DP600高強鋼板沖壓成形性能數字圖像相關實驗研究

高馨月，李 秋，于 強

（天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津300222）

0 引言

安全、節能、環保已經成為了目前汽車制造業追求的目標，車身輕量化則是實現以上目標的有效途徑。高強度鋼具有高的抗拉強度和加工硬化率，成形后的零件具有高的壓潰抗力、抗撞擊吸收能力，因此高強度鋼在輕量化車身中的比重越來越大。然而高強度鋼塑性成形難度大，易開裂。因此，充分了解高強度鋼的成形性能對于車身的設計和加工至關重要。為了探究板料的成形性能，了解板料失效的過程和原因，學者們開展了大量的研究。Keeler在板料破壞實驗的基礎上建立了拉--拉變形狀態下板料的成形極限[1]。Goodwin完善了成形極限圖（FLD）的左半部分（拉--壓變形狀態），從而共同構建了目前使用的FLD的原型[2]。Rohatgi和Soulami利用數字成形技術分析了金屬板料在液壓脹形過程中的成形極限并對板料的失效時刻和失效位置進行了預測[3]。北京航空航天大學的陳光南和胡世光在國內最早開展了板料FLD實驗獲取方面的研究，通過對FLD實驗獲取中的關鍵因素進行探討，利用脹形實驗的方式獲取了金屬薄板的FLD[4-7]。Ding Lei和 Lin Jianping對QP980鋼板進行5個應變速率下的單軸拉伸實驗，研究了頸縮過程和應變速率對QP鋼頸縮行為的影響[8]。董文倩等基于凸模脹形實驗建立了航空用7系列鋁合金板料的FLD[9]?？渍骄苛瞬煌M織與力學性能的DP780鋼的成形性能[10]。關于DP600高強度鋼，徐珂通過實驗與數值模擬，分析了DP600鋼板與傳統低合金高強鋼板基本力學性能、脹形性能、回彈等方面的性能差異[11]；豐懷北等通過有限元方法分析了DP600高強度鋼板成形中斷裂危險點的應變路徑及其對成形極限的影響[12]。但關于DP600高強度鋼沖壓成形過程中的應變分布和演化，以及材料的應變演化和損傷失效的關聯還有待進一步研究。

數字圖像相關（Digital image correlation,DIC）技術利用攝像機拍攝物體表面的隨機散斑圖像，通過追蹤散斑的形狀和位置變化，實現記錄和計算物體的位移、應變等幾何量，其具有非接觸、實時、精度高等優點，可以以極短時間間隔記錄材料在沖擊載荷作用下的破壞過程，甚至捕捉裂紋的擴展過程，近年來在板材成形性能的研究中發揮了重要作用[13-15]。

本文利用數字圖像相關技術，通過不同寬度試樣的杯突實驗研究DP600高強度鋼板的成形性能，獲取試樣變形過程中的全場應變分布，分析典型寬度試樣沖壓變形過程中的應變分布、演化規律，及其與試樣縮頸和破裂之間的關聯。

1 成形性能實驗

1.1 實驗材料與試樣尺寸

本文實驗材料是厚度為1 mm的DP600高強度鋼板，合金成分見表1.

表1 DP600高強度鋼板料成分

試樣尺寸根據國家標準（GB/T24171-2009：成形極限曲線測定方法）設計和加工。沿著DP600高強鋼板的軋制方向進行取樣，試樣長為180 mm.為了產生不同的應變路徑，試樣寬度為9種，寬度范圍為20～180 mm，具體尺寸如圖1所示。每種寬度試樣的試件個數為3個。

1.2 實驗過程

將全部試樣用啞光漆進行噴斑處理，得到的散斑試樣如圖2所示。

圖1 DP600高強度鋼試樣的尺寸圖（單位：mm）

圖2 典型的噴斑后的DP600高強度鋼試樣照片

杯突實驗的模具結構如圖3所示。實驗時，首先將試件與凸模之間涂一層潤滑油并加一層薄膜，以減小試件與凸模之間的摩擦，之后將已經噴有散斑的試件放置在凸模上方的壓邊圈上，如圖4所示，通過軟件控制凸模上移，下壓邊圈也同時上移夾緊試件，開始杯突實驗，壓邊圈夾緊力為200 kN，預加載速率為200 mm/min；同步用數字圖像相關系統采集實驗過程中的試件變形圖像，圖像分辨率為1 624×1 236，單元像素15 pixel.

圖3 杯突實驗模具結構示意圖

圖4 杯突實驗中的試件放置位置

2 實驗結果與分析

DP600高強度鋼經過杯突實驗中的沖壓成形后，試樣均在凸模頂端附近發生了斷裂，斷裂后的試樣如圖5所示。

圖5DP600高強度鋼杯突實驗后的斷裂試樣

圖6 和圖7分別為20mm寬度試件斷裂前的最大主應變場和最小主應變場。由圖6可以看出，全場應變均為正值，說明試件在長度方向上承受拉應力，且中間偏圓形區域受到的拉應力最大，試件斷裂部位正是所受拉應力最大的部位。由圖7可以看出，試件斷裂前一刻寬度方向全場應變均為負值，說明試件在寬度方向上承受壓應力，且中間偏圓形區域受到的壓應力最大，所受壓應力逐漸向兩邊減弱。由此可見，材料在長度方向伸長，在寬度方向縮短，材料中間圓形重疊部位所受應力最大，因此材料最終在該部位失效，產生斷裂。

