影響汽車板深沖性能的因素分析

李長一 李榮鋒 郭小龍 關(guān) 云

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

汽車面板簡稱汽車板,要求具有良好的深沖性能。具有良好的深沖性能的汽車板允許沖制形狀復(fù)雜的工件,產(chǎn)品無制耳或制耳小,材料損耗少,是人們追求的目標(biāo)。

材料的深沖性能用軋向、橫向和與軋向成45°三個方向的塑性應(yīng)變比 r值的平均值rmean和各向異性△r來表征:r=△εb/△εa(式中△εb和△εa分別是試樣在寬度和厚度方向的應(yīng)變)。r的平均值rmean和△r分別用下邊的公式計算:rmean=(r0+2r45+r90)/4 ,△r=(r0-2r45+r90)/2。[1-4]

影響r值測量結(jié)果的因素很多,其不確定度遠(yuǎn)大于其它力學(xué)性能參數(shù)的不確定度。因此人們一直在探索影響汽車板深沖性能的因素,進(jìn)而尋求提高材料深沖性能及表征材料深沖性能的更好的方法。本文的目的是通過對取向硅鋼的塑性變形行為的觀察來研究影響金屬深沖性能的因素及其機(jī)制,為改善和評估汽車板等材料的深沖性提供依據(jù)。

之所以以取向硅鋼為樣本,一是因?yàn)槠渑c汽車板同屬體心立方晶系的金屬,二是因?yàn)榫哂袉我桓咚谷∠?{110}<001>)的取向硅鋼呈現(xiàn)顯著的各向異性。而具有單一γ-纖維織構(gòu)(<111>//N.D)的汽車板不僅不具備這一特性,更難以尋覓得到。

1 實(shí)驗(yàn)及試樣制備

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)觀察延伸率與其它力學(xué)性能之間的關(guān)系;2)觀察滑移系對延伸率的影響。

試樣制備:將高性能純高斯織構(gòu)的取向硅鋼(其織構(gòu)見圖3(a))加工成與軋向分別成0°、25°、45°、55°、70°和90°的拉伸試樣,以備測試。

拉伸方式:單軸拉伸。

2 結(jié)果及討論

2.1 拉伸后試樣的微觀組織

拉伸后試樣軋面的TEM形貌見圖1?？梢娫谲埾蚶煸嚇拥木Я?nèi)部,分布著多邊形的位錯網(wǎng)(a),而在橫向拉伸試樣的晶粒內(nèi)部,則存在或細(xì)或粗、互相平行的位錯線或位錯線團(tuán)(b)。顯然,位錯線或位錯團(tuán)的延伸方向應(yīng)該是滑移方向<111>。

另外,從圖2所示拉伸前后試樣的ψ2=0°和45° ODF圖[5-6]可見,拉伸后,{110}織構(gòu)的強(qiáng)度比拉伸前的強(qiáng)度級別由36增加到90,這是拉伸時晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果。

2.2 延伸率與彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

拉伸結(jié)果的數(shù)值表示見表1。從表1可見,在與軋向成0°～55°區(qū)間,延伸率A與彈性模量E、抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rel等力學(xué)性能之間均呈強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即試樣的強(qiáng)度和彈性模量越大,延伸率越小。

表1還給出了α-Fe單晶不同方向的彈性模量值?？梢娫嚇拥母飨虍愋员圈?Fe的單晶的大,不過兩者隨徑向變化的趨勢基本一致,如[001]晶向的彈性模量值均最小,[111]晶向的彈性模量值均最大。

圖1 拉伸試樣的微觀形貌:(a)軋向,(b)橫向

表1 拉伸結(jié)果和α-Fe的彈性模量

2.3 延伸率與滑移系的關(guān)系

從表1還可以看出,在70°和90°兩點(diǎn),延伸率與彈性模量和強(qiáng)度之間并不呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而是延伸率反常增大,例如與軋向成90°一點(diǎn)的延伸率高達(dá)45°點(diǎn)的延伸率的10倍以上。這是因?yàn)榕c軋向呈9 0°的方向是[110]晶向,與[110]晶向垂直的,是 (110)滑移面。當(dāng)試樣被拉伸到一定程度時,(110) [1,1]滑移系將開動。上述較大的延伸率是經(jīng)受拉伸后,金屬流動的必然結(jié)果,至于70°的延伸率也很大,則是拉伸時晶體協(xié)同作用的結(jié)果。

圖2 拉伸前(a)后(b)試樣的ψ2=0°、45°ODF圖

拉伸后的試樣的宏觀形貌證實(shí)了上述分析:在強(qiáng)度最大的55°試樣上,沒有發(fā)現(xiàn)形變過渡帶,形變區(qū)很小;而在強(qiáng)度雖然不是最大、但滑移系存在的位置及其附近的90°和70°試樣上,形變帶最長,且在長度方向上兩邊呈波浪形,長度方向明顯增大、寬度方向明顯變小;0°試樣形變量居中、均勻,這也與意料中的結(jié)果吻合,因?yàn)?°是強(qiáng)度最小且無滑移系的方向,延伸率確應(yīng)居中。

