殘余應(yīng)力對沖壓件質(zhì)量的影響及其控制

本文提及的沖壓工藝，均指金屬板材在常溫下進行的沖壓加工，俗稱冷沖壓。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)提供給下游企業(yè)，用于冷沖壓的基本原材料有兩類，即熱軋金屬板材（簡稱熱板）和冷軋金屬板材（簡稱冷板）。不論冷沖壓零件的形狀怎樣，對于所有金屬板材經(jīng)過冷沖壓加工后，由于金屬組織加工硬化的作用，沖壓件內(nèi)部都會留下殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力分布的不均勻性和殘余應(yīng)力消除速率的不均衡性，嚴(yán)重影響著沖壓零件的精度和使用性能，以至于令沖壓零件不合格甚至報廢。本文闡述了沖壓件殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及消除方法。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

原材料

眾所周知，冷沖壓生產(chǎn)使用的原材料是熱板或冷板。由于金屬軋制成形工序參數(shù)（特別是成形溫度）的不同，使軋制金屬板材的組織和性能產(chǎn)生了明顯的差異。

⑴熱板。以低碳鋼為例，將鋼錠或鋼坯加熱到1100～1250℃進行軋制，終軋溫度和卷曲溫度控制在鋼的再結(jié)晶溫度（通常在730℃）之上，這樣的工藝條件下軋制出來的鋼板，即是熱軋鋼板。

通過熱軋?zhí)幚?，可以破壞鋼錠的鑄造組織，細化鋼材的晶粒，消除顯微組織的缺陷，澆注時形成的氣泡、裂紋和疏松也可在高溫和壓力作用下被焊合，從而使鋼材組織致密，力學(xué)性能得到改善。在軋制過程中，每道/次軋制使鋼板發(fā)生塑性變形，變形使鋼板的金相組織在板厚方向被壓扁、在軋制方向被拉長（和扭曲）。由于鋼板的溫度始終在再結(jié)晶溫度之上，在道/次之間會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。另一方面，如果鋼中細小的碳化物析出，則靜態(tài)再結(jié)晶過程會受到抑制，但它會導(dǎo)致多次熱軋后變形鋼板內(nèi)儲存能的增加和累積，累積到一定程度則會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶過程就是消除扭曲，使晶粒細化的過程。因此，鋼板的熱軋過程就是金屬基體組織被壓扁、拉長、組織再結(jié)晶和晶粒細化的交替過程。由于終軋和卷曲溫度嚴(yán)格控制在金屬的再結(jié)晶溫度之上，所以通常認(rèn)為熱板的金相組織和機械性能是各向同性的，軋制產(chǎn)生在熱板內(nèi)的殘余應(yīng)力可以忽略不計，但是熱板在冷卻過程中伴隨冷卻速度不同而產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力卻不可小視。

⑵冷板。以低碳鋼為例，熱軋鋼卷經(jīng)過酸洗后在金屬的再結(jié)晶溫度以下，進行多次軋制或連軋出來的鋼板稱為冷板。在大多數(shù)情況下，冷軋鋼板要經(jīng)過退火才可以交付給用戶。

由于冷軋鋼板的軋制是在金屬的再結(jié)晶溫度下進行，所以金屬晶粒和組織結(jié)構(gòu)在此過程中都會受到劇烈的彈、塑性變形，晶粒被壓扁、伸長和扭曲、加工硬化嚴(yán)重，其結(jié)果是板材的機械性能具有明顯的各向異性傾向，由于晶粒被壓扁、拉長、破碎，晶格扭曲畸變，金屬的塑性顯著降低，而強度和硬度則明顯升高（此過程亦稱加工硬化），殘余應(yīng)力驟增。為了穩(wěn)定和細化鋼的組織、消除殘余應(yīng)力，防止變形，使組織和化學(xué)成份趨于均勻，消除加工硬化，改善機械性能，恢復(fù)塑性以提高塑性變形的能力，大多數(shù)冷軋板都要有后續(xù)再結(jié)晶退火的過程。經(jīng)過再結(jié)晶退火，加工硬化狀態(tài)和殘余應(yīng)力基本被消除，但材料的各向異性特性（軋制方向和垂直于軋制方向材料特性不同）仍然明顯。因此，在冷板的后續(xù)沖壓加工過程中，會導(dǎo)致材料的變形和抗力的不均勻，而最終在沖壓工件中保留有殘余應(yīng)力。

