溫成形溫度對(duì)雙相鋼B340/590DP拉深性能的影響

鄧俊彥，吳愷威，鄧沛然

(1,東莞理工學(xué)院城市學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，廣東東莞523419;2,上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620)

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溫成形溫度對(duì)雙相鋼B340/590DP拉深性能的影響

鄧俊彥1，吳愷威2，鄧沛然2

(1,東莞理工學(xué)院城市學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，廣東東莞523419;2,上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620)

研究了再結(jié)晶溫度以下不同溫度的雙相鋼B340/590DP的拉深性能.數(shù)值模擬顯示B340/590DP鋼隨著溫度的上升拉深過程中材料的等效應(yīng)力是下降的，但材料的實(shí)際拉深性能在300 ℃以內(nèi)并未隨溫度的升高而改善，在溫度超過400 ℃以后材料的拉深性能明顯改善，在500 ℃時(shí)材料的拉深極限系數(shù)由常溫的0.52降為0.5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度加熱至400 ℃以上時(shí)，板料的實(shí)際成形性能提高，拉深試樣的厚度分布更加均勻.

雙相鋼，拉深，成形性能

輕量化、環(huán)保、節(jié)能和安全已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要趨勢，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一，其中， DP雙相鋼是汽車上運(yùn)用最廣的品種之一[1].雙相鋼屬于相變強(qiáng)化高強(qiáng)度鋼，顯微組織為鐵素體和馬氏體，由低碳微合金鋼經(jīng)兩相區(qū)熱處理或控軋控冷得到，馬氏體組織以島狀均勻分布在鐵素體基體上[2-5]，具有屈服比低、無屈服延伸、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)高和良好的抗碰撞性能等特點(diǎn).

雙相鋼板在室溫成形時(shí)塑性差、回彈嚴(yán)重，高強(qiáng)度雙相鋼的成形范圍更窄[6]，當(dāng)成形程度太大時(shí)容易破裂，而用熱成形又存在產(chǎn)品脫碳和工藝控制不當(dāng)時(shí)的晶粒粗大現(xiàn)象.就鋼材熱加工工藝而言，在溫度低于材料的再結(jié)晶溫度的熱加工稱為溫成形，溫成形工藝能提高金屬材料的成形性能[7-8]，溫成形既具有冷成形的效率高、節(jié)省原材料的優(yōu)點(diǎn)，也有熱成形的成形力小、設(shè)備噸位需求小的優(yōu)點(diǎn).溫成形與冷成形相比，提高了材料的變形極限，成形質(zhì)量又比熱成形好，對(duì)高強(qiáng)度鋼板的成形研究有積極的意義.

數(shù)值模擬在沖壓成形的應(yīng)用越來越廣泛，能提供有效的參考[9]，我們結(jié)合數(shù)值模擬，在伺服壓力機(jī)上，利用沖壓成形測試系統(tǒng)對(duì)B340/590DP板料進(jìn)行溫拉深實(shí)驗(yàn)，研究了不同溫度下B340/590DP板料的成形性能，找出該類材料溫拉深成形的溫度范圍，為超高強(qiáng)鋼板的溫成形研究提供有效的參考.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本研究所用的實(shí)驗(yàn)材料為寶鋼雙相鋼B340/590DP冷軋板，其中，340表示標(biāo)準(zhǔn)試樣的屈服強(qiáng)度不低于340 MPa，590表示抗拉強(qiáng)度不低于 590 MPa，而DP則代表雙相鋼(Dual Phase)，其化學(xué)成分如下表1.

表1 B340/590DP化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 建立有限元模型.

凸凹模的直徑分別為24.2和25.9 mm，拉深模擬的板料厚度為0.8 mm，將圖形和不同溫度下真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變值及其它材料參數(shù)導(dǎo)入Dynaform 軟件完成數(shù)值模型，對(duì)板料的成形加工進(jìn)行模擬.

(2) 沖壓設(shè)備為H1F60小松伺服壓力機(jī)開發(fā)的“沖壓成形測試系統(tǒng)”，在伺服壓力機(jī)的沖壓模架內(nèi)設(shè)置加熱組件，能在沖壓過程對(duì)板料進(jìn)行加熱.對(duì)板料在伺服壓力機(jī)上進(jìn)行熱拉深實(shí)驗(yàn)，探究板料在不同溫度下的成形性能.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 B340/590DP材料的力學(xué)性能

