超高强度合金钢的力学性能及微观结构表征研究

《International Journal of Impact Engineering》：Research on the Mechanical Properties and Microstructural Characterization of Ultra-High-Strength Alloy Steel

　　

# 摘要

超高强度合金钢因兼具优异的延展性、抗冲击性、高强度和高硬度，被广泛应用于建筑、军事、航空航天及防护结构领域。为了表征G39钢的力学响应并建立材料特有的本构描述，本研究开展了一系列准静态和动态力学试验。本文针对一种新型超高强度合金钢40CrMnSi?Mo（G39），其抗拉强度超过2 GPa，进行了系统的准静态与动态力学测试。研究表征了该钢在高温和高应变率条件下的力学响应，并据此对Johnson-Cook（J-C）本构模型和修正Johnson-Cook（MJC）本构模型进行了标定。通过宏观立体显微镜观察、扫描电子显微镜（SEM）和断口金相分析，在不同加载条件下阐明了导致力学行为变化的机理。将观察到的断口形貌及相关微观组织特征与测得的强度、延展性及断裂行为变化相关联。此外，基于J-C和MJC模型在LS-DYNA中进行了动态压缩数值模拟，对比了两种模型的预测精度。本文系统研究了40CrMnSi?Mo超高强度钢的力学性能和微观组织演变。研究结果为超高强度钢的更广泛应用提供了重要基础，增强了对该钢在不同条件下性能变化的理解，并有助于阐明其潜在的失效机理。

# 引言

近几十年来，AerMet 100、G50和Eglin钢等超高强度合金钢因其兼具高强度、高硬度和高断裂韧性，在航空航天、军事和防护工程结构领域受到了广泛关注。在实际服役中，这些材料经常承受涉及高应变率和高温的复杂载荷条件。由于化学成分和工艺路线的差异，不同钢种的力学响应可能显著不同。40CrMnSi?Mo（G39）钢是一种由35CrMnSiA衍生开发的新型超高强度钢，其力学特性与其他超高强度钢有明显区别。因此，要在涉及冲击的加载条件下应用该钢种，就需要对其力学响应进行系统了解[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。

已有多种本构模型被开发用于描述金属材料的动态响应。Steinberg[7,8]提出了Steinberg（ST）模型以描述金属在高应变率下的响应。Zerilli和Armstrong[[9], [10], [11]]在热激活位错运动框架内为面心立方（FCC）和体心立方（BCC）金属开发了一种基于物理的本构模型。Johnson和Cook[12]基于大量实验数据提出了Johnson-Cook本构模型，该模型同时考虑了塑性应变硬化、应变率硬化和热软化。随后，Johnson和Cook[13]提出了一种伴随J-C本构模型的断裂模型，该模型将材料断裂表征为应力三轴度、温度和应变率的函数。目前，J-C模型仍然是钢铁材料最常用的本构模型之一，并已对多种材料进行了广泛研究[[14], [15], [16]]。

为了改善J-C模型在不同加载条件下的预测能力，人们提出了多种经典J-C公式的修正形式。Meyers[17]将Johnson-Cook模型中的热软化项替换为温度依赖的指数函数。Rule和Jones[18]修改了J-C模型，重点强调了应变率硬化效应，其修正J-C模型被证明可以描述材料在高应变率（10? s?1）下的响应。Lin[19]提出了J-C模型最具影响力的修正之一，用于描述高强度合金钢的流动行为，其方法将热软化参数、应变、应变率和温度之间的耦合效应纳入考量。此外，许多研究对J-C本构模型中的塑性应变硬化、应变率硬化和热软化项进行了修正[[20], [21]]。Shokry等[22]对经典Johnson-Cook模型及其修正形式进行了批判性综述。

J-C模型被广泛用于描述防弹装甲钢在冲击载荷下的力学响应和损伤行为[[23], [24], [25]]。Khare[26]针对装甲钢标定了J-C模型，并将标定参数应用于弹道冲击试验模拟。Shashank Choudhary[4]采用修正J-C模型描述了抗拉强度超过2 GPa的装甲钢力学行为。这些研究表明J-C和MJC模型适用于高强度钢，同时也表明模型参数和预测精度强烈依赖于材料本身。

普遍认为，钢的力学性能和断裂行为强烈依赖于微观组织和化学成分。为了提高强度和断裂韧性，已有大量研究关注马氏体晶界和保留奥氏体层中的碳化物析出[[27], [28], [29]]。然而，这些研究大多主要关注准静态条件。对于装甲应用，G39钢需要在涉及高应变率和高温的恶劣条件下工作。因此，为进一步明确G39钢在复杂环境下的力学响应和损伤特征，需要进一步评估材料在复杂加载条件下的高温性能和抗冲击性能。

