DP600高強(qiáng)鋼板沖壓成形性能數(shù)字圖像相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

高馨月，李 秋，于 強(qiáng)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

0 引言

安全、節(jié)能、環(huán)保已經(jīng)成為了目前汽車制造業(yè)追求的目標(biāo)，車身輕量化則是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的有效途徑。高強(qiáng)度鋼具有高的抗拉強(qiáng)度和加工硬化率，成形后的零件具有高的壓潰抗力、抗撞擊吸收能力，因此高強(qiáng)度鋼在輕量化車身中的比重越來越大。然而高強(qiáng)度鋼塑性成形難度大，易開裂。因此，充分了解高強(qiáng)度鋼的成形性能對(duì)于車身的設(shè)計(jì)和加工至關(guān)重要。為了探究板料的成形性能，了解板料失效的過程和原因，學(xué)者們開展了大量的研究。Keeler在板料破壞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了拉--拉變形狀態(tài)下板料的成形極限[1]。Goodwin完善了成形極限圖（FLD）的左半部分（拉--壓變形狀態(tài)），從而共同構(gòu)建了目前使用的FLD的原型[2]。Rohatgi和Soulami利用數(shù)字成形技術(shù)分析了金屬板料在液壓脹形過程中的成形極限并對(duì)板料的失效時(shí)刻和失效位置進(jìn)行了預(yù)測(cè)[3]。北京航空航天大學(xué)的陳光南和胡世光在國內(nèi)最早開展了板料FLD實(shí)驗(yàn)獲取方面的研究，通過對(duì)FLD實(shí)驗(yàn)獲取中的關(guān)鍵因素進(jìn)行探討，利用脹形實(shí)驗(yàn)的方式獲取了金屬薄板的FLD[4-7]。Ding Lei和 Lin Jianping對(duì)QP980鋼板進(jìn)行5個(gè)應(yīng)變速率下的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了頸縮過程和應(yīng)變速率對(duì)QP鋼頸縮行為的影響[8]。董文倩等基于凸模脹形實(shí)驗(yàn)建立了航空用7系列鋁合金板料的FLD[9]?？渍骄苛瞬煌M織與力學(xué)性能的DP780鋼的成形性能[10]。關(guān)于DP600高強(qiáng)度鋼，徐珂通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，分析了DP600鋼板與傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)鋼板基本力學(xué)性能、脹形性能、回彈等方面的性能差異[11]；豐懷北等通過有限元方法分析了DP600高強(qiáng)度鋼板成形中斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變路徑及其對(duì)成形極限的影響[12]。但關(guān)于DP600高強(qiáng)度鋼沖壓成形過程中的應(yīng)變分布和演化，以及材料的應(yīng)變演化和損傷失效的關(guān)聯(lián)還有待進(jìn)一步研究。

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital image correlation,DIC）技術(shù)利用攝像機(jī)拍攝物體表面的隨機(jī)散斑圖像，通過追蹤散斑的形狀和位置變化，實(shí)現(xiàn)記錄和計(jì)算物體的位移、應(yīng)變等幾何量，其具有非接觸、實(shí)時(shí)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以以極短時(shí)間間隔記錄材料在沖擊載荷作用下的破壞過程，甚至捕捉裂紋的擴(kuò)展過程，近年來在板材成形性能的研究中發(fā)揮了重要作用[13-15]。

本文利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，通過不同寬度試樣的杯突實(shí)驗(yàn)研究DP600高強(qiáng)度鋼板的成形性能，獲取試樣變形過程中的全場(chǎng)應(yīng)變分布，分析典型寬度試樣沖壓變形過程中的應(yīng)變分布、演化規(guī)律，及其與試樣縮頸和破裂之間的關(guān)聯(lián)。

1 成形性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣尺寸

本文實(shí)驗(yàn)材料是厚度為1 mm的DP600高強(qiáng)度鋼板，合金成分見表1.

