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      預(yù)應(yīng)變對(duì)汽車(chē)雙相鋼材料成形性的影響

      2020-02-26 02:40:56
      卷宗 2020年33期
      關(guān)鍵詞:模力低碳鋼板料

      熊 懿

      (鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

      輕量化、環(huán)保、節(jié)能和安全已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì),先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一。其中,由于DP雙相鋼內(nèi)部同時(shí)含有馬氏體與鐵素體的混合組織,使得其具有高強(qiáng)度特性的同時(shí)還具有優(yōu)良的塑性成形性,因此DP雙相鋼是汽車(chē)上運(yùn)用最廣的鋼種之一。然而,雙相鋼板在室溫成形時(shí)容易出現(xiàn)變形抗力大、模具磨損嚴(yán)重、板料拉裂、回彈嚴(yán)重、尺寸精度誤差大及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形困難等一系列問(wèn)題。有關(guān)研究表明,高強(qiáng)鋼在高溫狀態(tài)下,材料的位錯(cuò)減少,滑移系統(tǒng)增加,其屈服強(qiáng)度大幅降低,塑性及延展性明顯提高,成形性得到顯著改善。

      1 DP780雙相鋼力學(xué)性能分析

      參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010,靜態(tài)拉伸速度為2mm.min,采用50mm的引伸計(jì),引伸計(jì)的測(cè)量誤差為0.3%。測(cè)量的主要力學(xué)性能包括屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm、預(yù)應(yīng)變和后續(xù)拉斷失效后材料的總伸長(zhǎng)率A50、加工硬化指數(shù)n以及工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線,通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得到屈強(qiáng)比和強(qiáng)塑積。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

      2 單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程

      文中選用的板材為DP780雙相鋼。單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)在MT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)機(jī)中間的橫梁是噸位機(jī),下端伸出夾頭用以連接固定試樣,中間區(qū)域采用馬弗爐對(duì)金屬試樣進(jìn)行加熱及保溫,馬弗爐爐壁內(nèi)部含有加熱電阻絲,能夠快速將爐內(nèi)物體加熱到要求溫度。另外,馬弗爐中設(shè)置有上中下3個(gè)溫敏傳感器,能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)對(duì)應(yīng)位置的溫度變化。

      按照國(guó)標(biāo)GB/T4338—2006設(shè)計(jì)試樣,并根據(jù)試驗(yàn)機(jī)夾具要求對(duì)試樣進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)條件:加熱溫度分別為400、500、600℃,每組溫度的試樣均在0.1、0.01、0.001s-13種不同的拉伸速率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),直至樣件拉斷,輸出力-位移曲線。

      3 單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的原始力-位移曲線進(jìn)行處理后,得到不同溫度、不同應(yīng)變速率條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在溫度為400~600℃、應(yīng)變速率為0.001~0.1s-1范圍內(nèi),隨著溫度的升高,變形速率的減小,應(yīng)力曲線呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),溫度的升高導(dǎo)致材料的延伸率增大。

      4 預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化性能的影響

      通過(guò)170℃×20min烘烤后,低碳鋼的屈服強(qiáng)度明顯提高,然而拉伸曲線出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái),烘烤后低碳鋼出現(xiàn)屈服平臺(tái)與其基體中可動(dòng)位錯(cuò)、固溶原子是密切相關(guān)的。在退火過(guò)程中,絕大多數(shù)位錯(cuò)在回復(fù)及再結(jié)晶過(guò)程中消失,退火試樣中可動(dòng)位錯(cuò)密度較低。對(duì)于低碳鋼,可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量相對(duì)較少,但鐵素體中固溶C含量較高,為Cottrell氣團(tuán)形成和碳化物析出提供了足夠的固溶C原子。因此,在烘烤過(guò)程中形成的Cottrell氣團(tuán)和碳化物對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)造成強(qiáng)烈的釘扎,烘烤后拉伸曲線出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)。結(jié)果表明,在170℃烘烤20min后,雙相鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯提高,伸長(zhǎng)率顯著降低,而拉伸曲線仍然保持連續(xù)屈服狀態(tài)。預(yù)應(yīng)變與烘烤后雙相鋼仍保持連續(xù)屈服狀態(tài)主要是受基體中自由位錯(cuò)的影響。