2.4 延伸率對塑性應(yīng)變比的影響

本試驗(yàn)用鋼——取向硅鋼因含硅高而很脆,故本試驗(yàn)未能測定上述不同方向的塑性應(yīng)變比 r值。但文獻(xiàn)[7]為我們探討這個問題提供了方便。該文獻(xiàn)利用多晶粘塑性自洽模型模擬計算了包括高斯織構(gòu)材料不同外觀方向的塑性應(yīng)變比(見圖3中的 r(c)值)。圖3中的曲線A是利用本試驗(yàn)表1所列數(shù)據(jù)繪出的。比較這兩條曲線,顯然,二者之間有著較好的對應(yīng)關(guān)系。實(shí)際上,延伸率對塑性應(yīng)變比的影響是由其定義——材料寬度與厚度方向的應(yīng)變比所決定的,而影響這個比值的內(nèi)在因素是晶體的織構(gòu)(多晶材料的擇優(yōu)取向)。

圖3 塑性應(yīng)變比的模擬計算值r(c)與延伸率A之間的關(guān)系

2.5 汽車板的理想織構(gòu)

如上所述,影響材料深沖性能的主要因素是塑性應(yīng)變比。塑性應(yīng)變比大,意味著材料不易減薄,深沖性好,其實(shí)質(zhì)是要求材料厚度方向的強(qiáng)度大,并且要求分布于徑向的各個方向不僅延展性好,強(qiáng)度和各向異性(即力學(xué)性能的差異)也要小。

γ-纖維織構(gòu)(<111>/N.D)恰好能夠滿足這一要求:

第一,γ-纖維織構(gòu)的{111}晶面平行于軋面,而平行于不同的徑向的,是<110>、<112>、<321>和<431>等不同晶向。<111>晶向具有最大的彈性模量(對于α-Fe,其彈性模量是248GPa,見圖4),可以滿足材料厚度方向強(qiáng)度較大因而不易減薄的條件;

第二,{111}晶面內(nèi)雖然有不同的晶向,但它們的力學(xué)性能幾乎相等(見圖5中所示的<110>、< 112>、<321>和<431>的彈性模量),并且均小于<111>的力學(xué)性能(例如,對于α-Fe,它們的彈性模量是均為220GPa,小于<111>的248GPa)。這使得材料各個方向不僅延展性好,而且各向異性小。

第三,垂直并且分布于{111}徑向上的{110}、{112}、{431}和{321}晶面在經(jīng)受沖壓變形時均可能成為滑移面。這可以在更大程度上保證材料徑向形變的延展性和均勻性。

這些因素允許將材料沖制成形狀復(fù)雜的工件,造就了汽車板優(yōu)異的流動性和深沖性。

圖4 α-Fe不同晶向的彈性模量的反極圖表示/GPa

圖5 α-Fe{111}晶面內(nèi)各主要晶向的徑向分布

2.6 汽車板的塑性應(yīng)變比與γ-纖維織構(gòu)分?jǐn)?shù)的關(guān)系

通常,汽車板以理想的γ-纖維織構(gòu)為主,其它織構(gòu)(包括旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)({100}〈011〉)占少量或沒有,利用γ-纖維的軸密度百分?jǐn)?shù)可估算其深沖性。

作為實(shí)例,表2列出了利用X-射線織構(gòu)分析反極圖法測量的四種牌號的汽車板中的γ-纖維織構(gòu)的軸密度百分?jǐn)?shù)f111及用力學(xué)方法實(shí)際測量的塑性應(yīng)變比r的平均值。

參考表2及圖6可見,f111與實(shí)測的塑性應(yīng)變比r值之間有很好的對應(yīng)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.9811,接近于1。這表明,兩者用來評估汽車板的深沖性可以獲得互補(bǔ)的效果。聯(lián)系到本文上邊的分析,應(yīng)該說,這種互補(bǔ)的效果是情理之中的。

上述無論是塑性應(yīng)變比的測量結(jié)果,還是利用X-射線織構(gòu)分析技術(shù)計算的 f111值的結(jié)果,均一致表明:DC系列汽車板比WH180系列汽車板的深沖性好,盡管WH180Y的各向異性小,但因厚度方向強(qiáng)度低,不允許進(jìn)行更深度沖壓,所以其深沖性也低于DC系列汽車板。

表2 四種牌號的汽車板的 rmean值與γ-纖維織構(gòu)的 f111

圖6 γ-纖維織構(gòu)的強(qiáng)度與塑性應(yīng)變比之間的關(guān)系

3 結(jié)論

材料徑向上強(qiáng)度的大小和滑移系存在與否是影響材料延伸率的兩個重要因素:在強(qiáng)度(如彈性模量)小的方向上,材料的延伸率大;在存在滑移系的方向上,材料的延伸率更大,與其它方向相比,材料的延伸率可高達(dá)其他方向的10倍以上。

汽車板等金屬材料的塑性應(yīng)變比與其延伸率呈強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系,而其深沖性還受其塑性各向異性的影響。擁有強(qiáng)烈的γ-纖維織構(gòu)的汽車板在徑向上均勻地分布著各種滑移系和力學(xué)性能相同的晶體學(xué)方向,并且厚度方向的強(qiáng)度高于周圍各方向的強(qiáng)度,所以深沖性極好。

X-射線織構(gòu)分析技術(shù)可以用來評估汽車板的深沖性能。

[1] GB/T 5027-2007.金屬材料.薄板和薄帶塑性應(yīng)變比(r值)的測定[S].

[2] SO10113:2006 Metallic materials-Sheet and strip-Determination of plastic strain ratio[S].

[3] 蘇洪英.金屬薄板塑性應(yīng)變比測量不確定度的評定[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊.2009,45(6):358-360,368.

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