冷軋深沖鋼的綜合成形性能研究

趙春暉 吳青松

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著近些年汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車用鋼板的質(zhì)量要求也越來越高。對于車身大型復(fù)雜零件、車身深沖變形和多工序沖壓成形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和內(nèi)外表面件，要求材料具有良好的成形性能、表面性能、焊接性能和耐腐蝕性等。而對于冷軋深沖鋼(即IF鋼)而言，具有優(yōu)異的成形性能則更為重要[1]。如果材料選用不合適，其成形性能不符合零件制造的要求，在沖壓時就會出現(xiàn)開裂、起皺等質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程。為了減少和避免生產(chǎn)過程中出現(xiàn)相關(guān)問題，就要對IF鋼的綜合成形性能有全面的了解。

衡量IF鋼的綜合成形性能，首先要考慮其基本成形性能即力學(xué)性能和塑性變形能力等。在成分設(shè)計方面，IF鋼在C、N含量低的同時又加入一定量的Ti、Nb使鋼中的C、N原子被固定成碳、氮化物，因而鋼中沒有間隙原子，又稱為超低碳鋼，具有優(yōu)異的深沖性能；在生產(chǎn)工藝方面，冶煉中嚴(yán)格控制C、N及非金屬夾雜的含量來保證鋼質(zhì)純凈。熱軋終軋后快速冷卻和高溫卷曲，冷軋保證大的壓下率，退火時采用高的退火溫度，獲得粗大均勻的鐵素體晶粒，從而實現(xiàn)其低的屈強比和高的塑性變形抗力，因此IF鋼的力學(xué)性能優(yōu)良。在此基礎(chǔ)上還要考慮其在實際沖壓過程中的成形性能即模擬成形性能。由于生產(chǎn)工序的復(fù)雜，對IF鋼的成形性能要求極高。本文通過靜態(tài)拉伸、織構(gòu)分析、制耳、成形極限等試驗，具體研究了IF鋼的綜合成形性能，為實驗室汽車用鋼性能數(shù)據(jù)的研究以及實際使用中合理選材、沖壓工藝的制定和模具的設(shè)計調(diào)整提供了參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用厚度為1.0mm的DC04和DC06連退IF鋼。試驗鋼板的化學(xué)成分見表1。

表1 IF鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗方法

靜態(tài)拉伸試驗方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2010《金屬材料 拉伸試驗 室溫試驗方法》執(zhí)行。試驗設(shè)備為Z050萬能材料試驗機。

織構(gòu)分析設(shè)備為Rigaku D/max-2500PC型X-射線衍射儀，采集{110}、{200}和{211}三個不完整極圖的數(shù)據(jù)來計算ODF(orientation distribution function)。

制耳試驗方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T24183-2009《金屬材料 制耳試驗方法》執(zhí)行。試驗設(shè)備為BUP400成形試驗機。

成形極限試驗方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24171.2-2009 《材料薄板和薄帶成形極限曲線的測定 第2部分：實驗室成形極限曲線的測定》執(zhí)行。成形設(shè)備為BUP400成形試驗機，動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)為ARAMIS 2M。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 基本成形性能

由靜態(tài)拉伸試驗測得材料的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。表中同時列出普通沖壓鋼DC03(1.0mm)的力學(xué)性能指標(biāo)以作對比。

表2 靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果

從表2中的力學(xué)性能指標(biāo)可以分析材料的基本成形性能，主要研究IF鋼的延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)n值、塑性應(yīng)變比r值等參數(shù)。

2.1.1 延伸率

材料必須具有足夠的塑性來保證沖壓過程中的流動性，尤其要有足夠大的均勻塑性延伸來確保零件充分成形。延伸率高的材料可以承受較高的極限應(yīng)變，實現(xiàn)深拉延、翻邊、彎曲等各種復(fù)雜變形。從表2可以看出，普通沖壓鋼DC03在三個方向的延伸率均低于IF鋼DC04和DC06。這說明IF鋼具有優(yōu)異的深沖性能，在沖壓成形過程中材料可以充分流動而不易發(fā)生開裂。

2.1.2 應(yīng)變硬化指數(shù)

應(yīng)變硬化指數(shù)n值表示材料的應(yīng)變強化能力或?qū)M(jìn)一步塑性變形的抗力[2-3]。在沖壓過程中n值大的材料變形抗力大，應(yīng)變轉(zhuǎn)移能力強，因而材料變形均勻，可承受的極限變形大，不易過早出現(xiàn)局部集中變形而失穩(wěn)破壞。一定意義上講，n值代表了整個變形區(qū)域內(nèi)應(yīng)變分布的均勻性。n值大的材料脹形變形能力強。從表2可以看出，DC03的n值小于IF鋼的n值，表明IF鋼在沖壓變形中應(yīng)變分布更均勻，極限變形程度更高。

2.1.3 塑性應(yīng)變比

試樣拉伸時寬度與厚度方向的變形情況并不相同，以寬度方向的應(yīng)變與厚度方向的應(yīng)變的比值r來表示這種差異，即塑性應(yīng)變比[4]。r值越大表示材料越難在厚度方向發(fā)展變形，也就是說越不易變薄或變厚，即在沖壓過程中，材料發(fā)生開裂或起皺的概率越小。深沖時材料的變形主要沿板面展開，而要求在厚度方向變形較小，否則就容易產(chǎn)生開裂或起皺缺陷。

比較三種材料在三個方向上的r值，結(jié)果均為rDC06>rDC04>rDC03，說明DC06的深沖性能最好，DC04次之，兩者適用于成形較為復(fù)雜的深拉延零件；DC03的r值最低，但其強度高，可以用于普通零件的沖壓成形。

