DP590冷軋雙相鋼成形性能研究

供稿|王亞東，楊天一 / WANG Ya-dong, YANG Tian-yi

雙相鋼的特點(diǎn)與應(yīng)用

雙相鋼是以相變強(qiáng)化為基礎(chǔ)，由低碳鋼或者低碳微合金鋼經(jīng)兩相區(qū)熱處理或控軋控冷得到，其顯微組織主要為鐵素體和馬氏體，馬氏體以島狀彌散分布在鐵素體基體上。軟的鐵素體通常是連續(xù)的，賦予雙相鋼較低的屈強(qiáng)比、較大的延伸率，具有優(yōu)良的塑性；而硬的馬氏體則賦予其高的強(qiáng)度，同時(shí)鐵素體在變形過程中會(huì)遇到硬相馬氏體的阻礙產(chǎn)生大量位錯(cuò)而快速地產(chǎn)生加工硬化，有利于流變應(yīng)力均勻分布，這樣也促使雙相鋼具有良好的成形性能。雙相鋼具有低屈強(qiáng)比(σs/σb)、高初始加工硬化速率、高烘烤硬化性能、良好的強(qiáng)塑性匹配等特點(diǎn)[1-2]，已發(fā)展成為一種汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度沖壓用鋼。

雙相鋼一般用于需要高強(qiáng)度、高抗碰撞吸收能且有一定成形要求的汽車零件，如汽車B柱、縱梁、保險(xiǎn)杠、懸掛系統(tǒng)及其加強(qiáng)件等。隨著鋼板的性能和沖壓成形技術(shù)的進(jìn)步，雙相鋼也應(yīng)用于內(nèi)外板等汽車覆蓋件上。在國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)ULSAB-AVC項(xiàng)目的用材情況和比例中，雙相鋼在其兩種概念車車身用材料中位居主要地位，均達(dá)到74%，是汽車上高強(qiáng)度鋼板使用量最大的鋼種[3-4]。

成形性能研究過程及方法

微觀組織及力學(xué)性能分析

如圖1所示，DP590冷軋雙相鋼的顯微組織主要由鐵素體和分布在其周圍的少量馬氏體組成，鐵素體晶粒尺寸約為11 μm。由這種雙相顯微組織產(chǎn)生優(yōu)良的力學(xué)性能，如低的屈服強(qiáng)度、高的抗拉強(qiáng)度、高的加工硬化和良好的延伸率。厚度不同的DP590冷軋雙相鋼其馬氏體含量也不同，厚度為1.5 mm和2.0 mm的DP590冷軋雙相鋼其馬氏體含量分別為14.1%和12.9%。

圖1 DP590冷軋雙相鋼的金相顯微組織。(a)1.5 mm厚的DP590組織；(b)2.0 mm厚的DP590組織

圖 2 DP590冷軋雙相鋼的SEM照片。(a) 1000倍下的DP590組織；(b) 5000倍下DP590組織

DP590冷軋雙相鋼在掃描電鏡下觀察，由圖2可以看出馬氏體島具有明顯的浮凸效應(yīng)，并且具有白亮的邊圈，而鐵素體呈暗黑色。

DP590冷軋雙相鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率、加工硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比等參數(shù)均對(duì)其成形性有一定的影響。拉伸試驗(yàn)可以對(duì)雙相鋼的成形性能做初步的研究。

由表1可知，DP590冷軋雙相鋼的力學(xué)性能具有一定的優(yōu)越性，但相比深沖用鋼板，如DC06，其強(qiáng)度高、n值、r值和延伸率均較低[5]。屈服強(qiáng)度小的鋼板在較小應(yīng)力下容易流動(dòng)，成形后回彈小，定型性好。屈強(qiáng)比越小，即屈服強(qiáng)度小，抗拉強(qiáng)度大，材料的加工硬化大，在沖壓變形時(shí)，板料邊緣變形所需的力就小，在變形過程中零件危險(xiǎn)斷面的承載能量越高，形成的殼體不易破壞，沖壓性能較好。

n值的物理意義為單向拉伸出現(xiàn)頸縮時(shí)的變形量，n值越大，代表材料均勻變形的能力越強(qiáng)，于是局部破裂的可能性降低。對(duì)于以拉漲為主的變形，變形的均勻性顯得重要，變形越均勻，總的變形量就大，因此n值越大，許可總的變形量大。

r值的物理意義為單向拉伸是寬度與厚度方向的應(yīng)變比，r值越大，板面內(nèi)變形比厚向變形更容易，于是材料不容易減薄，破裂的可能性降低。r值和材料的拉深性能優(yōu)劣直接相關(guān)。雙相鋼DP590的r值小于1，這主要是由于在晶粒位相上存在著對(duì)r值不利的馬氏體相，在塑性變形時(shí)在硬質(zhì)馬氏體周圍產(chǎn)生了多重滑移導(dǎo)致變形雜亂所造成的。成形試驗(yàn)時(shí)，雙相鋼容易在厚度方向上變形而導(dǎo)致開裂。

