奧氏體不銹鋼冷拉伸變形特性及實(shí)驗(yàn)研究

楊少增，陳博洋，葛光凌，徐 生

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江寧波 315600）

0 引言

不銹鋼是指耐空氣、水、弱腐蝕性介質(zhì)或具有不銹性能的鋼種，又被稱為不銹耐酸鋼。不銹鋼作為20 世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，被廣泛地應(yīng)用于化工生產(chǎn)、軍工、海洋設(shè)施和耐腐蝕合金產(chǎn)品領(lǐng)域，其中主要的不銹鋼制品就是各類日用器皿及賓館、飯店的不銹鋼廚房設(shè)備。隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對不銹鋼的需求和材料的綜合性能要求日趨增大，近些年更是以10%以上的速度逐年遞增［1-3］。而不銹鋼的技術(shù)研究往往只重視大型覆蓋件（如汽車覆蓋件），忽視了民用小型器皿等金屬成型工藝的研究，拉伸技術(shù)和設(shè)備水平相對落后，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有待提高［4-6］。

板材拉伸成形方法是板材沖壓加工方法中比較典型且至關(guān)重要的加工方法，經(jīng)過70 多年的發(fā)展和創(chuàng)新，該工藝在汽車、飛機(jī)、電子等發(fā)展領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［7-9］。20世紀(jì)50年代，金屬板材沖壓成形工藝作為板材的重要成形方法，國內(nèi)外學(xué)者對其研究從未間斷。Sinha 等［10］研究了 316 L 奧氏體不銹鋼在拉深過程中的微觀結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)隨應(yīng)變的變化。肖良紅等［11］用納米壓痕試驗(yàn)研究了拉深比對304 不銹鋼圓筒拉深件筒壁殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：304不銹鋼圓筒拉深件外壁的殘余拉應(yīng)力從筒底到口部先增大后減小，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在筒壁中部約60%筒壁高度處。黃澤［12］對奧氏體不銹鋼試樣在常溫試樣在常溫和深冷環(huán)境下的拉伸力學(xué)性能研究，得到應(yīng)變強(qiáng)化前后，材料在常溫和深冷環(huán)境下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了其宏觀力學(xué)性能的變化。盡管國內(nèi)外諸多學(xué)者對金屬板材拉深過程中的結(jié)構(gòu)組織和應(yīng)變進(jìn)行大量的深入研究，但是卻沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來揭示金屬板材沖壓的變形特性，且對實(shí)際加工和生產(chǎn)中缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

因此，本文針對不銹鋼冷拉伸成形問題，通過不銹鋼板材單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到不同厚度的不銹鋼試件參數(shù)性能；建立ABAQUS 有限元模型，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到不銹鋼板材拉伸變化特性。

1 不銹鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)

為探究不銹鋼拉伸過程中的變形性能，首先進(jìn)行不銹鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)來分析不銹鋼的拉伸特性。選取如圖1 所示的不銹鋼試件，試件厚度選擇0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm，分別在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不銹鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)，可以得到如圖2 所示的不銹鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

從圖2中可以看出，不銹鋼板材隨著拉應(yīng)力的逐漸增加，在200 MPa 左右時達(dá)到屈服強(qiáng)度，開始產(chǎn)生應(yīng)力變形；隨著應(yīng)力的逐漸增加，變形量逐漸增大；當(dāng)應(yīng)力增加到（450～500）MPa時，不銹鋼板材達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，試件發(fā)生斷裂；可以看出，不銹鋼板材具有良好的抗拉強(qiáng)度和韌性。

圖1 試驗(yàn)樣本尺寸

圖2 不銹鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用0.5 mm 厚度板材進(jìn)行拉伸時，試件的抗拉強(qiáng)度略低于0.6 mm 和0.8 mm 板材，試件的伸長率同樣小于其他兩種板材，說明隨著試件的厚度的增加，不銹鋼板材的抗拉強(qiáng)度隨之增加。采用0.6 mm厚度板材進(jìn)行拉伸時，試件的伸長率要高于其他兩種試件，抗拉強(qiáng)度略低于0.8 mm 試件。因此，在進(jìn)行不銹鋼板材多向拉伸時，選用0.6 mm作為板材拉伸的厚度。