工藝過程

這里所述的工藝過程是指沖壓工藝過程，包括平面落料沖孔和三維成形，如拉深、彎曲、脹形等。

⑴平面落料與沖孔。金屬板材在平面落料與沖孔過程中，其落料和沖孔輪廓處的金屬板料在板厚方向主要發(fā)生了剪切變形（同時伴隨有彎曲和拉伸），微觀地看，在此過程中首先發(fā)生了材料的彈性變形、接著材料進入塑性變形，最后是材料被剪斷分離。外力通過模具作用的結(jié)果是：工件與基體板材分離，形成內(nèi)外形狀封閉的落料和沖孔輪廓，獲得落料或沖孔工件。剪切變形的主導(dǎo)過程是塑性變形，金屬在斷面上的塑性變形是金屬晶?；坪蛯\生共晶的過程，此過程使落料和沖孔的輪廓斷面上保留了殘余應(yīng)力，如圖1所示。

圖1 平面落料、沖孔件

⑵三維成形。金屬板料在三維成形過程中如圖2所示，在工件上，某些部位的金屬材料參與了（劇烈的塑、彈性）變形，有些部位的金屬完全沒有變形，而在沒有變形和彎曲變形之間的區(qū)域則被稱為過渡區(qū)。彎曲變形的結(jié)果使變形區(qū)域的金屬晶粒發(fā)生塑性變形，在這些區(qū)域內(nèi)的金屬晶粒發(fā)生滑移和孿生，變形終了（壓彎成形終結(jié)）時，工件內(nèi)則保留了因變形而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。綜上所述，無論是熱板還是冷板，在經(jīng)過冷沖壓過程，都會給工件留下殘余應(yīng)力。

圖2 三維成形（彎曲）件

殘余應(yīng)力對沖壓件質(zhì)量的影響

金屬板材在沖壓加工過程中，由于板材本身的原因，還因為沖壓加工過程金屬板材發(fā)生塑性變形的原因而使沖壓件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力之高，可能接近于金屬板材的屈服極限。沖壓件中的殘余應(yīng)力，通常情況下，表現(xiàn)出對工件和工件使用的危害作用；例如使工件的強度和疲勞極限降低、造成應(yīng)力腐蝕、裂紋甚至脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的緩慢釋放，使工件發(fā)生變形，而最終影響工件的幾何形狀和尺寸精度。殘余應(yīng)力對沖壓件的影響主要有以下方面：

⑴殘余應(yīng)力對工件壽命的影響。理論研究和長期實踐證明：保存有壓縮殘余應(yīng)力的工件，處在交變應(yīng)力工作狀態(tài)時，該工件的疲勞極限（或強度）會有所提高；工件保存有拉伸殘余應(yīng)力時，其疲勞極限（強度）會有下降。因此在實際應(yīng)用中往往通過工件表面硬化處理使其產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而有效地提高疲勞極限（強度）。但是很多情況下，構(gòu)件表面存在的是拉伸殘余應(yīng)力（如三維成形零件的外凸部位），人們面對的是怎樣改變拉伸殘余應(yīng)力的分布以提高工件的壽命。

⑵殘余應(yīng)力對工件變形和幾何精度的影響。如前所述，殘余應(yīng)力是一種不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。在工件受到外力或溫度場作用時：一方面，作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力的相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，使工件內(nèi)應(yīng)力重新分配，當(dāng)外力作用去除時整個構(gòu)件將要發(fā)生變形；另一方面，當(dāng)工件的環(huán)境溫度升高時，原來扭曲的金屬晶粒產(chǎn)生滑移和晶粒內(nèi)的孿生，使晶粒形狀和大小發(fā)生改變，而致殘余應(yīng)力重新分布、減少甚至消除，而最終使工件的形狀和幾何尺寸發(fā)生變化。因此，殘余應(yīng)力明顯地影響著沖壓件的使用（甚至?xí)由斓接脩舻模┚?。殘余?yīng)力對沖壓件變形的影響包括兩個方面：一是工件抵抗靜、動載荷的變形能力，二是作用在工件上的載荷卸除后變形的恢復(fù)能力。

⑶殘余應(yīng)力對金屬脆性破壞的影響。脆性破壞是工件在塑性變形量很小甚至沒有的情況下突然開裂。在溫度急劇下降或變形速度迅速加快時，脆性破壞最容易發(fā)生。溫度的急劇下降導(dǎo)致工件內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力的迅速增加，當(dāng)其與保留在工件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力疊加到大于材料的強度極限時，工件就發(fā)生了脆性破壞。同樣，當(dāng)變形速度迅速增加時，作用在工件上的外來拉應(yīng)力與存在于工件內(nèi)的殘余拉應(yīng)力疊加到大于材料的強度極限時，工件就發(fā)生了脆性破壞，工程應(yīng)用中是一定要杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生的。但在沖壓件生產(chǎn)過程中，這種現(xiàn)象并不少見。

