預變形對AHSS及UHSS高強鋼邊緣開裂的影響研究

鮑 立，鄭德兵，余歡慶

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 引言

21世紀，汽車設計和制造過程需關注能源枯竭和逐日惡化的環(huán)境危機，同時還需提升汽車安全性和駕駛體驗[1]，這使汽車車身設計的重心放在車身輕量化和提升汽車防撞性能上[2]。

先進高強鋼（advanced high strength steel,AHSS）和 超 高 強 鋼（ultra-high strength steel,UHSS）是近年汽車企業(yè)廣泛應用的輕量化鋼材，經(jīng)過熱加工處理，這類鋼材的相變得到強化，達到了超高強度（500～1 600 MPa），加工硬化指數(shù)更高，兼具了較高的疲勞強度和碰撞吸收性能以及良好的塑形性能，可以同時滿足汽車減輕質(zhì)量和提高安全性的要求[3-6]。在抗碰撞性能、成形加工和成本方面，相比其他材料具有明顯優(yōu)勢[7]。

1 邊緣開裂研究現(xiàn)狀

目前行業(yè)內(nèi)通常結合型面減薄率和FLD曲線評判前期CAE沖壓成形仿真分析結果，經(jīng)常出現(xiàn)AHSS及UHSS高強鋼零件仿真過程和結果均合格，但量產(chǎn)制造階段卻產(chǎn)生邊緣開裂的問題，如圖1所示，導致后期需要調(diào)整工藝、返修模具，甚至重新制造模具，造成了人力、物力、財力資源的損耗。

分析其原因，AHSS和UHSS高強鋼與傳統(tǒng)低碳鋼和高強鋼的微觀組織不同，由于更高的強度和不同的金相組織，其邊緣開裂和剪切斷裂極限值低于傳統(tǒng)鋼板[8]，導致AHSS和UHSS高強鋼零件邊緣成形時產(chǎn)生開裂，而未達到成形極限。

AHSS和UHSS高強鋼零件拉深后發(fā)生了加工硬化，塑性性能下降，而且后序修邊工序剪切廢料時將不可避免地產(chǎn)生毛刺，造成板料邊緣產(chǎn)生應力集中。而現(xiàn)有CAE成形分析無法模擬實際零件成形后的邊緣加工硬化和切邊毛刺狀態(tài)，無法通過型面減薄率和FLD曲線預測邊緣開裂狀態(tài)。

現(xiàn)采用預變形拉伸和擴孔試驗來研究鋼板邊緣拉伸性能，預變形拉伸是模擬量產(chǎn)零件拉伸后的板料狀態(tài)，擴孔試驗是測量擴孔率來評估擴孔性能。模擬量產(chǎn)零件翻孔邊緣及沖壓性能，板料擴孔率越大，材料邊緣的拉伸性能越好，抵抗開裂的能力也越強[9,10]。

AutoForm分析軟件以最大邊緣應變判斷高強鋼的邊緣開裂狀態(tài)，因此需要通過實際的材料試驗，充分考慮預拉伸及毛刺狀態(tài)，測定材料的邊緣最大應變值，建立AHSS和UHSS最大邊緣應變數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)前期精準模擬高強鋼邊緣開裂。最大邊緣應變與擴孔率的關系如式（1）所示。

其中，MaxEdgeStrain為最大邊緣應變；HER%為擴孔率。

2 擴孔試驗

2.1 擴孔試驗原材料及料片準備方案

試驗共選擇3種材料，分別為冷軋高強鋼DP600、DP800（AHSS）和 DP1000（UHSS），每種材料選擇 6種料厚，分別為 0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.6 mm，共18種組合。拉伸試驗機夾頭對拉伸材料尺寸的基本要求為：板料長度方向尺寸≥300 mm，同時由于各軋制鋼板初始尺寸的限制，考慮最優(yōu)化排樣，最終確定的拉伸試樣尺寸為400 mm×40 mm。為了研究不同孔徑對邊緣開裂的影響，每張料片沖制?6 mm和?10 mm的圓孔，如圖2所示。確定初始的預變形量分別為3%、6%和9%，將切割完成的料片，在拉伸試驗機上進行拉伸。

