車身用第三代高強(qiáng)鋼QP1180沖壓成型性能研究

鄭德兵

關(guān)鍵詞：沖壓成型;數(shù)模分析;TRIP效應(yīng);QP1180鋼

0引言

目前能源問題日益凸顯，對(duì)環(huán)保的要求不斷提高，低能耗成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。而在保證安全性能的前提下進(jìn)行整車輕量化設(shè)計(jì)是汽車降低能耗的重要途徑，車身約占整車質(zhì)量的20%，因而汽車車身，特別是車身骨架件的輕量化設(shè)計(jì)，是整車輕量化的關(guān)鍵，其中采用高強(qiáng)度鋼板是車身骨架輕量化的重要手段。

Q&P鋼（Quenching&Patitioning SteeI），即淬火延性鋼，是一種第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。相比于前兩代高強(qiáng)度鋼，Q&P鋼在保持了較高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，其成型性能大幅度提高，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，特別適用于生產(chǎn)外形相對(duì)復(fù)雜、強(qiáng)度要求較高的沖壓件。Q&P鋼的高強(qiáng)度和高塑性是由于其合理的熱處理工藝形成的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)：鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，其中馬氏體所占分?jǐn)?shù)較高，且具有較高的強(qiáng)度;而殘余奧氏體屬于較軟相，鐵素體為最軟相，所占分?jǐn)?shù)最少。

在塑性變形過程中殘余奧氏體按一定的速率逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度較高的馬氏體，即稱為相變誘發(fā)塑性（TRIP效應(yīng)）。充分利用O&P超高強(qiáng)度鋼板的塑性特性和加工硬化特性，可更好地實(shí)現(xiàn)減重和車輛性能的優(yōu)化。而掌握Q&P高強(qiáng)度鋼的成型特性和成型極限，是開展Q&P鋼沖壓成型應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為寶鋼生產(chǎn)的OP1180薄鋼板，厚度為1.2mm，其主要化學(xué)成分如表1所示。

如圖1所示，B柱內(nèi)板作為車身比較重要的安全零件，需滿足側(cè)碰性能要求，對(duì)鋼板強(qiáng)度要求較高。同時(shí)，因其局部造型復(fù)雜，易發(fā)生開裂、起皺和減薄，對(duì)鋼板塑性也有較高要求。實(shí)驗(yàn)選取以車身B柱內(nèi)板作為檢測(cè)零件，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究QP1180的沖壓成型性能，同時(shí)選擇3種已經(jīng)量產(chǎn)的常用高強(qiáng)鋼板DP800、DP1000和OP980進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1金相實(shí)驗(yàn)

在QP鋼板料上切取10mmx10mm的小塊鑲嵌在塑料粉末固化成的臺(tái)座上制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕金相試樣，用清水洗凈并烘干，分別在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

2.2單向拉伸實(shí)驗(yàn)

將DP800、DP1000、QP980和QP1180這4種材料分別沿與板材軋制方向成0°、45°和90°的方向取樣制作拉伸試件，每個(gè)方向取3個(gè)試件，每種材料共9個(gè)試件。在單向拉伸條件下，°&P鋼中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變量最大，TRIP效應(yīng)越明顯，材料的抗拉強(qiáng)度提升最大。通過4種材料的單向拉伸試驗(yàn)，測(cè)得QP1180等4種鋼板的力學(xué)性能。理論性的分析QP1180和常用高強(qiáng)度鋼板的成型性能差異，從而為后續(xù)沖壓成型的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)提供力學(xué)性能參數(shù)。

2.3沖壓成型實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)制造車身B柱內(nèi)板拉延工序的模具，如圖2所示。通過AUTOFORM數(shù)值模擬分析及實(shí)際沖壓成型研究QP1180與常用高強(qiáng)鋼板的成型能力。由于使用一套模具來測(cè)試4種材料，而且最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1200MPa以上，故為了確保實(shí)驗(yàn)有效成功，在工藝設(shè)計(jì)方面盡量保持均勻的拉延深度，保證零件一次拉延成型，并保證足夠大的壓邊力。在模具設(shè)計(jì)方面，采用機(jī)臺(tái)頂桿提供穩(wěn)定的壓邊力，拉延的凹凸模最小壁厚達(dá)到了100mm，給后期調(diào)整回彈留出了充分的加工量，考慮了可能的鑲塊墊片重新加工、更換鑲塊，甚至于減小閉合高度重新加工的情況。同時(shí)，在AUTOFORM軟件中進(jìn)行CAE分析，模擬實(shí)際沖壓過程，并測(cè)得減薄率，確定各板材開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1金相結(jié)果與分析

