軋制差厚板單向拉伸性能研究

張 華 偉， 劉 立 忠， 胡 平＊， 劉 相 華

（1.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 運載工程與力學學部 汽車工程學院，遼寧 大連 116024；3.東北大學研究院，遼寧 沈陽 110819）

0 引 言

德國亞琛工業大學的金屬成型研究所于20世紀末開始對軋制差厚板（tailor rolled blank，TRB）進行研究[1].作為生產差厚板的核心技術，柔性軋制技術能夠實現軋輥間隙的實時調整，進而沿軋制方向軋制出預先定制的變截面形狀[2].設計人員可以根據后續成形工序中鋼板各個部位的實際受力以及整個車身的承載情況，選擇優化的板料形狀，極大地提高了設計靈活性并減輕了車重[3，4].

由于差厚板幾何、材料的非均一性，其各部分的材料性能不盡相同，需要采用單向拉伸試驗來評估差厚板的基本力學性能和成形性能[5].

李艷華等討論了st16差厚板厚度比及過渡區長度對其延伸率和過渡區中心移動量的影響[6].包向軍通過單向拉伸試驗研究了固溶處理前后X5Cr Ni1810奧氏體不銹鋼差厚板的各向異性系數以及彈性模量[7].本文基于金屬塑性變形理論推導軋制差厚板單向拉伸的力學解析模型.在對1.2 mm和2.0 mm的等厚板進行單向拉伸試驗的基礎上，將有限單元法的思想運用于過渡區的處理，并通過插值的方法來獲取軋制差厚板過渡區的力學性能參數.對退火前后的1.2/2.0 mm軋制差厚板進行單向拉伸仿真及試驗，并從微觀金相組織上對拉伸結果進行解釋.

1 軋制差厚板單向拉伸力學解析模型

圖1所示為軋制差厚板單向拉伸的力學解析模型，根據軋制差厚板在單向拉伸過程中的平衡關系F1＝F2＝F3（其中F3為過渡區所受拉伸力）以及變形過程中各部分寬度相等（B1＝B2＝B3＝B），并結合冪指型材料本構關系σ＝Kεn可以得到下面的等式：式中：σ為應力；A為垂直于拉伸方向的板料截面面積；K為強化系數；ε為應變；n為硬化指數；t為板料厚度；L為初始長度；L′為變形后長度.

圖1 軋制差厚板單向拉伸力學解析模型Fig.1 Mechanical analytic model of TRB for uniaxial tension

2 單向拉伸試驗

2.1 試驗準備

本文所用材料牌號為SPHC，其化學成分：C，0.083%；Si，0.041%；Mn，0.316%；S，0.012%；P，0.017%.在變厚度的SPHC板上沿軋制方向切取1.2/2.0 mm差厚板、1.2 mm薄板及2.0 mm厚板的拉伸試樣，并將其中部分試樣進行退火，拉伸試樣的尺寸如圖2所示.試驗采用 WDW－3100型微機控制電子式萬能試驗機測試板料的力學性能.

圖2 軋制差厚板單向拉伸試樣尺寸（單位：mm）Fig.2 Dimension of TRB specimen for uniaxial tension（unit：mm）

2.2 單向拉伸試驗結果

通過單向拉伸試驗得到的未退火和已退火等厚板的性能參數如表1和2所示.

由表1和2可以看出：退火后薄板和厚板的屈服強度σs以及抗拉強度σb均減小，而彈性模量E、硬化指數n、厚向異性系數r均有所增大，這對于獲得良好的沖壓性能是有利的.

分別將表1和2中試驗所得未退火與已退火板料的相關力學性能參數代入式（4），可得到式（5）和（6）：式中：下標un代表未退火，an代表已退火；1代表薄側，2代表厚側.

由式（5）和（6）可知，對于未退火和已退火的軋制差厚板拉伸試樣，薄側的應變均大于厚側，變形將會集中于薄側進行，這將導致薄側更早發生破裂.

表1 未退火板料的性能參數Tab.1 Properties of unannealed blanks

表2 已退火板料的性能參數Tab.2 Properties of annealed blanks

試驗后未退火與已退火軋制差厚板試樣如圖3所示.可以看出，退火后的板料與退火前相比延伸率有了一定的提高，縮頸失效均是發生在軋制差厚板的薄側，這也符合前面對式（5）和（6）的討論.

圖3 試驗后未退火與已退火軋制差厚板試樣對比Fig.3 Comparison between unannealed and annealed TRB specimen after experiment

2.3 單向拉伸試驗結果的微觀解釋

沿軋制方向切取未退火和已退火的軋制差厚板金相試樣，依次經過鑲嵌、粗磨、精磨、拋光，最后用4%硝酸酒精浸蝕.在金相顯微鏡下觀察到的顯微組織如圖4所示.

由圖4可以看出，對于未退火的軋制差厚板而言，1.2 mm薄側由于經過軋制，塊狀鐵素體晶粒沿軋制方向被拉長，部分組織呈纖維狀，晶粒大小不均勻，因而軋制差厚板的強度增大、塑性降低.