本研究需要對(duì)較高溫度下的板料進(jìn)行模擬和試驗(yàn)，為此對(duì)不同溫度下的B340/590DP材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測驗(yàn).圖1為拉伸試樣的幾何尺寸；圖2是在Zwick萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上測不同溫度的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變圖，由圖2可以看出，在大部分的應(yīng)變階段，300 ℃時(shí)材料的變形應(yīng)力大于200 ℃的變形應(yīng)力.觀察300 ℃下拉伸試樣(見圖3)，其表面呈藍(lán)色，200和400 ℃拉伸試樣表面則為灰色氧化物，這種現(xiàn)象應(yīng)是材料的藍(lán)脆現(xiàn)象所導(dǎo)致[10]，并在拉深實(shí)驗(yàn)時(shí)影響到成形性能.400、500和600 ℃下拉伸時(shí)，隨著溫度的升高，B340/590DP的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所降低，在應(yīng)變較小時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率較大，在應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著應(yīng)變的增加，在保持水平一段時(shí)間后，緩慢下降.

圖1 拉伸試樣幾何尺寸/mm

圖2 B340/590DP試樣不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變圖

圖3 拉伸試樣照片

2.2 拉深成形模擬結(jié)果

2.2.1 板料尺寸對(duì)冷拉深模擬結(jié)果的影響

在成形極限圖FLD中，根據(jù)不同的應(yīng)變狀態(tài)分為破裂區(qū)、破裂趨勢區(qū)、安全區(qū)(Safe)、起皺趨勢區(qū)、起皺區(qū)、嚴(yán)重起皺區(qū)和成形不充分區(qū)一共7種區(qū)域，分別用不同的顏色在模擬后的試樣上標(biāo)出.其中紅色的破裂區(qū)用來判斷板料發(fā)生破裂，深紫色的嚴(yán)重起皺區(qū)用來判斷起皺，其他顏色的狀態(tài)一般均可視為沒有缺陷的正常成形.

凸模移動(dòng)速度v=60 mm/s，B340/590DP板料的拉深比約為1.85，對(duì)應(yīng)拉深系數(shù)值為0.54[11]，所以材料直徑設(shè)為44、46和48 mm，持續(xù)時(shí)間設(shè)為位移控制，46、48 mm板料的模擬結(jié)果見圖4和圖5.

圖4 直徑為46 mm板料成形極限的模擬結(jié)果

圖5 直徑為48 mm板料成形極限的模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果來看，在相同的工藝參數(shù)下，44 mm 和46 mm板料可成形，從46 mm板料的FLD曲線(圖4)上看，板料上并沒有點(diǎn)進(jìn)入破裂區(qū)，可以認(rèn)為板料并沒有發(fā)生破裂.而直徑為48 mm的板料，從成形極限圖5中就可以看出，在拉深還沒結(jié)束，筒壁區(qū)還未完全成形時(shí)，板料就已發(fā)生破裂，且破裂就發(fā)生在凸模圓角區(qū).

2.2.2 溫拉深模擬的溫度場和等效應(yīng)力場分布

速度設(shè)置為60 mm/s，壓邊力設(shè)置為20 kN，由于本研究使用的加熱系統(tǒng)為自主研發(fā)的電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)效果，在數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置的過程中，工具溫度設(shè)置為試驗(yàn)實(shí)際的加熱溫度，板料溫度則設(shè)置比工具溫度低50 ℃，不同溫度模擬結(jié)果見圖6和圖7.

從圖6和圖7中的溫度場的分布可以看出，在拉深完成的工件上，筒底區(qū)的溫度最低，沿直壁區(qū)網(wǎng)上溫度逐漸升高，而杯口部分溫度最高，杯口部分溫度平均溫度比初始工具溫度低50 ℃左右，但局部地區(qū)的最高溫度大于初始工具溫度.這是因?yàn)橹行牟课缓涂諝膺M(jìn)行熱量傳遞與熱輻射，溫度略有降低.在拉深成形階段，隨著凸模的不斷下行，板料與模具的接觸情況在不斷的變化，板料的變形程度也隨之變大，當(dāng)凸模下降到最低點(diǎn)，板料得到成分拉深，傳熱則更加充分.而筒壁中上部出現(xiàn)局部溫度過高的情況，經(jīng)過分析可知，板料在流過凹模圓角的過程中，一是發(fā)生形變，產(chǎn)生變形功，二是由于摩擦產(chǎn)生一定的熱量，并且不斷的積聚，最終使得筒形件中上部分溫度偏高.