光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下QP1180的微觀組織形貌如圖3所示，其原始組織主要由板條馬氏體（M）和多邊形鐵素體（F）組成，在鐵素體區(qū)域中分布著零散突起的殘余奧氏體島（A），同時(shí)部分殘余奧氏體還以薄片的形式存在于板條馬氏體中以及晶界上。馬氏體具有較高的強(qiáng)度與韌性保證了Q&P鋼的強(qiáng)度，而作為混合組織中的最軟相，鐵素體保證了Q&P鋼良好的塑性。殘余奧氏體相則會(huì)在后續(xù)塑性變形過程中發(fā)生TRIP效應(yīng)，轉(zhuǎn)變生成馬氏體組織，進(jìn)一步提高材料的整體力學(xué)性能。

3.2材料力學(xué)性能

DP800、DP1000、QP980和OP1180這4種材料的力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果來看，QP1180抗拉強(qiáng)度最大，超過1200MPa，延伸率大于DP1000，小于DP800。其加工硬化指數(shù)低于其他3種鋼，各向異性系數(shù)則高于其他3種高強(qiáng)鋼，從各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)來看，QP1180的力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于DP鋼，在具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，還具有較好的成型性能。

3.3沖壓成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

3.3.1數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

沖壓實(shí)驗(yàn)中四種材料的板厚和毛坯尺寸完全相同，板厚均為1.2mm。應(yīng)用AUTOFORM軟件對(duì)四種高強(qiáng)度材料的沖壓成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證沖壓實(shí)驗(yàn)采用的都是相對(duì)優(yōu)化的成型工藝。采用機(jī)臺(tái)頂桿壓邊，經(jīng)過數(shù)值模擬優(yōu)化，四種高強(qiáng)鋼板的壓邊力均為6000kN。拉延成形模擬結(jié)果如圖4所示。

可以看出4種材料的B柱內(nèi)板上減薄率最高處均為A點(diǎn)，此點(diǎn)為開裂風(fēng)險(xiǎn)最大點(diǎn)，故將其選作參考點(diǎn)來比較不同材質(zhì)的成型性能。A點(diǎn)減薄率結(jié)果如表3所示，QP1180在A點(diǎn)的減薄率比DP1000略小，大于DP800。而OP1180的延伸率和硬化指數(shù)都比DP800小，但是各向異性參數(shù)r值比DP800大，模擬結(jié)果顯示QP1180的成型能力比DP800的成型能力略差，但優(yōu)于DP1000。

3.3.2沖壓成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在獲得數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行沖壓成型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步論證數(shù)模結(jié)果。分別對(duì)DP800、DP1000、QP980和OP1180進(jìn)行沖壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

四種材料沖壓實(shí)驗(yàn)樣品均未發(fā)生開裂，采用測(cè)厚儀測(cè)量A點(diǎn)的實(shí)際減薄率，結(jié)果如表4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬基本一致，說明數(shù)模結(jié)果較為準(zhǔn)確。QP1180的減薄率比DP1000的略小，但大于DP800和QP980，充分說明了QP1180的沖壓成型能力略差于DP800，但優(yōu)于DP1000。

4結(jié)論

（1）QP1180的微觀組織是以馬氏體為基體，鐵素體和殘余奧氏體均勻混合分布。部分殘余奧氏體島分布在鐵素體中，其余成薄片狀?yuàn)A雜在板條馬氏體里和晶界上。

（2）力學(xué)性能上來看，QP1180的各向異性指數(shù)大于DP800和DP1000，而材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于DP1000。

（3）通過B柱內(nèi)板拉延成形實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法證明QP1180的實(shí)際沖壓成形能力優(yōu)于DP1000。