車身用第三代高強鋼QP1180沖壓成型性能研究

關鍵詞：沖壓成型;數(shù)模分析;TRIP效應;QP1180鋼

0引言

目前能源問題日益凸顯，對環(huán)保的要求不斷提高，低能耗成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。而在保證安全性能的前提下進行整車輕量化設計是汽車降低能耗的重要途徑，車身約占整車質量的20%，因而汽車車身，特別是車身骨架件的輕量化設計，是整車輕量化的關鍵，其中采用高強度鋼板是車身骨架輕量化的重要手段。

Qamp;P鋼（Quenchingamp;Patitioning SteeI），即淬火延性鋼，是一種第三代先進高強度鋼。相比于前兩代高強度鋼，Qamp;P鋼在保持了較高抗拉強度的同時，其成型性能大幅度提高，且具有較好的經濟性，特別適用于生產外形相對復雜、強度要求較高的沖壓件。Qamp;P鋼的高強度和高塑性是由于其合理的熱處理工藝形成的內部微觀結構：鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，其中馬氏體所占分數(shù)較高，且具有較高的強度;而殘余奧氏體屬于較軟相，鐵素體為最軟相，所占分數(shù)最少。

在塑性變形過程中殘余奧氏體按一定的速率逐步轉變?yōu)閺姸容^高的馬氏體，即稱為相變誘發(fā)塑性（TRIP效應）。充分利用Oamp;P超高強度鋼板的塑性特性和加工硬化特性，可更好地實現(xiàn)減重和車輛性能的優(yōu)化。而掌握Qamp;P高強度鋼的成型特性和成型極限，是開展Qamp;P鋼沖壓成型應用的前提和基礎。

1實驗原料

實驗原料為寶鋼生產的OP1180薄鋼板，厚度為1.2mm，其主要化學成分如表1所示。

如圖1所示，B柱內板作為車身比較重要的安全零件，需滿足側碰性能要求，對鋼板強度要求較高。同時，因其局部造型復雜，易發(fā)生開裂、起皺和減薄，對鋼板塑性也有較高要求。實驗選取以車身B柱內板作為檢測零件，采用數(shù)值模擬和實驗相結合的方法，研究QP1180的沖壓成型性能，同時選擇3種已經量產的常用高強鋼板DP800、DP1000和OP980進行對比實驗。

2實驗方法

2.1金相實驗

在QP鋼板料上切取10mmx10mm的小塊鑲嵌在塑料粉末固化成的臺座上制成標準金相試樣。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕金相試樣，用清水洗凈并烘干，分別在光學顯微鏡和掃描電鏡下觀察其微觀組織結構。

2.2單向拉伸實驗

將DP800、DP1000、QP980和QP1180這4種材料分別沿與板材軋制方向成0°、45°和90°的方向取樣制作拉伸試件，每個方向取3個試件，每種材料共9個試件。在單向拉伸條件下，°amp;P鋼中殘余奧氏體轉變量最大，TRIP效應越明顯，材料的抗拉強度提升最大。通過4種材料的單向拉伸試驗，測得QP1180等4種鋼板的力學性能。理論性的分析QP1180和常用高強度鋼板的成型性能差異，從而為后續(xù)沖壓成型的數(shù)值模擬實驗提供力學性能參數(shù)。

2.3沖壓成型實驗

設計制造車身B柱內板拉延工序的模具，如圖2所示。通過AUTOFORM數(shù)值模擬分析及實際沖壓成型研究QP1180與常用高強鋼板的成型能力。由于使用一套模具來測試4種材料，而且最高抗拉強度達到了1200MPa以上，故為了確保實驗有效成功，在工藝設計方面盡量保持均勻的拉延深度，保證零件一次拉延成型，并保證足夠大的壓邊力。在模具設計方面，采用機臺頂桿提供穩(wěn)定的壓邊力，拉延的凹凸模最小壁厚達到了100mm，給后期調整回彈留出了充分的加工量，考慮了可能的鑲塊墊片重新加工、更換鑲塊，甚至于減小閉合高度重新加工的情況。同時，在AUTOFORM軟件中進行CAE分析，模擬實際沖壓過程，并測得減薄率，確定各板材開裂風險。

3實驗結果與討論

3.1金相結果與分析

光學顯微鏡和掃描電鏡下QP1180的微觀組織形貌如圖3所示，其原始組織主要由板條馬氏體（M）和多邊形鐵素體（F）組成，在鐵素體區(qū)域中分布著零散突起的殘余奧氏體島（A），同時部分殘余奧氏體還以薄片的形式存在于板條馬氏體中以及晶界上。馬氏體具有較高的強度與韌性保證了Qamp;P鋼的強度，而作為混合組織中的最軟相，鐵素體保證了Qamp;P鋼良好的塑性。殘余奧氏體相則會在后續(xù)塑性變形過程中發(fā)生TRIP效應，轉變生成馬氏體組織，進一步提高材料的整體力學性能。

3.2材料力學性能

DP800、DP1000、QP980和OP1180這4種材料的力學性能參數(shù)測試結果如表2所示。從測試結果來看，QP1180抗拉強度最大，超過1200MPa，延伸率大于DP1000，小于DP800。其加工硬化指數(shù)低于其他3種鋼，各向異性系數(shù)則高于其他3種高強鋼，從各項力學性能參數(shù)來看，QP1180的力學性能遠優(yōu)于DP鋼，在具有較強的抗拉強度的同時，還具有較好的成型性能。

3.3沖壓成型實驗結果與對比分析

3.3.1數(shù)值模擬結果對比

沖壓實驗中四種材料的板厚和毛坯尺寸完全相同，板厚均為1.2mm。應用AUTOFORM軟件對四種高強度材料的沖壓成型工藝進行優(yōu)化，保證沖壓實驗采用的都是相對優(yōu)化的成型工藝。采用機臺頂桿壓邊，經過數(shù)值模擬優(yōu)化，四種高強鋼板的壓邊力均為6000kN。拉延成形模擬結果如圖4所示。

可以看出4種材料的B柱內板上減薄率最高處均為A點，此點為開裂風險最大點，故將其選作參考點來比較不同材質的成型性能。A點減薄率結果如表3所示，QP1180在A點的減薄率比DP1000略小，大于DP800。而OP1180的延伸率和硬化指數(shù)都比DP800小，但是各向異性參數(shù)r值比DP800大，模擬結果顯示QP1180的成型能力比DP800的成型能力略差，但優(yōu)于DP1000。

3.3.2沖壓成型實驗結果對比

在獲得數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的基礎上進行沖壓成型實驗，進一步論證數(shù)模結果。分別對DP800、DP1000、QP980和OP1180進行沖壓實驗，結果如圖5所示。

四種材料沖壓實驗樣品均未發(fā)生開裂，采用測厚儀測量A點的實際減薄率，結果如表4所示。實驗結果與數(shù)值模擬基本一致，說明數(shù)模結果較為準確。QP1180的減薄率比DP1000的略小，但大于DP800和QP980，充分說明了QP1180的沖壓成型能力略差于DP800，但優(yōu)于DP1000。

4結論

（1）QP1180的微觀組織是以馬氏體為基體，鐵素體和殘余奧氏體均勻混合分布。部分殘余奧氏體島分布在鐵素體中，其余成薄片狀夾雜在板條馬氏體里和晶界上。

（2）力學性能上來看，QP1180的各向異性指數(shù)大于DP800和DP1000，而材料強度遠大于DP1000。

（3）通過B柱內板拉延成形實驗和數(shù)值模擬方法證明QP1180的實際沖壓成形能力優(yōu)于DP1000。