控制和消除殘余應(yīng)力的方法

殘余應(yīng)力基本分兩類，即由于環(huán)境溫度的不均勻產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力和由于（外力致）塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。一般來講，溫差越大產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力的傾向就越大、殘余應(yīng)力的量就越多；而外力施加于工件的單位荷載越大、塑性變形程度越嚴(yán)重、加工硬化的程度就越嚴(yán)重，留存在工件內(nèi)的殘余應(yīng)力數(shù)量就越多。實際生產(chǎn)活動中，可以采用以下三種方法控制和消除殘余應(yīng)力。

選用優(yōu)質(zhì)的原材料

對于沖壓加工而言，首先應(yīng)該選用質(zhì)地優(yōu)良的金屬板材，特別是應(yīng)該選定經(jīng)過充分再結(jié)晶退火的板材作為沖壓件生產(chǎn)用材。而對于厚板精沖使用的板材，則宜優(yōu)先選用經(jīng)過充分軟化退火或球化退火（中碳或高碳鋼）的材料。因為這樣材料的最大特點是：材料內(nèi)因塑性變形而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和因溫度急劇變化而產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力的存量很少，材料金屬組織、機械性能、彈塑性指標(biāo)處在特別適合塑性加工（如冷沖壓）狀態(tài)。

利用溫度變化消除殘余應(yīng)力

⑴熱處理時效。熱處理時效又稱人工時效，它是傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力方法。熱處理時效是借助熱處理設(shè)施，將工件由室溫緩慢、均勻加熱至600℃左右，并在此溫度保溫4～8h，而后溫度緩慢冷卻到120℃以下，再出爐迅速冷卻至室溫。這種方法消除殘余應(yīng)力的效果很好，消除速度快、充分，仍是至今最實用的方法之一。

⑵自然時效。是將工件放置于室外，任其“餐風(fēng)宿露”，在靜置過程中釋放和消除殘余應(yīng)力。這種方法不適用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，如沖壓件，原因是釋放或消除殘余應(yīng)力的速度十分緩慢，而在相對短的時間（幾天甚至數(shù)月）內(nèi)，釋放乃至消除殘余應(yīng)力的比例不大。但是，對于高價值和高精度設(shè)備的關(guān)鍵部件，則采用人工時效＋自然時效（時間通常都要數(shù)年）的方法較為普遍。

機械方法消除殘余應(yīng)力的峰值

⑴錘擊法。利用鋼錘錘擊工件殘余應(yīng)力聚集的部位（通常在變形劇烈、形狀改變突變之處），使工件接受錘擊的金屬表面受到錘擊的壓應(yīng)力，發(fā)生局部的塑性變形，從而減小殘余應(yīng)力的峰值，改善和均衡工件原有殘余應(yīng)力的分布，避免工件的脆性破壞。這種方法特別適合于焊接件，且在焊接加工場合應(yīng)用廣泛，對沖壓件使用不多。

⑵振動法。利用專用設(shè)備使工件在專用設(shè)備的周期性外力作用下發(fā)生共振，使工件內(nèi)部的微觀組織晶粒發(fā)生滑移和晶內(nèi)孿生，從而削減殘余應(yīng)力的峰值，改善和均衡工件原有殘余應(yīng)力的分布。實踐證明，此種方法在一小時內(nèi)可以消除約50％的殘余應(yīng)力或削減約50％殘余應(yīng)力的峰值。與熱處理時效相比，由于其不用后續(xù)處理工件的氧化皮，且處理效率高、節(jié)約成本，因此是目前使用最普遍的方法之一。但其最大缺點是不能完全消除工件內(nèi)聚集的殘余應(yīng)力。

結(jié)束語

本文介紹控制和消除殘余應(yīng)力的方法都會留下或多或少的二次塑性變形，其結(jié)果是沖壓件的形狀和幾何尺寸在處理后會發(fā)生變化，對某些精度要求高的沖壓件來說，這種變化可能會導(dǎo)致產(chǎn)品失效（或者說產(chǎn)品報廢），因此需要人們修正沖壓模具的參數(shù)或者對發(fā)生二次塑性變形的沖壓件進行冷校正或精壓處理。

殘余應(yīng)力對沖壓件質(zhì)量的影響及其控制

文/孫昌清，孫恒·深圳孫昌清金屬精密成形工作室

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