由圖4還可以看出，退火后軋制差厚板的薄、厚兩側基本上都是大小均勻的等軸晶粒和餅形晶粒，軋制差厚板的強度下降，塑性增強，有個別的大晶粒產生，說明晶粒已經開始長大，晶粒的餅形度增大，這是獲得良好成形性能的必要條件.

圖4 未退火與已退火軋制差厚板的金相組織對比Fig.4 Comparison of metallurgical structures between unannealed and annealed TRBs

3 軋制差厚板單向拉伸仿真

3.1 軋制差厚板厚度過渡區處理

對于軋制差厚板的厚度過渡區，可以將其離散為有限個相互結合的等厚板，然后再將等厚板組合起來進行整個過渡區的求解計算.因此，通過對表1和2中的數據進行插值便可以獲得軋制差厚板過渡區的力學性能參數，圖5為1.2/2.0 mm軋制差厚板單向拉伸仿真有限元模型.

圖5 軋制差厚板單向拉伸仿真有限元模型Fig.5 Finite element model of TRB uniaxialtension simulation

3.2 仿真結果

未退火和已退火的1.2/2.0 mm軋制差厚板單向拉伸試樣在不同拉伸階段時的等效應變分布如圖6和7所示.由圖可知，未退火與已退火軋制差厚板單向拉伸試樣的變形均主要集中在薄側進行，直至縮頸失效.在相同位移的情況下，經過退火的試樣有更小的等效應變值，因而能夠獲得更大的延伸率.上述仿真結果與前面對式（5）、（6）的討論是一致的，與試驗結果也是相吻合的.而且經與試驗相比較，仿真模擬的縮頸失效部位也是非常準確的.

圖6 未退火軋制差厚板試樣拉伸過程中等效應變分布Fig.6 Equivalent strain distribution of unannealed TRB specimen during tension

圖7 已退火軋制差厚板試樣拉伸過程中等效應變分布Fig.7 Equivalent strain distribution of annealed TRB specimen during tension

圖8 軋制差厚板拉伸試驗與仿真的位移－荷載曲線Fig.8 Displacement and load curve of TRB tension test and simulation

圖8為軋制差厚板拉伸試驗與仿真的位移－荷載曲線對比.由圖可以看出，已退火軋制差厚板獲得了更大的延伸率，仿真計算出的位移－荷載曲線與試驗實測曲線在縮頸出現之前均是非常吻合的.然而仿真發生縮頸的時間要遠遠晚于試驗.原因在于試驗過程中材料會在縮頸出現的部位很快發生斷裂，而仿真所用的應力應變曲線是通過對試驗數據的插值而得到的，縮頸后的應力應變曲線則是采用了外插值的方法獲得.

4 結 論

（1）解析模型能夠準確地描述軋制差厚板單向拉伸過程中的應力應變狀態.

（2）退火前后，軋制差厚板單向拉伸試樣的縮頸均發生在試樣薄側，并且經過退火的軋制差厚板表現出更好的延展性以及成形性能.

（3）軋制差厚板單向拉伸結果能夠通過金相組織分析來進行合理解釋，解析公式、仿真以及試驗結果三者有著較好的一致性.

[1]Krux R，Homberg W，Kleiner M.Properties of large－scale structure workpieces in high－pressure sheet metal forming of tailor rolled blanks[J].Steel Research International，2005，76（12）：890－896.

[2]Kopp R，Wiedner C，Meyer A.Flexibly rolled sheet metal and its use in sheet metal forming [J].Advanced Materials Research，2005，6－8：81－92.

[3]LIU Xiang－hua.Prospects for variable gauge rolling：technology，theory and application [J].Journal of Iron and Steel Research（International），2011，18（1）：1－7.

[4]Kopp R，Wiedner C，Meyer A.Flexible rolling for load－adapted blanks [J].International Sheet Metal Review，2005（4）：20－24.

[5]薛 松，周 杰，何應強.差厚拼焊板成形性的單向拉伸試驗[J].鍛壓技術，2011，36（2）：30－33.XUE Song，ZHOU Jie，HE Ying－qiang.Formability tensile test of different gauge tailor－welded blanks[J].Forming ＆Stamping Technology，2011，36（2）：30－33.（in Chinese）

[6]李艷華，杜繼濤，費宏斌.影響TRB單向拉伸的幾何參數研究[J].現代制造工程，2010（3）：83－85，107.LI Yan－hua，DU Ji－tao，FEI Hong－bin.Research of geometric parameters related to TRB uniaxial tension test [J]. Modern Manufacturing Engineering，2010（3）：83－85，107.（in Chinese）

[7]包向軍.變截面薄板彎曲成形回彈的實驗研究和數值模擬[D].上海：上海交通大學，2003.BAO Xiang－jun. Experimental investigation and numerical simulation of springback in tailor rolled blanks bending [D].Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2003.（in Chinese）