2.1.4 平面各向異性度

沖壓用薄鋼板在板面上變形展開時，要求各方向上變形均勻進(jìn)行。如果變形程度不一致，深沖時在板面邊緣就會出現(xiàn)凹凸起伏，形成“制耳”[5]。出現(xiàn)制耳會影響零件成形精度，同時會損傷模具和設(shè)備。用平面各向異性度(r來衡量這種不均勻變形。理論上講，Δr越小越好。用公式(1)來計算Δr。

(1)

按照公式(1)可以計算三種材料的Δr值。結(jié)果如下：ΔrDC03=0.595，ΔrDC04=0.425，ΔrDC06=0.525。從結(jié)果可以看出DC03的Δr值最大，IF鋼的Δr值小于普通沖壓鋼，即IF鋼的平面各向異性度小，變形時材料流動穩(wěn)定，減薄均勻，成形精度高。

材料的r值與其內(nèi)部織構(gòu)有關(guān)。為了獲得大r值和小Δr值，材料需要形成特定的織構(gòu)。對于深沖IF鋼，材料退火后形成{111}[110]織構(gòu)為最佳[6]。冷軋壓下率和鈦含量對材料的織構(gòu)影響較大，可以合理調(diào)配這兩個工藝參數(shù)使材料獲得較低的平面各向異性[7]。用X射線衍射儀精確測定材料的織構(gòu)。得到IF鋼的ODF見圖1。從圖中可以看出IF鋼具有強烈的{111}[110]織構(gòu)。因此IF鋼r值大，Δr值小。

除Δr值外，還可以通過測量制耳率Z來評定材料的平面各向異性度。在成形試驗機上進(jìn)行制耳試驗，沖壓之后的杯樣見圖2。經(jīng)過測試DC04和DC06的Z值分別為2.6%和2.9%，制耳率極小。

Δr值和Z值都表征材料的平面各向異性度。從試驗計算結(jié)果可以看出Δr值小的材料Z值也小。通過分析可知，IF鋼的平面各向異性度較小，成形時在板材平面上的流動比較均勻，不容易發(fā)生制耳缺陷。

圖1 IF鋼的ODF

圖2 制耳試樣

2.2 模擬成形性能

前文通過靜態(tài)拉伸等試驗研究了IF鋼的基本成形性能，但實際沖壓成形工序中的變形方式遠(yuǎn)比單向拉伸復(fù)雜，獲得的n、r值等性能指標(biāo)不能精確反映某些工序的成形能力[8]，因此需要模擬成形試驗來評價IF鋼在相應(yīng)沖壓工序中的成形性能。成形極限試驗覆蓋多種應(yīng)變路徑，可以較好地模擬材料在沖壓時的變形情況[9]，所以選擇成形極限試驗來研究IF鋼的模擬成形性能。

成形極限反映板材在塑性失穩(wěn)前所能達(dá)到的最大變形程度。成形極限圖FLD(Forming Limit Diagram)顯示了板材在出現(xiàn)局部變薄(失穩(wěn)或頸縮)和斷裂之前可能達(dá)到的極限變形水平[10-11]。成形極限曲線FLC(Forming Limit Curve)是FLD中極限應(yīng)變點連成的曲線。通過FLD可以確定材料使用的安全區(qū)、破裂區(qū)和過渡區(qū)，對于指導(dǎo)沖壓現(xiàn)場工藝參數(shù)的制定、模具調(diào)整和材料選擇都具有重要的實際意義。

試驗材料的成形極限試驗結(jié)果見圖3。從圖中可以看出三種材料的FLC形狀相似，F(xiàn)LD從左到右可以分為3個區(qū)域：拉延區(qū)域、平面應(yīng)變區(qū)域和脹形區(qū)域。左半部分拉延區(qū)域?qū)?yīng)單向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，右半部分脹形區(qū)域?qū)?yīng)雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，而中間曲線最低部分為平面應(yīng)變區(qū)域，其最低點稱為平面應(yīng)變點FLD0。平面應(yīng)變是沖壓成形中需要盡量避免的應(yīng)變路徑，一般選材設(shè)計常以平面應(yīng)變作為依據(jù)。平面極限應(yīng)變越小，選材設(shè)計的安全裕度越低。

圖3 試驗材料的FLD

從圖3中可見，IF鋼的FLC明顯位于普通沖壓鋼DC03以上。DC04和DC06的平面極限應(yīng)變值大于DC03，說明IF鋼在沖壓成形時極限應(yīng)變大，安全裕度較高。拉延區(qū)域IF鋼曲線位于DC03之上，表明IF鋼在單拉應(yīng)變狀態(tài)下極限應(yīng)變更大，更適用于深沖成形而不發(fā)生開裂。拉延變形時材料的成形性受材料的延伸率和r值影響較大。IF鋼的延伸率和r值比DC03大，所以其拉延成形極限高；脹形區(qū)域IF鋼曲線也位于DC03之上。如前所述n值是評價脹形工序成形性能的重要指標(biāo)。n值大的材料變形均勻，極限應(yīng)變大。IF鋼的n值大于DC03，因此其脹形區(qū)域成形極限高。DC04和DC06的n值相差不大，所以兩者的均勻成形能力接近，在脹形區(qū)域右側(cè)兩者的曲線趨于重合。

3 結(jié)論

(1)IF鋼具有很高的延伸率和高的應(yīng)變硬化指數(shù)n值和高的塑性應(yīng)變比r值，深沖性能和均勻成形性能優(yōu)異，適用于成形深拉延和變形復(fù)雜的零件。

(2)IF鋼的平面各向異性度很小，沖壓時材料在平面各方向上的流動均勻，發(fā)生制耳缺陷的概率小。

(3)IF鋼具有較高的成形極限，沖壓成形安全裕度高，不容易發(fā)生減薄、縮頸、開裂等質(zhì)量問題。

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