2.2 擴孔試驗料片預拉伸方案

材料拉伸會產(chǎn)生加工硬化，導致塑性降低，拉伸后的材料邊緣在成形過程中未達到FLD成形極限就已經(jīng)開裂。因此，在擴孔試驗前先對料片進行預拉伸變形，產(chǎn)生加工硬化，模擬實際量產(chǎn)零件拉伸后的板料狀態(tài)如圖3所示。

圖1 CAE分析與實物制件狀態(tài)差異

圖2 料片尺寸及實物

圖3 DP590/1.6 mm料片9%預拉伸

2.3 擴孔試驗設備及方案

對完成沖孔的試驗料片進行擴孔，擴孔試驗按照ISO-TS16630試驗標準，針對?6 mm和?10 mm的圓孔，采用圓錐形凸模擴孔，凸模錐角為60°，如圖4所示。試驗時將試驗料片圓孔的毛刺朝向凹模孔，使沖孔方向和擴孔方向一致。對試樣施加足夠壓邊力，保證試驗過程中試驗料片在夾緊區(qū)域不發(fā)生板料流動。若夾緊區(qū)域發(fā)生板料流動，則試驗無效，重新進行擴孔試驗。

施加壓力使擴孔凸模垂直插入試樣的孔中，為了能在第一道貫穿料厚方向的裂紋出現(xiàn)時及時終止擴孔試驗，擴孔凸模的行進速率應小于1 mm/s。當?shù)谝坏镭灤┝虾穹较虻牧鸭y出現(xiàn)時，立即降低擴孔凸模的行進速率。當出現(xiàn)穿透試樣厚度的裂紋時，立即停止擴孔凸模的運動，打開模具取出試樣，如圖5所示。

為了保證數(shù)據(jù)準確性，針對每種預變形量的試驗料片，采取5組重復試驗，選擇3個角度差別較大的方向測量開裂后的圓孔直徑，所得的結果取平均值并記錄，代入公式（2），計算最終的擴孔率。

圖4 擴孔試驗

圖5 擴孔試樣

3 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計所有有效擴孔試驗數(shù)據(jù)，將記錄完成的擴孔數(shù)據(jù)進行分析（見圖6），得出如下結論。

（1）隨料厚增加，材料擴孔率增大，板料邊緣拉伸性能越好，DP600擴孔率隨料厚增加趨勢最大，DP800次之，DP1000最緩。擴孔率隨料厚增加的趨勢隨材料強度等級增加而變緩。板料料厚增加，邊緣開裂趨勢降低，板料強度等級提升，邊緣開裂風險增加。

（2）相同強度的材料，經(jīng)過預變形處理后，相比無預拉伸試樣，預變形量越大，擴孔率越低，即材料邊緣受預變形影響后拉伸性能下降；對于DP600，3%～9%的預變形量可使擴孔率下降3%～5%；對于DP800，3%～9%的預變形量可使擴孔率下降5%～8%；對于DP1000，3%～9%的預變形量可使擴孔率下降6%～12%。

（3）同樣的預變形量，材料強度等級越強，擴孔率越低，邊緣拉伸性能越差，DP800相對DP600擴孔率下降約30%，DP1000相對DP600擴孔率下降約60%，DP1000相對DP800擴孔率下降約40%。

圖6 擴孔數(shù)據(jù)分析

（4）3%、6%、9%的預變形之間差異較小，即相同強度、厚度的材料，不同的預變形量，擴孔率差異較小，即經(jīng)過預變形量后，相同厚度材料的擴孔率變化趨于穩(wěn)定，邊緣拉伸性能趨于一致。

4 結束語

傳統(tǒng)型面減薄率和FLD曲線標準不適用于判斷AHSS和UHSS高強鋼邊緣開裂的情況，而通過不同預變形料片的擴孔試驗研究，測得常用AHSS和UHSS高強鋼不同料厚的擴孔率，總結了不同料厚、不同材料邊緣拉伸性能的變化趨勢。邊緣拉伸性能隨料厚增加而變大，隨預變形量增加而降低，而不同預變形量的邊緣拉伸性能差異較小，為后續(xù)AHSS和UHSS邊緣開裂的進一步研究奠定了基礎。同時，可以根據(jù)試驗獲得擴孔率數(shù)據(jù)在Auto-Form軟件建立最大邊緣應變數(shù)據(jù)庫，通過前期CAE成形分析預測AHSS和UHSS高強鋼零件邊緣開裂狀態(tài)。