圖6 初始溫度為200 ℃時(shí)工件模擬結(jié)果

圖7 初始溫度為600 ℃時(shí)工件模擬結(jié)果

圖8 不同溫度下的最大等效應(yīng)力

等效應(yīng)力場分布圖顯示，筒壁上部的等效應(yīng)力場最大，圖8為不同溫度下的最大等效應(yīng)力圖.隨著初始溫度的升高，成形件的最大等效應(yīng)力減小，從200 ℃的780 MPa減小到600 ℃的488 MPa.等效應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的Von Mises 應(yīng)力，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論).其主要含義是：當(dāng)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的等效應(yīng)力達(dá)到某一與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)的定值時(shí)，材料就屈服；或者說材料處于塑性狀態(tài)時(shí)，等效應(yīng)力始終是一不變的定值.因此，等效應(yīng)力的大小可以衡量板料成形的難易程度.上述模擬結(jié)果表明隨著溫度的升高，在變形過程中的等效應(yīng)力下降，抗形變力降低，板料的成形性能得到提高.

2.3 板料拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用線切割切出直徑分別44、46和48 mm的圓形板料，板料厚度為0.8 mm，每組6片，并用砂紙打磨板料邊緣.沖壓速度設(shè)置為60 mm/s，壓邊力設(shè)置為 20 kN 的參數(shù)條件下，拉深結(jié)果見表2，成形代表6個(gè)試樣拉深均完好.

表2 不同尺寸的試樣拉深試驗(yàn)結(jié)果

在加熱溫度為200 ℃和300 ℃條件下，相比冷成形條件下，其成形性能并沒有得到了提高，且觀察加熱狀態(tài)下的破裂拉深試樣，其拉深深度較比常溫下的破裂試樣反而有所降低(圖9).相比常溫條件的拉深試驗(yàn)結(jié)果，板料在加熱溫度為400 ℃以上時(shí)板料的成形性能明顯提升，按“3好3破”的國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)加熱溫度為500 ℃時(shí)板料的拉深極限尺寸由常溫下的46 mm提高到48 mm.

圖9 48 mm試樣在常溫(a)、 200 ℃(b)、 300 ℃(c)溫度下的破裂試樣

對(duì)48 mm常溫、400 ℃和500 ℃拉深成功的試樣進(jìn)行厚度測量，測量點(diǎn)見圖10，1為筒底部分中心，2為筒底部分邊緣，3為凸模圓角區(qū)，4為筒壁區(qū)下端，5為筒壁區(qū)中心，6為筒壁區(qū)上沿，結(jié)果如圖11.筒壁區(qū)上沿區(qū)域最厚，凸模圓角區(qū)最薄，凸模圓角區(qū)常溫、400 ℃和500 ℃的厚度分別為0.649、0.667和0.674 mm，筒壁區(qū)上沿的分別為1.01、0.938和0.95 mm，兩者的差值分別為0.361、0.271和0.275 mm，400 ℃和500 ℃的拉深試樣凸模圓角區(qū)的厚度都大于常溫下的拉深試樣，筒壁區(qū)上沿的厚度小于常溫下的，厚度分布更加均勻.

圖10 工件上的厚度測量點(diǎn)

圖11 不同溫度下的拉深試樣厚度分布

2.4 板料拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

板料在拉深過程中存在5個(gè)部分：筒底部分、凸模圓角部分、筒壁部分、凹模圓角部分、凸緣部分[12-13].其厚度最小值出現(xiàn)在凸模圓角部分，筒壁部分厚度逐漸增加，靠近凸緣部分厚度最大.

拉深拉裂主要取決于兩個(gè)方面：筒壁傳力區(qū)中的拉應(yīng)力和筒壁傳力區(qū)的抗拉強(qiáng)度.當(dāng)筒壁拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破裂.凸模圓角部分的材料一直承受筒壁傳束的拉應(yīng)力，并且受到凸模的壓力和彎曲作用.在拉、壓力綜合作用下，使這部分材料變薄嚴(yán)重，因此該部分是拉深變形時(shí)最脆弱的部分，容易發(fā)生拉裂破壞，該處的承受能力決定了拉深變形的成形極限.

在數(shù)值模擬中，凸模圓角處的溫度最低，凹?？谔幍臏囟茸罡?凹模圓角區(qū)域較高的溫度使該處材料更易進(jìn)入凹模，有利于凸緣部分材料的減薄和消除拉深過程中的起皺.

從模擬結(jié)果來看，室溫拉深時(shí)，48 mm的凸緣部分較46 mm的大，圖3深紫色區(qū)顯示筒壁區(qū)上沿和凸緣區(qū)域起皺，表明凸緣區(qū)的金屬不能順利進(jìn)入凹凸模之間的間隙，板料在凹模端面起皺.起皺的板料難以通過凹凸模間隙，從而進(jìn)入強(qiáng)行拉入狀態(tài)，在凹模口區(qū)域堆積的板料不能及時(shí)拉入間隙的情況下，筒壁區(qū)材料將會(huì)由于拉應(yīng)力增大而產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，這與實(shí)際拉深的結(jié)果基本是一致的，室溫下直徑為48 mm的板料板料拉深結(jié)果為1好5破，數(shù)值模擬的結(jié)果有良好的參考作用.