      5 預(yù)應(yīng)變對(duì)低碳鋼和雙相鋼BH值的影響

      烘烤條件為170℃×20min。對(duì)于低碳鋼,在0%~8%范圍內(nèi),隨著預(yù)應(yīng)變量增加,低碳鋼BH值明顯提高;預(yù)應(yīng)變量為8%時(shí),BH值達(dá)到最大值65MPa。對(duì)于雙相鋼,預(yù)應(yīng)變對(duì)BH值的影響可以劃分為兩個(gè)階段:在0%~1%范圍內(nèi),BH值隨預(yù)應(yīng)變?cè)黾佣@著提高;在1%~8%范圍內(nèi),BH值隨預(yù)應(yīng)變?cè)黾佣饾u降低。預(yù)應(yīng)變?yōu)?%時(shí),BH值達(dá)到最大值79MPa。

      6 動(dòng)態(tài)變形中的裂紋

      在動(dòng)態(tài)拉伸條件下,隨著應(yīng)變速率的增加,位錯(cuò)的大量增殖會(huì)強(qiáng)化雙相鋼組織。但是位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)是需要時(shí)間的,隨著變形時(shí)間的減少(應(yīng)變速率增加)以及位錯(cuò)大量增殖,使得位錯(cuò)塞積處形成微裂紋。隨著應(yīng)變率的提高,顯微裂紋的數(shù)量逐漸增加,主要原因?yàn)镈P780鋼中的位錯(cuò)密度和位錯(cuò)堆積增加,鐵素體和馬氏體相界面之間的塑性應(yīng)變能的差異降低,增加了相界面之間開(kāi)裂的可能性。除了馬氏體與鐵素體的相界面裂紋外,由于780DP中的合金含量較高,存在一定的夾雜物、空洞等顯微缺陷,當(dāng)位錯(cuò)在缺陷處產(chǎn)生位錯(cuò)堆積時(shí),導(dǎo)致材料會(huì)在高速的動(dòng)態(tài)變形中局部應(yīng)力迅速提高。同時(shí),缺陷處的位錯(cuò)堆積會(huì)產(chǎn)生局部的高應(yīng)力狀態(tài),在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而產(chǎn)生顯微裂紋。在應(yīng)力作用下,顯微裂紋迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致了材料的斷裂失效。顯微裂紋的產(chǎn)生,從宏觀上導(dǎo)致了應(yīng)變速率越高、斷裂延伸率越低的現(xiàn)象。應(yīng)變速率越大,這一過(guò)程發(fā)生得越早,表觀上反映為材料的塑性下降。

      7 凸模力對(duì)比

      通過(guò)獲取不同成形溫度條件下的凸模力進(jìn)行對(duì)比分析,可看出,成形溫度越高,凸模力變化越明顯。且隨著成形時(shí)間的推進(jìn),凸模力呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài),在0.3s以前,不同成形溫度下的凸模力隨時(shí)間增加相差越小,在0.3s以后,成形溫度越高,凸模力隨時(shí)間增加越大,這是由于熱傳導(dǎo)的影響,模具溫度逐漸升高,導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大,加上熱膨脹使得板料與模具接觸力更大,導(dǎo)致板料與模具之間的摩擦力增大,因此凸模力也隨之增大。

      8 強(qiáng)化和軟化的統(tǒng)一

      DP780鋼的高應(yīng)變速率下的變形過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程,塑性變形轉(zhuǎn)換化導(dǎo)致試樣產(chǎn)生升溫的熱量信息引起軟化。在高速拉伸中,基體微區(qū)中產(chǎn)生的瞬時(shí)形變會(huì)使變形塑性功轉(zhuǎn)化為熱量,并且不易及時(shí)的傳遞熱量,導(dǎo)致微區(qū)中存在絕熱溫升效應(yīng)。絕熱溫升效應(yīng)會(huì)增加材料的塑性,降低材料的強(qiáng)度,使位錯(cuò)的滑移更加容易。因此,780DP鋼在動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中,是強(qiáng)化和軟化過(guò)程的統(tǒng)一。

      9 結(jié)束語(yǔ)

      1)在高溫條件下,雙相鋼的流變應(yīng)力明顯降低,塑性增強(qiáng),延伸率增大;且隨溫度升高,最小厚度值越來(lái)越小,回彈量角度越來(lái)越小。2)沖壓過(guò)程中,由于雙相鋼變形熱及板料與模具之間摩擦熱的影響,板料的溫度并不是持續(xù)降低的狀態(tài),而是降低后有少量上升。3)成形溫度越高,凸模力變化越明顯,且隨著板料成形時(shí)間的推進(jìn),凸模力呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài),由于熱傳導(dǎo)及熱膨脹的影響,導(dǎo)致溫度越高所需凸模力越大。4)綜合考慮雙相鋼在高溫條件下的成形性能、回彈情況以及材料自身的固有特性,認(rèn)為500℃為DP780較為合適的成形溫度。

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