三種強度級別的雙相鋼成形性能研究

方 剛，馬鳴圖，Dongun Kim，金慶生，宋磊峰，蔣松蔚

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；2.Metal Forming Research Group POSCO Global R&D Center，Korea 406-840）

三種強度級別的雙相鋼成形性能研究

方 剛1，馬鳴圖1，Dongun Kim2，金慶生1，宋磊峰1，蔣松蔚1

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039；2.Metal Forming Research Group POSCO Global R&D Center，Korea 406-840）

對三種不同強度級別、不同厚度的雙相鋼進行了系統(tǒng)的成形性試驗，綜合分析了雙向鋼的力學性能、杯突性能、冷彎性能、成形極限。研究表明：雙向鋼的延伸率A及加工硬化指數(shù)n值隨強度級別上升而下降；杯突試驗結(jié)果表明，杯突的高度隨雙相鋼強度級別上升而下降，隨材料厚度升高而升高；雙相鋼冷彎性能隨材料強度級別上升而下降；雙軸應變下的脹形試驗表明雙向鋼具有良好的成形性；基于軟鋼的FLD0（是指成形極限曲線FLC與縱坐標e1的交點的縱坐標值，它是FLD（成形極限圖）上的重要的特征點）經(jīng)驗公式并不能直接套用在雙向鋼上。

雙相鋼；力學性能；成形極限

1 前言

近年來，各地陸續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣使得人們越來越關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產(chǎn)銷國。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2012年中國的汽車產(chǎn)銷量達到1 900萬輛，汽車保有量超過1.2億輛，其帶給環(huán)境的壓力使得節(jié)能減排迫在眉睫，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)高強度鋼的基礎上開發(fā)了多種能滿足汽車工業(yè)發(fā)展要求具有高強度和良好成形性的新鋼種。國際合作項目中的超輕型鋼制車身（ULSAB）樣車設計中，車身全部選用高強度鋼，85%為先進高強度鋼，其中高達74%的零件又采用了雙相鋼。由此可以看出先進高強度鋼，尤其是雙向鋼是汽車用鋼的發(fā)展趨勢[1]。

目前，瑞典SSAB（Swedish Steel AB）、日本新日鐵和韓國POSCO（浦項制鐵）等企業(yè)在超高強度雙向鋼的研究和生產(chǎn)中已取得很大成就。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)中，寶鋼集團有限公司在2009年率先實現(xiàn)1 000 MPa級雙相鋼的產(chǎn)業(yè)化。掌握雙相鋼的成形特性和成形極限，是開展應用的前提和基礎。目前，一些學者已經(jīng)針對雙向鋼進行了一些試驗研究，但研究主要是針對600 MPa級別，對于800 MPa及1 000 MPa級別的雙相鋼，數(shù)據(jù)相對缺乏。因此，系統(tǒng)研究不同強度級別雙向鋼的塑性變形行為，對實現(xiàn)其在汽車輕量化中的應用具有較大的參考價值[2，3]。

本文針對某鋼廠提供的不同級別的雙向鋼，進行了顯微組織、力學性能、彎曲性能、杯突性能、成形極限等方面的系統(tǒng)的分析，為后續(xù)雙相鋼的廣泛應用提供了可靠的技術參考。

2 試驗用鋼和方法

2.1 試驗用鋼

試驗材料采用某鋼廠提供的DP590/1.4 mm、DP590/1.8 mm、DP780/1.4 mm、DP980/1.6 mm四種鋼板，化學成分見表1。

表1 雙相鋼化學成分Table 1 Chemical composition of dual-phase（DP）steel

2.2 顯微組織

任何結(jié)構(gòu)材料的性能總是和它的顯微組織是密切相關的，雙相鋼良好的強度和延性是由它的組織所決定的[4]。圖1為上述四種材料的顯微組織，從圖1a～圖1d可以看到，雙相鋼組織主要包括鐵素體和馬氏體，隨著材料強度級別的提高，馬氏體的含量有不同程度的上升。

圖1 雙向鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of DP steel

2.3 試驗方法

1）拉伸試驗。材料單向拉伸試驗按照GB/T 228（ISO 6892—1）在中國汽車工程研究院股份有限公司的SANS CMT5305D電子萬能拉伸試驗機上進行，采用A80試樣，試樣標距80 mm。

2）冷彎試驗。冷彎試驗是在中國汽車工程研究院股份有限公司的SANS CMT5305D電子萬能拉伸試驗機上進行。試驗參照GB/T 232（ISO 7438）進行。試樣尺寸為160 mm×20 mm。

