷重传感器读数会有较大噪声，因此，

在图2试验样件长端（长度为60mm一端）粘贴

应变片。在试验过程中通过应变片采集应变，通过

此应变值反推试验载荷。采用这种方式可以大大降

低载荷测量值的噪声。

3试验结果及分析

3.1试验结果

对试验数据进行处理，用试验样件公称截面

面积除以载荷数据得到应力。用处理后的数据绘

图，得到不同应变率下的应力-应变曲线，如图3

所示。

由图3可知，每个应变率下的5次试验重复性

均较好。但当应变率为100/s及1000/s时，应力-

应变曲线出现振荡，且应变率越高，振荡越强烈。

3.2结果分析

为了比较S500MC钢板的应变率效应，进行应

变率为0.01/s的准静态拉伸试验，并将准静态拉伸

试验结果与图3试验结果的平均值绘制在同一坐标

中。S500MC钢板在不同应变率下的应力-应变曲

线如图4所示。

由图4可以看出，S500MC钢板呈现出较明显

的应变率效应。动态拉伸试验中的屈服强度高于准

静态拉伸试验，而且随着应变率的增加，应变强化

现象愈加明显。此外，随着应变率增加，断裂应变

也

S500MC

不断上升。也就是说，在高应变率条件下，

试验中得到验证。然而根据

韧性上升，这一现象也可以从断后伸长率

Symonds

［3］

等人研

究，低碳钢的延展性大多数会随着应变率的增加而

降低，这与文中的研究结论并不一致。分析原因可

铁道技术监督

800

第47卷第5期

应

力

/

M

P

a

400

200

0.00.10.20.30.4

应

力

/

M

P

a

600

800

600

400

200

0.00.10.20.30.4

应变

（a）应变率为0.1/s

应变

（b）应变率为10/s

1000

应

力

/

M

P

a

600

400

200

0.00.10.20.30.4

应

力

/

M

P

a

800

800

600

400

200

0.00.10.20.30.4

应变

应变

（c）应变率为100/s

图3

1000

（d）应变率为1000/s

不同应变率下的应力-应变曲线

数值拟合。常用本构模型包括加工硬化模型、Cow?

工硬化模型表达式为

σ=σ

0

+kε

n

。

应

力

/

M

P

a

800

600

400

200

0.00.10.20.30.4

per-Symonds模型以及Johnson-Cook

［5］

模型等。加

（1）

式（1）中，σ为真应力；σ

0

为屈服强度；k为

指数。

Cowper-Symonds模型的表达式为

1/q

σ

d

?

ε

0

?

=1+

。

σ

0

è

D

?

与材料相关的常数；ε为真应变；n为加工硬化

应变

—准静态；

10/s；

图4

—应变率为0.01/s；—应变率为

—应变率为100/s；—应变率为1000/s

（2）

S500MC钢板在不同应变率下的应力-应变曲线

能因为在拉伸过程中产生的热量，快速传递到试验

件，使试验件温度升高，延展性得到改善。而Sy?

monds等人的研究，完全处于绝热状态，也就是说

式（2）中，

σ

d

0

为应变率为

ε

时的塑性流动应

力；σ

0

为准静态拉伸条件下的塑性流动应力；

ε

为应变率；D，q为与材料相关的常数。

Johnson-Cook模型表达式为

热量没有及时传播，高应变率造成更低的塑性。

Dong

［4］

等人在针对DP600双相钢的研究中也发现

与文中研究类似的现象。

在材料拉伸过程中，加工硬化和塑性流变是相

互竞争的过程，所以也可以认为随着应变率的上

升，塑性流变占据主要地位。

图4中的1000/s应变率下的应力-应变曲线，

尽管经过算术平均，仍然存在较大振荡。为了获得

较为光滑的曲线，可以使用不同的本构模型来进行

?

?

σ=

(

σ

0

+Bε

n

)

?