2 不銹鋼多向拉伸數(shù)值模擬

為探究奧氏體不銹鋼板材冷拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，進(jìn)行不銹鋼多向拉伸數(shù)值模擬，在UG 中建立單向拉伸試件模型，將3D數(shù)模包含板材的數(shù)模、上模和下模三維模型分別導(dǎo)入Hypermesh操作界面，進(jìn)行不銹鋼拉伸過程仿真。模型中分別建出沖壓材料的材料屬性，鑒于模具厚度遠(yuǎn)大于材料，在模型中將模具簡化為不可變形的剛體，因此對應(yīng)的網(wǎng)格類型為R3D3和R3D4；板材的材料為不銹鋼材料，抽取中面網(wǎng)格，該網(wǎng)格類型為S3和S4，并對殼單元賦予厚度，模型中鋼材的模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33；采用ABAQUS Explicit 顯示算法，建立曲線，將上模設(shè)立參考點(diǎn)，設(shè)置向下位移以到達(dá)理論位置。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不銹鋼拉伸仿真結(jié)果

從圖3可以看出，不銹鋼板材在進(jìn)行多向拉伸成形過程中，成形底部受到的應(yīng)力應(yīng)變最大，而壓邊處幾乎無應(yīng)變產(chǎn)生，在進(jìn)行深度變形時，不銹鋼板材應(yīng)力應(yīng)變處于（109～238）MPa 之間，隨著拉伸的進(jìn)行，不銹鋼板材變形增大，由上到下的應(yīng)力應(yīng)變逐漸增加，而底部變形最大處所產(chǎn)生的溫度也越高。溫度過高加上應(yīng)力應(yīng)變的逐漸增加，底部邊緣處容易破裂，所以在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中需保證底部邊緣處的最大應(yīng)變低于不銹鋼材料本身的拉伸率，才能保證不銹鋼板材的正常成型。

3 不銹鋼拉伸實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ABAQUS 多向拉伸實(shí)驗(yàn)得到的不銹鋼拉伸變形特性，結(jié)合上述板材變形特性，進(jìn)行不銹鋼板材拉伸成型實(shí)驗(yàn)。選取304 奧氏體不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)板材，厚度為0.6 mm，通過實(shí)驗(yàn)獲得不銹鋼多向成型拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸過程中設(shè)計成上下臺階兩級分兩道工序一次拉伸完成。工序1 首先將毛坯拉伸到原工序的一半高度，再進(jìn)行工序2拉至全高。這樣當(dāng)進(jìn)行工序2時，工序1的溫度已降到室溫，從而充分利用了低熱段，達(dá)到了降低溫度的目的。此改進(jìn)方案進(jìn)一步降低拉伸系數(shù)，減少模具數(shù)量。不銹鋼拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

通過圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，304 奧氏體不銹鋼薄板拉伸成型件表面光滑，成型效果良好，底邊和側(cè)邊壁厚均勻，表面無凹凸、破裂等現(xiàn)象。薄板底面由于變形所受拉應(yīng)力小，變形量較小，其成型結(jié)果與原板材幾乎無差別；薄板側(cè)面由于受拉應(yīng)力向下變形的影響，在側(cè)面可以看出有豎直向下的條紋，但是從結(jié)果來看，側(cè)面壁厚相對均勻，表面光滑程度較高；底面與側(cè)邊交界處是板材拉伸變形所受應(yīng)力最大處，在此處的板材變形量也是最大的，底部邊緣處無破裂和起皺現(xiàn)象，成型效果良好。因此，采用ABAQUS 數(shù)值模擬奧氏體不銹鋼薄板的拉伸成型過程是可行的，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，說明采用仿真模擬對不銹鋼拉伸過程具有良好的指導(dǎo)意義。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

通過ABAQUS 對奧氏體不銹鋼冷拉伸變形過程進(jìn)行仿真，結(jié)合不銹鋼成型工藝進(jìn)行模具設(shè)計并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

（1）不銹鋼拉伸過程中，采用0.5 mm厚度的板材其抗拉強(qiáng)度和板材伸長率低于0.6 mm和0.8 mm厚度試件。隨著厚度的增加，板材的抗拉輕度和伸長率隨之增加。

（2）不銹鋼冷拉伸過程中，隨著形變的增加，底部應(yīng)力最大為238 MPa，底部邊緣處變形最大。