表1 DP600高強(qiáng)度鋼板料成分

試樣尺寸根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T24171-2009：成形極限曲線測(cè)定方法）設(shè)計(jì)和加工。沿著DP600高強(qiáng)鋼板的軋制方向進(jìn)行取樣，試樣長為180 mm.為了產(chǎn)生不同的應(yīng)變路徑，試樣寬度為9種，寬度范圍為20～180 mm，具體尺寸如圖1所示。每種寬度試樣的試件個(gè)數(shù)為3個(gè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將全部試樣用啞光漆進(jìn)行噴斑處理，得到的散斑試樣如圖2所示。

圖1 DP600高強(qiáng)度鋼試樣的尺寸圖（單位：mm）

圖2 典型的噴斑后的DP600高強(qiáng)度鋼試樣照片

杯突實(shí)驗(yàn)的模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件與凸模之間涂一層潤滑油并加一層薄膜，以減小試件與凸模之間的摩擦，之后將已經(jīng)噴有散斑的試件放置在凸模上方的壓邊圈上，如圖4所示，通過軟件控制凸模上移，下壓邊圈也同時(shí)上移夾緊試件，開始杯突實(shí)驗(yàn)，壓邊圈夾緊力為200 kN，預(yù)加載速率為200 mm/min；同步用數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)過程中的試件變形圖像，圖像分辨率為1 624×1 236，單元像素15 pixel.

圖3 杯突實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)示意圖

圖4 杯突實(shí)驗(yàn)中的試件放置位置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

DP600高強(qiáng)度鋼經(jīng)過杯突實(shí)驗(yàn)中的沖壓成形后，試樣均在凸模頂端附近發(fā)生了斷裂，斷裂后的試樣如圖5所示。

圖5DP600高強(qiáng)度鋼杯突實(shí)驗(yàn)后的斷裂試樣

圖6 和圖7分別為20mm寬度試件斷裂前的最大主應(yīng)變場(chǎng)和最小主應(yīng)變場(chǎng)。由圖6可以看出，全場(chǎng)應(yīng)變均為正值，說明試件在長度方向上承受拉應(yīng)力，且中間偏圓形區(qū)域受到的拉應(yīng)力最大，試件斷裂部位正是所受拉應(yīng)力最大的部位。由圖7可以看出，試件斷裂前一刻寬度方向全場(chǎng)應(yīng)變均為負(fù)值，說明試件在寬度方向上承受壓應(yīng)力，且中間偏圓形區(qū)域受到的壓應(yīng)力最大，所受壓應(yīng)力逐漸向兩邊減弱。由此可見，材料在長度方向伸長，在寬度方向縮短，材料中間圓形重疊部位所受應(yīng)力最大，因此材料最終在該部位失效，產(chǎn)生斷裂。

圖8和圖9分別為70 mm寬度試件斷裂前的最大主應(yīng)變場(chǎng)和最小主應(yīng)變場(chǎng)。由圖8可以看出，全場(chǎng)應(yīng)變均為正值，說明試件在長度方向上承受拉應(yīng)力，且中間偏圓形區(qū)域受到的拉應(yīng)力最大，試件斷裂部位正是所受拉應(yīng)力最大的部位。根據(jù)數(shù)值可以看出，最大主應(yīng)變區(qū)域位置偏右，應(yīng)力梯度變化明顯。由圖9可以看出，試件斷裂前一刻寬度方向全場(chǎng)應(yīng)變最左側(cè)以及最右側(cè)等勢(shì)線閉合區(qū)域均為正值，說明這部分區(qū)域在試件寬度方向上承受拉應(yīng)力，也就是在寬度方向遠(yuǎn)離裂紋兩側(cè)的區(qū)域均受拉應(yīng)力，裂紋部位為負(fù)值，說明裂紋處試件在寬度方向上受壓應(yīng)力。70 mm寬度試件的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變的極限絕對(duì)值均小于20 mm寬度試件。這表明DP600高強(qiáng)度鋼在70 mm寬度的應(yīng)變路徑下的成形能力低于20 mm寬度試件。

圖6 20 mm寬度試件斷裂前的最大主應(yīng)變場(chǎng)

圖7 20 mm寬度試件斷裂前的最小主應(yīng)變場(chǎng)

圖8 70 mm寬度試件斷裂前的最大主應(yīng)變場(chǎng)

圖9 70 mm寬度試件斷裂前的最小主應(yīng)變場(chǎng)

圖10 為9種寬度試件從開始沖壓至破裂所用的時(shí)間的平均值。圖11為9種寬度試件裂紋附近一點(diǎn)的長度方向的工程應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線。從圖10中可以看出隨試件寬度的逐漸增加，沖壓至破裂所用時(shí)間呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中70 mm寬度試樣所用時(shí)間最短，180 mm寬度試樣所用時(shí)間最長。通過圖11可以看出不同寬度的試樣，在斷裂時(shí)長度方向所能達(dá)到的最大工程應(yīng)變分布也有相似的規(guī)律，其中70 mm寬度試件斷裂時(shí)的長度方向極限應(yīng)變最小，180 mm寬度試件則最大。同時(shí)也可以看出，對(duì)于所有寬度的試件來說，杯突實(shí)驗(yàn)前期，工程應(yīng)變隨時(shí)間線性增加，且各寬度試樣的應(yīng)變?cè)鲩L速度接近，在大約15 s之后，應(yīng)變的增長速率均出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，但應(yīng)變上升的速率開始發(fā)生分化，呈現(xiàn)不同的遞增速度，直至試件破裂。試樣寬度不同，其成形過程中的加載應(yīng)變路徑不同，而在實(shí)驗(yàn)過程中，凸模上行的速度都是相同的，這表明應(yīng)變路徑影響DP600鋼的成形性能，70 mm寬度試件的應(yīng)變路徑下，成形性能最差，180 mm寬度試件的應(yīng)變路徑下，成形性能最佳。