1+Cln

ε

÷

(

1-T

*m

)

。

（3）

ε

0

?è

式（3）中，σ

0

，B，C为与材料相关的常数；ε为

为应变率；

ε

0

为塑性应变；n为加工硬化指数；

ε

参考应变率；T

*m

为归一化温度。

在上述3个模型中，加工硬化模型未考虑应变

率效应，不适合研究的拟合。Cowper-Symonds与

Johnson-Cook模型都可以用于研究的拟合。但由于

影响，得到室温下Johnson-Cook本构模型。但对

·29·

试验温度不变，均为室温，所以可以不考虑温度的

检验与认证S500MC钢动态力学性能试验研究

于ANSYS的分析而言，形式较为复杂繁琐。故选

择表达形式较为简洁的Cowper-Symonds模型，且

Cowper-Symonds模型可以更方便地与仿真计算软

拉伸极限进行拟合，结果见表2。

表2Cowper-Symonds模型拟合参数

拉伸极限

q

5.680

D

6974208.23

q

4.679

提升。

（3）Cowper-Symonds模型可用于文中试验数

值的拟合。

参考文献

［1］余希同，邱信明．冲击动力学［M］．北京：清华大学出版

社，2011．

［2］金属材料高应变率下的拉伸试验第2部分：液压伺服与

其他测试系统：ISO26203-2：2011［S］.

［3］SymondPS．Surveyofmethodsofanalysisofplasticdeformation

ofEngineeringReport：BU/NSRDC/［R］．1967：1-67.

ofstructuresunderdynamicloading：BrownUniversity，Division

haviorofDP600dualphasesteeljointbylaserwelding［J］．Ma?

terialsScience&EngineeringA，2014（594）：17－25．

alssubjectedtolargestrains，highstrainrates，andhightempera?

（ADPA），1983．

件ANSYS兼容。分别对各应变率下的屈服强度和

屈服强度

D

1733708.16

［4］DongDanyang，LiuYang．Microstructureanddynamictensilebe?

4结论

（1）S500MC具有较强的应变率效应。准静

［5］JohnsonGR，CookWH．Aconstitutivemodelanddataformet?

态拉伸屈服强度为590MPa左右，而在应变率为

1000/s时，屈服强度可达700MPa以上。

（2）S500MC的延展性随着应变率的增加而

tures：Proc．7

th

．Ballistics［C］．Netherlands：

（编辑牛建利）

（上接第20页）

［6］中华人民共和国国务院．铁路安全管理条例：中华人民共和

国国务院第639号令［S］．北京：中华人民共和国国务院，

［7］国家铁路局．铁路产品认证目录：国铁科法〔2014〕30号

［S］．北京：国家铁路局，2014．

［8］中国铁路总公司．中国铁路总公司铁路专用产品认证采信目

铜及铜

录：铁总科信〔2018〕196号［S］．北京：中国铁路总公

司，2018．

2013．

符合性声明：EN1655：［3］欧洲标准化委员会．铜及铜合金

10204：2014［S］．布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，2014．

1997［S］．布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，1997．

2017［S］．北京：中国铁道出版社，2017．

地面设备

［4］国家铁路局．电气化铁路用铜及铜合金接触线：TB/T2809—

［5］国际电工委员会．铁路应用

委员会，2016．

电力牵引

合金沟槽接触线：IEC62917：2016［S］．日内瓦：国际电工

（编辑冯姗姗）

（上接第26页）

成的试验项目全部符合试验大纲

要求。运行性能中的制冷与取暖效果检查试验，

由于气候条件的原因未能进行，将随综合巡检系

统一起在上海局管内衢九线进行。

参考文献

［1］中国铁路总公司．基于160km/h轨道车的高铁设备综合检测

监测分析及运营维护决策系统研究［Z］．北京：中国铁路总

公司，2015．

［2］中国铁道科学研究院集团有限公司．综合巡检车试验简要

报告［Z］．北京：中国铁道科学研究院集团有限公司，

［3］高兴华，苗新芳，王浩．高速综合检测列车的研制［J］．国

外铁道车辆，2012（3）：38-42．

［4］唐磊，袁其刚，王勇涛，等．货运重载铁路综合检测列车的

研制［J］．铁道机车与动车，2016（11）：43—46．

［5］国家铁路局．铁路大型养路机械

25336—2018［S］．

检查与试验方法：GB/T

2018．

4结语

160km/h电传动内燃综合巡检车不仅可以检

测、监测高铁设备设施的异常情况，也能提供设

备设施趋势变化数据，适应性和针对性比较强，

是对高速综合检测车的有益补充。可实现一次出

乘同步完成高速铁路轨道、隧道、接触网、电务

轨旁设备等关键设备设施、沿线动车组地面安全

监测设备状态及重点病害和环境灾害监测设备状

态信息的定位、同步采集和处理，高效指导铁路

基础设备设施养护维修与管理。

·30·

［6］综合巡检车型式试验大纲：GTJ（JL）304-G00-040—2018

［S］．

［7］铁道车辆强度设计及试验鉴定规范：TB/T1335—1996［S］．

［8］铁道车辆冲击试验方法：TB/T2369—2010［S］．

（编辑牛建利）