3）杯突試驗。杯突試驗依照GB/T 4156—2007《金屬杯突試驗方法》進行。沖頭球形部分半徑10mm，壓模孔徑27 mm，墊?？讖?3 mm。試樣寬度大于90 mm。

4）成形性極限試驗。成形性極限試驗按照國標GB/T 15825.8—2008進行。試驗過程中，采用Zwick/BUP600成形試驗機，試驗沖頭直徑為?100 mm，沖壓速度為1.0 mm/s，潤滑條件為：凡士林+軟玻璃，應變測量系統(tǒng)為VALIUX/vario+compact，網(wǎng)格尺寸為2.5 mm。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 力學性能

DP590、DP780、DP980雙相鋼的力學性能見表2。

表2 雙相鋼的力學性能Table 2 Mechanical property of DP steel sheet

以雙向鋼為代表的高強度鋼板，材料性能控制參數(shù)為屈服強度、抗拉強度、加工硬化指數(shù)n和延伸率A[5]。其中，加工硬化指數(shù)n值是衡量材料抵抗局部變薄能力的關鍵參數(shù)，且直接影響成形極限曲線FLC的趨勢[6]。

試驗結(jié)果表明，強度級別的升高使得材料的延伸率A值及n值發(fā)生明顯的降低。同時，雙相鋼在拉伸試驗中并無屈服點平臺，這可能因為雙相鋼中馬氏體形成時，與原來剩下的奧氏體相比體積增加較大且膨脹迅速，將周圍的鐵素體晶粒壓迫變形，同時在變形的鐵素體晶粒內(nèi)，與馬氏體相鄰的圍鐵素體晶粒壓迫變形，同時在變形的鐵素體晶粒內(nèi)，與馬氏體相鄰的晶界附近形成大量的可動位錯，又稱林位錯。因此雙相鋼拉伸變形時，有足夠的可動位錯，無需通過位錯“脫釘”過程來積累可動位錯，故拉伸曲線上沒有屈服現(xiàn)象。但如果馬氏體含量較少，則可能無法形成足夠多的可動位錯，拉伸曲線仍有屈服現(xiàn)象，且抗拉強度較低[7]。

3.2 冷彎性能

雙相鋼彎曲試驗結(jié)果見表3。

制酸一系列2#轉(zhuǎn)化器為單層轉(zhuǎn)化器，該轉(zhuǎn)化器為頂部進氣，側(cè)部出氣設計［3］。轉(zhuǎn)化器內(nèi)部大支柱僅為支撐格柵用，轉(zhuǎn)化器頂部為弧形結(jié)構(gòu)。見圖1所示。

表3 雙相鋼彎曲試驗結(jié)果Table 3 The bending test result of DP steel

試驗結(jié)果表明：雙相鋼冷彎性能隨材料強度級別上升而下降，當t=0時，只有DP590通過試驗，該雙向鋼的冷彎性能與鋼種的硬質(zhì)相的含量有密切關系。

3.3 杯突試驗

杯突試驗參照：GB/T 4156—2007《金屬杯突試驗方法》，試驗照片見圖2。

圖2 雙相鋼杯突試驗照片F(xiàn)ig.2 The cupping test photo of DP steel

雙相鋼杯突試驗結(jié)果見表4。

表4 雙相鋼杯突試驗結(jié)果Table 4 The cupping test result of DP steel

杯突試驗結(jié)果表明，隨雙相鋼強度級別的上升，材料的拉脹成形性能下降；相同強度級別的雙向鋼，厚板的拉脹性能明顯好于薄板。

3.4 雙相鋼成形性極限

成形極限曲線FLC試驗是材料成形性的最直觀和簡單的評價手段，它能準確反映材料在成形過程中的安全裕度。本次試驗試樣及試驗后樣品照片見圖3，材料的成形極限試驗結(jié)果見圖4、圖5。

但對于雙相鋼而言，沒有比較成熟的研究結(jié)果。本文下面將著重針對雙相鋼的FLC試驗進行研究和探討。試驗結(jié)果見圖4。

雙相鋼FLD0的理論計算與試驗結(jié)果比較見表5。

由試驗結(jié)果可知。

1）DP980的塑性較差，較低。DP590/1.4 mm、DP590/1.8 mm、DP780/1.4 mm、DP980/1.6 mm的平面應變點分別為25%、25%、17%、13%，DP590兩種厚度的相近。

2）DP980的成形范圍較窄。如圖4所示，從DP590/1.4 mm、DP590/1.8 mm、DP780/1.4 mm、DP980/1.6 mm的成形極限圖左半部分區(qū)域可以看出，材料的最大量分別為-21%、-22%、-15%、-10%。