圖10 不同寬度試件沖壓開始至破裂所用的時(shí)間

圖11 不同寬度試件裂紋附近點(diǎn)長度方向的工程應(yīng)變

下面以50 mm寬度試樣為例，研究DP600高強(qiáng)度鋼的破壞情況。觀察50 mm寬度試件裂紋位置，發(fā)現(xiàn)試件的裂紋在AB連線處（如圖12-a所示），可判斷極限應(yīng)變點(diǎn)在AB這條截線上。CD為裂紋附近的一條截線。計(jì)算從初始到破裂各個(gè)狀態(tài)的AB和CD線的長度并做出AB、CD截線長度隨時(shí)間變化的曲線，如圖12-b所示。由圖12-b可知，截線AB和截線CD在前期長度相近；隨著時(shí)間的增長，長度都在減小，且AB與CD減小的速度接近，表明在杯突實(shí)驗(yàn)期間試樣發(fā)生了均勻的橫向收縮。在15 s之后，截線AB長度急劇減小，試樣寬度明顯變窄，而截線CD減小的速度變化不大，表明從15 s開始，試件已經(jīng)開始發(fā)生分散性失穩(wěn)，進(jìn)入頸縮階段。最終試件的集中性失穩(wěn)，即斷裂也在AB截線上產(chǎn)生。

圖1250 mm寬度試樣截線圖位置（a）以及截線處試樣寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律（b）

采用截線擬合的方法，對(duì)試件破裂前的最后一個(gè)變形狀態(tài)進(jìn)行分析，在運(yùn)算后的云圖上垂直裂紋方向繪制截線，每個(gè)試樣繪制三條，截線間寬度間距3～5 cm，取其中的應(yīng)變最大值作為一個(gè)FLD坐標(biāo)點(diǎn)，每種寬度3個(gè)試樣，每個(gè)試樣3條截線，得到每種寬度試樣破裂時(shí)的最大和最小主應(yīng)變極限值的平均值，如表2所示。

表2 杯突實(shí)驗(yàn)不同寬度試件的最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變極限值的平均值

根據(jù)表2得到的結(jié)果，擬合出DP600高強(qiáng)度鋼板常溫下的成形極限圖（FLD），如圖13所示。

圖13 DP600高強(qiáng)度鋼常溫成形極限圖

由圖13可以看出，F(xiàn)LD的左半部為直線形式，右半部分的圖形為二次函數(shù)的形式。成形極限曲線下方為DP600高強(qiáng)度鋼成形的安全應(yīng)變區(qū)，上方為破裂應(yīng)變區(qū)。

3 結(jié)論

本文對(duì)DP600高強(qiáng)度鋼板開展了常溫條件下的杯突實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)各寬度試樣進(jìn)行了變形過程中的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量，分析了鋼板變形過程中的應(yīng)變演化及其破裂過程。結(jié)果表明：1）加載應(yīng)變路徑影響DP600鋼的成形性能。隨寬度的增加，試件從沖壓至破裂所用時(shí)間和試件的極限應(yīng)變呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。杯突實(shí)驗(yàn)前期，長度方向的工程應(yīng)變隨時(shí)間線性增大，在約15 s之后，應(yīng)變的增長速率呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì)，但應(yīng)變上升的速率隨試件寬度的不同而不同。2）DP600鋼在沖壓至破壞期間先后經(jīng)歷均勻變形、分散性失穩(wěn)和集中性失穩(wěn)過程。在沖壓初期，經(jīng)過破裂點(diǎn)和遠(yuǎn)離破裂點(diǎn)的截線的長度均勻減??；在15 s之后，經(jīng)過破裂點(diǎn)的截線長度減小速度明顯高于遠(yuǎn)離破裂點(diǎn)的截線，證明發(fā)生了分散性失穩(wěn)，集中性失穩(wěn)最終在該截線上產(chǎn)生。