不同強(qiáng)度級別雙相鋼成形性能研究

楊西鵬,賈彩霞,張龍柱,王連軒,李朝輝

(河鋼股份有限公司邯鄲分公司，河北 邯鄲 056015)

近年來，各地陸續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣使得人們越來越關(guān)注我們所賴以生存的環(huán)境。目前隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，中國已成為世界上最大的汽車產(chǎn)銷國。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2012年中國的汽車產(chǎn)銷量達(dá)到1900萬輛，汽車保有量超過1.2億輛，其帶給環(huán)境的壓力使得節(jié)能減排和輕量化工作迫在眉睫。

面對輕質(zhì)材料的挑戰(zhàn)，近年來，一些鋼廠在傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了多種能滿足汽車工業(yè)發(fā)展要求具有高強(qiáng)度和良好成形性的新鋼種。國際合作項(xiàng)目中的超輕型鋼制車身(ULSAB)樣車設(shè)計(jì)中，車身全部選用高強(qiáng)度鋼，85%為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，其中高達(dá)74%的零件又采用了雙相鋼。由此可看出先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，尤其是雙向鋼是汽車用鋼的發(fā)展趨勢[1]。

目前，瑞典SSAB、日本新日鐵和韓國POSCO(浦項(xiàng)制鐵)等企業(yè)在超高強(qiáng)度DP(dual-phase)鋼的研究和生產(chǎn)中已取得很大成就。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)中，寶鋼集團(tuán)有限公司在2009年率先實(shí)現(xiàn)1000 MPa級DP鋼的產(chǎn)業(yè)化。掌握雙相鋼的成形特性和成形極限，是開展應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。目前，一些學(xué)者已經(jīng)針對DP鋼進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究，但研究主要是針對600 MPa級別，對于 800 MPa及 1000 MPa級別的雙相鋼，數(shù)據(jù)相對缺乏。因此，系統(tǒng)研究不同強(qiáng)度級別雙向鋼的塑性變形行為，對實(shí)現(xiàn)其在汽車輕量化中的應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值[2,3]。雙相鋼在用作汽車零部件時(shí)，沖壓成形是其主要的成形工藝之一，常規(guī)的力學(xué)性能指標(biāo)能定性判斷材料的沖壓成形性能，但這些指標(biāo)只能對不同材料的成形性能進(jìn)行粗略的比較，而不能定量地表征板材的真實(shí)成形能力，目前廣泛使用的定量評價(jià)材料成形性能的工具為成形極限圖[4-7]。

本文針對邯鋼不同級別的雙向鋼的成形性進(jìn)行了研究。通過單向拉伸試驗(yàn)，分析了三種雙相鋼的延伸率、屈強(qiáng)比和加工硬化指數(shù)，定性比較了三種雙相鋼的成形性能；在此基礎(chǔ)上，通過剛性凸模脹形試驗(yàn)，分別定量測試了雙相鋼的成形極限圖曲線，并與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 試驗(yàn)用鋼和方法

1.1 試驗(yàn)用鋼

試驗(yàn)材料采用邯鋼的DP590/1.2 mm、DP780/1.6 mm、DP980/1.4 mm三種鋼板，化學(xué)成分見表1。

表1 三種DP鋼的化學(xué)成分(wt%)

1.2 單向拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法規(guī)定，以板材軋制方向?yàn)閰⒖?，分別沿與板材軋向呈0°、45°和90°方形進(jìn)行取樣，樣品的形狀及尺寸如圖1所示。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸在SANS CMT5305拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)拉伸速度為5 mm/min，試驗(yàn)完成后分別按照GB/T 5027-2007和GB/T-5028測試試樣的加工硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r。

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試樣Fig.1 quasi-static tensile specimen

1.3 半球剛性凸模脹形試驗(yàn)

半球剛性凸模脹形試驗(yàn)時(shí)(如圖2所示)，將板面一側(cè)印有網(wǎng)格的試樣置于凹模與壓邊圈之間，用壓邊圈壓牢試樣。通過凸模使試樣產(chǎn)生脹形并形成凸包，板面上的網(wǎng)格也隨之產(chǎn)生變形，當(dāng)凸包上局部位置產(chǎn)生頸縮或破裂時(shí)停止試驗(yàn)，并測量頸縮或破裂部位(或這些部位附近)畸變網(wǎng)格的尺寸，由此計(jì)算薄板板面上的極限應(yīng)變，該極限應(yīng)變又稱為面內(nèi)極限應(yīng)變。本實(shí)驗(yàn)使用邊長180 mm的方形試樣和寬度分別為180 mm、160 mm、140 mm、120 mm、110 mm、100 mm、80 mm、60 mm、40 mm、20 mm的矩形試樣，并沿垂直于軋制方向取樣。為防止矩形試樣的側(cè)邊在模具拉深筋處或凹?？谔庨_裂，效仿板料拉伸試樣將其形狀改為中部稍窄、兩端加寬的階梯形狀或者類似啞鈴的其他形狀。試樣上印制2.5 mm的網(wǎng)格用于應(yīng)變測量。脹形試驗(yàn)機(jī)為BUP600，試驗(yàn)速度為1 mm/s。

圖2 半球剛性凸模脹形試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hemispherical rigid convex bulging test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