延伸率與鋼板的成形性能有密切的關(guān)系。延伸率直接決定著鋼板在拉伸變形中的沖壓性能，延伸率越大，鋼材的塑性變形能力越好[6]。

表1 DP590冷軋雙相鋼的力學(xué)性能

擴(kuò)孔試驗(yàn)及分析

將DP590冷軋鋼板在凸模速度為10 mm/min、壓邊力為100 kN、控制載荷為5 kN的試驗(yàn)條件下進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)。試驗(yàn)在板材成形試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 15825.4—2008進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，DP590冷軋鋼板擴(kuò)孔率較低，擴(kuò)孔性能較差，因此翻邊性能較差。

表2 DP590冷軋雙相鋼的擴(kuò)孔試驗(yàn)結(jié)果

擴(kuò)孔性能和DP590的金相組織及力學(xué)性能有著密切的關(guān)系，DP590鋼板中的馬氏體起到提高強(qiáng)度的作用，在成形過程中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生加工硬化，應(yīng)力應(yīng)變指數(shù)n值迅速增加，導(dǎo)致DP590發(fā)生擴(kuò)孔部分應(yīng)力急速增加達(dá)到抗拉強(qiáng)度從而產(chǎn)生裂紋，擴(kuò)孔試驗(yàn)終止。因此DP590的擴(kuò)孔性能較差沒有深沖用鋼板優(yōu)良[7]。n值越大在變形過程中應(yīng)力分布均勻，成形程度越高，擴(kuò)孔性能越好；延伸率越大，說明材料的可變形程度越大，隨著延伸率的增加，擴(kuò)孔率明顯增加。

成形極限圖的建立與研究

成形極限圖可以較全面地表征各種鋼板在各種應(yīng)力狀態(tài)下的成形性，是判斷和評(píng)定板材成形性最為簡(jiǎn)單和直觀的方法，是解決板材沖壓成形問題的一個(gè)非常有效的工具[8]。繪制出成形極限圖可以有效評(píng)價(jià)鋼板的成形性能，具有一定的實(shí)際意義。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24171.2—2009，試驗(yàn)在板材成形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，使用在線測(cè)量系統(tǒng)采集圖像數(shù)據(jù)，繪制成形極限圖FLD如圖3所示。

FLD0(平面應(yīng)變特征點(diǎn))是材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下的極限應(yīng)變(e2=0)，其大小反映了材料的抗破裂能力，也是確定成形極限曲線位置的關(guān)鍵點(diǎn)。從圖3可以看出，不同厚度DP590冷軋雙相鋼的FLD0為30%左右，成形性能良好。

圖3 DP590冷軋雙相鋼的成形極限圖。(a) 1.5 mm厚的DP590；(b) 2.0 mm厚的DP590

結(jié)論

(1) DP590的微觀組織主要由連續(xù)分布鐵素體和彌散分布的馬氏體組成，晶粒尺寸約為11 μm。

(2) DP590的擴(kuò)孔性能隨其n值和延伸率的增加而增大；但DP590中含有的馬氏體會(huì)降低其延伸率，使其擴(kuò)孔性能相對(duì)較差。

(3) 建立成形極限圖，DP590冷軋雙相鋼的FLD0為30%左右，成形性能良好。

[1] Heller T，End B，Ehrhardt B，et a1．New high strength steels production，properties＆applications//40th MWSP Conf Proc．ISS，1998．25

[2] Shi M F，Thomas G H，Chen X M．Formability Performance Comparison Between Dual Phase and HSLA Steels//43th MWSP Conf Proc．ISS，2001，165

[3] 王利，楊雄飛，陸匠心．汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼鋼板的發(fā)展．鋼鐵，2006，41(9)：1

[4] 康永林，鄺霜，于浩，等．汽車用雙相鋼的開發(fā)與研究進(jìn)展．汽車工藝與材料，2005，(5)：1

[5] 張文瑞，曹陽根，楊尚磊，等．DC06鋼極限拉深系數(shù)測(cè)定．鍛壓技術(shù)，2014，(39)，41

[6] 許可．影響鋼板沖壓成形極限因素的研究．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20(4)：20

[7] 陳占杰．冷軋深沖板成形性研究．沈陽：東北大學(xué)，2010

[8] 胡世光，陳鶴錚．板料冷壓成形的工程解析．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004，73