圖3 試樣及試驗后樣品照片F(xiàn)ig.3 Test and tested sample

圖4 不同強度級別雙相鋼的成形極限曲線Fig.4 Experimental result of FLD of different DP steel

圖5 不同強度級別雙相鋼的成形極限曲線對比Fig.5 The comparison of FLD experimental result of different DP steels

表5 雙相鋼FLD0理論計算與試驗結(jié)果比較Table 5 FLD0comparisons of DP steels between theory calculation result and test result

3）DP980的脹形性能較差。如圖4所示，從DP590/1.4 mm、DP590/1.8 mm、DP780/1.4 mm、DP980/1.6 mm的成形極限圖右半部分區(qū)域可以看出，材料的最大量分別為45%、50%、38%、25%。

4）從表5可知，試驗與理論計算的偏差相對值均大于30%，這表明基于軟鋼的經(jīng)驗公式并不適用于雙相鋼，對于雙相鋼的經(jīng)驗公式后續(xù)需要大量的試驗驗證。

4 結(jié)語

1）幾種雙向鋼組織主要是鐵素體和馬氏體，無明顯的屈服現(xiàn)象，隨著強度級別的升高，馬氏體的含量有不同程度的上升，這與材料的延伸率A值及n值逐漸降低結(jié)果一致。

2）杯突試驗結(jié)果表明，杯突的高度隨雙相鋼強度級別上升而下降，隨材料厚度升高而升高。

3）雙相鋼冷彎性能隨材料強度級別上升而下降。

4）雙軸應變下的脹形試驗表明雙向鋼具有良好的成形性，隨雙相鋼強度級別的上升，材料的拉脹成形性能下降；相同強度級別的雙向鋼，厚板的拉脹性能明顯好于薄板。

5）與軟鋼經(jīng)驗公式計算值相比，雙向鋼的微觀組織和宏觀力學性能都有了很大的變化，幾種雙向鋼的FLD0試驗與經(jīng)驗值的偏差相對值均大于30%，這表明基于軟鋼的經(jīng)驗公式并不能直接套用在雙向鋼上。

[1]王瑞珍，羅海文，董 瀚.汽車用高強度鋼板的最新研究進展[J].中國冶金，2006 16（9）：1-9.

[2]羊 軍，胡 偉，王武榮，等.1 000 MPa級DP鋼的準靜態(tài)拉伸行為與應變速率的關系[J].鋼鐵研究學報，2011，23（7）：39-42.

[3]蔣浩民，陳慶欣，蘇海波，等.雙相鋼成形性能實驗研究[J].鍛壓技術，2007，32（6）：76-78.

[4]馬鳴圖，吳寶榕.雙相鋼——物理和力學冶金[M].（第二版）.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[5]刁可山，曹 猛，蔣浩民，等.DP600高強鋼零件沖壓成形有限元仿真及試驗[J].塑性工程學報，2010，17（3）：66-69.

[6]Hudgins A W，Matlock D K，Speer J G.Shear failures and bending of advanced high strength steels[J].International Deep Drawing Research Group（IDDRG），2009：53-64.

[7]趙征志，趙愛民，唐 荻，等.熱軋雙相鋼的組織與性能研究[J].工藝裝備，2010（5）：44-46.

[8]陳新平，蔣浩民．汽車鋼板脹形區(qū)成形極限圖的預測與驗證[J].金屬成形工藝，2003，21（6）：86-88.

[9]陳新平，汪承璞.一種預測左半部成形極限圖的簡單方法[J]．金屬成形工藝，2000，18（4）：4-6.

Three kinds of strength level of DP steel formability

Fang Gang1，Ma Mingtu1，Dongun Kim2，Jin Qingsheng1，Song Leifeng1，Jiang Songwei1

（1.China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China；2.Metal Forming Research Group POSCO Global R&D Center，Korea 406-840）

For three different strength level，different thicknesses were systematically formability test，Comprehensive analysis of the mechanical properties of（dual-phase）DP steel，cupping performance，cold bending，forming limit.Studies show that：Elongation and the value of n for DP steel decreases with rising intensity level.Cupping test results show that the height of the cupping with the DP steels up strength level decreases，and increases with increasing thickness of the material.Duplex steel cold bending properties with increased material strength level decreases.Bulging under biaxial strain tests showed that DP steel has good formability.Based on mild steel FLD0empirical formula can’t be directly applied to the DP steel.

DP steel；formability；forming limits

TG386.3+1

A

1009-1742（2014）00-0066-05

2013-10-12

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目（2011BAG03B06）

方 剛，1984年出生，男，湖北廣水市人，工程師，主要研究方向為汽車輕量化與高強鋼成形工藝研究；E-mail：fg_caeri@163.com