隨著溫度的升高，等效應(yīng)力減小，變形抗力降低，拉深時(shí)凸模的載荷也降低，改善了拉深件的壁厚分布，增大了凸模圓角部分厚度，減少了筒壁區(qū)上沿部分的厚度，避免了由此導(dǎo)致的相應(yīng)區(qū)域材料在拉深過程中的斷裂，從而提高了拉深變形的成形極限；較比冷成形的工藝條件，溫度越高金屬的流動(dòng)性能相對(duì)較好，有利于拉深的進(jìn)行.

在300 ℃進(jìn)行拉深時(shí)，由于在該溫度區(qū)域，雙相鋼發(fā)生藍(lán)脆[14-15]，板料有抗拉強(qiáng)度、硬度升高，而延伸率、斷面收縮率下降的現(xiàn)象，材料變形能力變差導(dǎo)致板料更難進(jìn)入凹凸模間隙，拉深性能更差.溫成形溫度為300 ℃時(shí)，直徑為48 mm的板料的拉深結(jié)果為6破，相對(duì)室溫下，拉深性能有所降低，這是低碳合金鋼的藍(lán)脆導(dǎo)致的，該溫度區(qū)域不利于B340/590DP板料溫拉深加工.

在溫度超過400 ℃條件下，B340/DP590雙相鋼的成形極限相對(duì)冷成形有所提高，凸模圓角區(qū)的厚度都大于常溫下的，筒壁區(qū)上沿的厚度小于常溫下的，減少由此導(dǎo)致的破裂，厚度分布更加均勻，成形性能越好.溫成形對(duì)深拉深沖壓工藝有明顯意義.

在沖壓過程中，一般將板料在出現(xiàn)拉深失穩(wěn)前，毛坯所能承受的最大變形程度稱為成形極限，此時(shí)的凸模直徑與板料直徑的比值稱為板料的極限拉深系數(shù)，mc=d凸/Dmax.

由GB/T 15825.3-2008中公式計(jì)算可得，常溫下 0.8 mm 厚度板料B340/590DP雙相鋼板最大試樣直徑D0max=46.33 mm，則常溫下拉深極限系數(shù)為0.52.

超過400 ℃，拉深性能提高，當(dāng)加熱溫度為500 ℃時(shí)板料的拉深極限尺寸由常溫下的 46.33 mm 提高到48 mm，拉深極限系數(shù)減小至0.50，板料的成形性能提高了.

3 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬顯示，室溫下，拉深速度v=60 mm/s時(shí)，直徑44 mm 和46 mm板料可成形，而直徑為48 mm的板料則出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，實(shí)際拉深直徑44、46和48 mm板料的結(jié)果分別為6好、4好2破和1好6破，數(shù)值模擬與實(shí)際拉深結(jié)果一致；隨著溫度的升高，板料變形抗力降低，流動(dòng)性和成形性能變好，其拉深的極限尺寸也隨之增大，數(shù)值模擬為實(shí)際拉深提供了較好的參考.

(2)300 ℃時(shí)，由于藍(lán)脆現(xiàn)象的發(fā)生，板料的成形性能比常溫時(shí)反而有所下降，該溫度區(qū)間不適宜B340/590DP板料溫拉深加工.

(3)在400 ℃及以上溫拉深時(shí)，板料的成形性能有所提高，拉深極限尺寸從常溫的46.33 mm提高到500 ℃的48 mm，拉深極限系數(shù)減小至0.50，拉深試樣的厚度分布更加均勻.溫拉深工藝可以使板料的成形性能提高，對(duì)超高強(qiáng)鋼板溫成形研究有積極的參考作用.

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Effect of warm forming temperature on drawing properties of dual phase steel B340/590DP

Deng Junyan1，Wu Kaiwei2，Deng Peiran2

(1. Lab Center, City College, Dongguan University of Technology, Dongguan, 523419,China; 2.School of Materials and Technology Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai,201620, China)

The drawing property of the dual phase steel B340/590DP below recrystallization temperature was studied. A numerical simulation showed that the equivalent stress decreases with rise of temperature in drawing, however the actual deep drawing properties within 300 ℃ do not improve with rise of the temperature, while the drawing properties are improved significantly when temperatures are over 400 ℃. The drawing limit coefficient at 500 ℃ drops to 0.5 from 0.52. The experimental results showed that the actual forming property is improved above 400 ℃.The drawing sample thickness distribution is more uniform.

dual-phase steel; drawing; forming performance

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.014

TG 142.1

A

1671-6620(2016)03-0230-07