DP590、DP780、DP980雙相鋼的力學(xué)性能見表2。

從表2可以看出，雙相鋼在三個(gè)方向上的力學(xué)性能差異較小，表現(xiàn)出低的各向異性。隨著雙相鋼強(qiáng)度級別增加，材料的斷后延伸率降低，即材料的塑形降低。三種雙相鋼在各方向上的應(yīng)變硬化指數(shù)一致，且隨著強(qiáng)度的增加，雙相鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)降低，即雙相鋼的加工硬化能力減弱。從表中還可以看出，雙相鋼的屈強(qiáng)比較大、加工硬化指數(shù)較低，不利于材料的沖壓成形。其中，DP590和DP780的屈強(qiáng)比為0.61左右，DP980的屈強(qiáng)比為0.69左右。根據(jù)延伸率、加工硬化指數(shù)和屈強(qiáng)比綜合分析，DP590具備較好的成形性，隨著強(qiáng)度級別增加，材料的成形性能降低，DP980的成形性能最差。

2.2 成形極限圖

成形極限曲線FLC試驗(yàn)是材料成形性最直觀簡單的評價(jià)手段，它能準(zhǔn)確反映材料在成形過程中的安全裕度。三種雙相鋼的成形極限曲線如圖3所示。從圖中可以看出，DP590在單向拉伸狀態(tài)，其最大主次應(yīng)變分別達(dá)到0.45和-0.25左右，其最危險(xiǎn)點(diǎn)—即FLD0處的應(yīng)變值為0.194，遠(yuǎn)小于軟鋼的極限值，其成形性比DC系列板材差。等雙向脹形狀態(tài)時(shí)，DP590的主次應(yīng)變均達(dá)到0.45左右。

單向拉伸狀態(tài)，DP780和DP980的主次應(yīng)變值分別為0.35、-0.15和0.26、-0.07左右，隨著強(qiáng)度級別的提高，兩種材料的成形極限曲線上最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變值分別為0.163和0.131，雙向脹形狀態(tài)，兩種雙相鋼的最大主次應(yīng)變分別為0.32、0.33和0.27、0.22左右。由此可見，隨著強(qiáng)度級別的增加，雙相鋼的成形性能變差，成形極限曲線一方面沿縱坐標(biāo)方向降低，另一方面曲線的橫坐標(biāo)方向的范圍變小。

(a)DP590 (b)DP780 (c)DP980圖3 雙相鋼的成形極限曲線：a) DP590; b) DP780; c) DP980Figure 3 Forming limit curve of duplex steel: a) DP590; b) DP780; c) DP980

2.3 成形極限值點(diǎn)計(jì)算

現(xiàn)有的研究對軟鋼的FLC已相當(dāng)成熟，目前研究結(jié)果通過材料的應(yīng)變硬化指數(shù)、材料的厚度，代入經(jīng)驗(yàn)公式可以得到材料的FLC曲線，而該成形極限曲線的繪制，均以成形極限曲線上平面應(yīng)變狀態(tài)所對應(yīng)點(diǎn)的主應(yīng)變即FLD0為基礎(chǔ)，F(xiàn)LD0作為材料成形過程中最危險(xiǎn)點(diǎn)，其重要性不言而喻[4,8,9]。FLD0的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

(1)

式中，n為加工硬化指數(shù)，t為材料厚度(單位mm)。經(jīng)計(jì)算獲得三種雙相鋼的FLD0值如表3所示。將經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比分析可見，采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的FLD0高于實(shí)測值，三種材料的計(jì)算與實(shí)測值的誤差分別達(dá)到41.2%、42.8%和27.2%。

表3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與試驗(yàn)的FLD0對比

Table 3 Comparison of empirical formula calculation and experimental FLD0

牌 號厚度t/mm實(shí)驗(yàn)值/%經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值/%偏差的相對值/%DP5901.219.43341.2DP7801.616.328.542.8DP9801.413.11827.2

對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LD0的計(jì)算是以板材厚度和材料加工硬化率為變量，而三種雙相鋼的厚度和加工硬化指數(shù)中，加工硬化指數(shù)的變化更為顯著，從DP590到DP980，加工硬化指數(shù)變化超過50%?；诖?，對經(jīng)驗(yàn)公式中的一些系數(shù)進(jìn)行修正，修正后的公式如式2所示，修正后的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果比較如表4所示。將相關(guān)系數(shù)進(jìn)行回歸修正后，可以提高經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的精確度，計(jì)算值與測量值之間的誤差值減小到10%左右。

(2)

表4 修正后的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與試驗(yàn)的FLD0對比

Table 4 Comparison of the empirical formula calculated with the experimental FLD0

牌 號厚度t/mm實(shí)驗(yàn)值/%經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值/%偏差的相對值/%DP5901.219.421.610.1DP7801.616.318.511.7DP9801.413.111.8-11.3

3 結(jié)論

(1)雙相鋼在三個(gè)方向上的力學(xué)性能差異較小，表現(xiàn)出低的各向異性。隨著雙相鋼強(qiáng)度級別增加，材料的斷后延伸率和應(yīng)變硬化指數(shù)和屈強(qiáng)比均表現(xiàn)為降低的趨勢。

(2)三種雙相鋼中DP590的成形性能最好，隨著強(qiáng)度級別的增加，雙相鋼的成形性能變差，成形極限曲線上各變形路徑條件下的主次應(yīng)變絕對值降低。

(3)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成形極限曲線上的最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值偏差較大，通過回歸優(yōu)化，獲得對三種雙相鋼進(jìn)行計(jì)算的應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變誤差為10%的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。