預(yù)應(yīng)變對(duì)汽車(chē)雙相鋼材料成形性的影響

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。