G39钢尤其值得关注，因为它将超过2 GPa的强度水平与相对较低的合金含量结合在一起。这一组合使其成为防护结构、装甲系统及其他抗冲击结构体的有前景候选材料。然而，关于G39钢动态力学响应和本构行为的系统研究仍然有限。特别是，由于J-C类模型参数强烈依赖于化学成分、热处理条件和微观组织，为其他超高强度钢开发的本构参数无法直接移植到G39钢上。因此需要进行针对该材料的试验标定和验证。

据此，本研究的主要目标是建立适用于冲击相关数值分析的G39钢动态本构描述，并明确微观组织演变与宏观力学响应之间的关系。为实现这一目标，在不同应变率和温度范围内进行了力学试验，并标定了J-C和MJC模型参数。随后通过将数值模拟结果与动态压缩试验结果进行对比，验证了模型对G39钢动态压缩响应的预测精度。所得材料参数和本构模型为G39钢在冲击相关载荷条件下的后续数值分析提供了材料特定的输入。与此同时，结合宏观断口观察、断口SEM分析和断口附近区域的金相观察，考察了所观察到的微观组织特征与测得的强度、延展性和断裂行为变化之间的对应关系。这些分析为解释G39钢在不同应变率和温度条件下的宏观力学响应提供了微观组织证据。

# 各节摘要

## G39超高强度钢

40CrMnSi?Mo（G39）钢是一种新开发的低合金超高强度钢。G39钢的化学成分如表1所列。40CrMnSi?Mo（G39）钢的抗拉强度超过2 GPa，其断裂韧性通常保持在80 MPa·m1/2以上，硬度约为55 HRC。该钢兼具高强度、良好韧性和耐磨性。

G39钢是作为35CrMnSiA的改进牌号而开发的。除常规热处理工艺路线外——

## G39钢的断裂特征与微观组织演变

为了阐明G39钢力学响应与其微观组织演变之间的关系，采用立体显微镜、SEM断口分析和光学金相方法对不同加载条件下试验的试样断口进行了检查。宏观断口观察使用VHX-J20T超景深三维显微镜进行，如图10(a)所示，配备VH-Z20T镜头，光学放大倍数为20–200×，视场为——

## G39钢的J-C模型参数与断裂参数

J-C模型同时考虑了三种效应，即塑性应变硬化、应变率硬化和热软化，能够有效描述钢的应力-应变响应。它适用于高速冲击载荷下钢材力学行为的分析。本构关系表达为[12]：

$$\sigma_{eq} = (A + B\bar{\varepsilon}_p^n)(1 + C\ln\dot{\varepsilon}^*)(1 - T_m^H)$$

其中A、B和n分别为参考温度下的屈服应力、塑性硬化模量和应变硬化指数——

## G39钢的修正Johnson-Cook模型

修正Johnson-Cook（MJC）模型对原始J-C模型的应变率项进行了修正。修正J-C模型的流动应力由公式(13)给出：

$$\sigma_{eq} = (A + B\bar{\varepsilon}_p^n)(1 + \dot{\varepsilon}^*)^C(1 - T_m^H)$$

绝热加热引起的温升为：

$$\Delta T = \frac{\varepsilon_{eq}}{\chi} \int_0^{\varepsilon_{eq}} \frac{\sigma_{eq} \, d\varepsilon_{eq}}{\rho C_p}$$

其中$\chi$为Taylor-Quinney系数，代表转化为热量的塑性功比例。

MJC断裂准则与传统J-C断裂准则的区别在于应变率项——

## 本构模型的验证

为进一步评估为G39钢标定的本构模型的预测性能，进行了动态压缩试验。此外，通过LS-DYNA数值模拟在相同试验条件下评估并对比了J-C和MJC模型的预测性能。

动态压缩试验采用分离式Hopkinson压杆（SHPB）系统进行。SHPB系统由打击杆、入射杆、透射杆和动量吸收杆组成。

# 结论

本研究针对一种新开发的2 GPa级低合金超高强度G39（40CrMnSi?Mo）钢进行了研究。本文的主要贡献在于建立了适用于冲击防护应用数值分析的动态本构描述，以及明确了微观组织演变与宏观力学响应之间的关系。主要结论如下：

（1）**多条件力学表征与参数标定**：……

# 未引用参考文献

[34]

# CRediT作者贡献声明

刘新：原稿撰写、验证、软件、调研、数据整理。周步奎：审阅与编辑、方法论、经费获取、概念设计。王丽梅：项目管理、调研。毛继泽：审阅与编辑、方法论、概念设计。胡峰：指导、调研。李纯：调研。苏继豪：调研。

刘新 | 周步奎 | 王丽梅 | 毛继泽 | 胡峰 | 李纯 | 苏继豪

哈尔滨工程大学航空与土木工程学院，哈尔滨，150001，中国