圖8和圖9分別為70 mm寬度試件斷裂前的最大主應變場和最小主應變場。由圖8可以看出，全場應變均為正值，說明試件在長度方向上承受拉應力，且中間偏圓形區域受到的拉應力最大，試件斷裂部位正是所受拉應力最大的部位。根據數值可以看出，最大主應變區域位置偏右，應力梯度變化明顯。由圖9可以看出，試件斷裂前一刻寬度方向全場應變最左側以及最右側等勢線閉合區域均為正值，說明這部分區域在試件寬度方向上承受拉應力，也就是在寬度方向遠離裂紋兩側的區域均受拉應力，裂紋部位為負值，說明裂紋處試件在寬度方向上受壓應力。70 mm寬度試件的最大主應變和最小主應變的極限絕對值均小于20 mm寬度試件。這表明DP600高強度鋼在70 mm寬度的應變路徑下的成形能力低于20 mm寬度試件。

圖6 20 mm寬度試件斷裂前的最大主應變場

圖7 20 mm寬度試件斷裂前的最小主應變場

圖8 70 mm寬度試件斷裂前的最大主應變場

圖9 70 mm寬度試件斷裂前的最小主應變場

圖10 為9種寬度試件從開始沖壓至破裂所用的時間的平均值。圖11為9種寬度試件裂紋附近一點的長度方向的工程應變隨時間變化的曲線。從圖10中可以看出隨試件寬度的逐漸增加，沖壓至破裂所用時間呈現先下降后上升的趨勢，其中70 mm寬度試樣所用時間最短，180 mm寬度試樣所用時間最長。通過圖11可以看出不同寬度的試樣，在斷裂時長度方向所能達到的最大工程應變分布也有相似的規律，其中70 mm寬度試件斷裂時的長度方向極限應變最小，180 mm寬度試件則最大。同時也可以看出，對于所有寬度的試件來說，杯突實驗前期，工程應變隨時間線性增加，且各寬度試樣的應變增長速度接近，在大約15 s之后，應變的增長速率均出現急劇上升的趨勢，但應變上升的速率開始發生分化，呈現不同的遞增速度，直至試件破裂。試樣寬度不同，其成形過程中的加載應變路徑不同，而在實驗過程中，凸模上行的速度都是相同的，這表明應變路徑影響DP600鋼的成形性能，70 mm寬度試件的應變路徑下，成形性能最差，180 mm寬度試件的應變路徑下，成形性能最佳。

圖10 不同寬度試件沖壓開始至破裂所用的時間

圖11 不同寬度試件裂紋附近點長度方向的工程應變

下面以50 mm寬度試樣為例，研究DP600高強度鋼的破壞情況。觀察50 mm寬度試件裂紋位置，發現試件的裂紋在AB連線處（如圖12-a所示），可判斷極限應變點在AB這條截線上。CD為裂紋附近的一條截線。計算從初始到破裂各個狀態的AB和CD線的長度并做出AB、CD截線長度隨時間變化的曲線，如圖12-b所示。由圖12-b可知，截線AB和截線CD在前期長度相近；隨著時間的增長，長度都在減小，且AB與CD減小的速度接近，表明在杯突實驗期間試樣發生了均勻的橫向收縮。在15 s之后，截線AB長度急劇減小，試樣寬度明顯變窄，而截線CD減小的速度變化不大，表明從15 s開始，試件已經開始發生分散性失穩，進入頸縮階段。最終試件的集中性失穩，即斷裂也在AB截線上產生。

圖1250 mm寬度試樣截線圖位置（a）以及截線處試樣寬度隨時間的變化規律（b）

采用截線擬合的方法，對試件破裂前的最后一個變形狀態進行分析，在運算后的云圖上垂直裂紋方向繪制截線，每個試樣繪制三條，截線間寬度間距3～5 cm，取其中的應變最大值作為一個FLD坐標點，每種寬度3個試樣，每個試樣3條截線，得到每種寬度試樣破裂時的最大和最小主應變極限值的平均值，如表2所示。

表2 杯突實驗不同寬度試件的最大主應變和最小主應變極限值的平均值

根據表2得到的結果，擬合出DP600高強度鋼板常溫下的成形極限圖（FLD），如圖13所示。

圖13 DP600高強度鋼常溫成形極限圖

由圖13可以看出，FLD的左半部為直線形式，右半部分的圖形為二次函數的形式。成形極限曲線下方為DP600高強度鋼成形的安全應變區，上方為破裂應變區。

3 結論

本文對DP600高強度鋼板開展了常溫條件下的杯突實驗，利用數字圖像相關方法對各寬度試樣進行了變形過程中的全場應變測量，分析了鋼板變形過程中的應變演化及其破裂過程。結果表明：1）加載應變路徑影響DP600鋼的成形性能。隨寬度的增加，試件從沖壓至破裂所用時間和試件的極限應變呈現先下降后上升的趨勢。杯突實驗前期，長度方向的工程應變隨時間線性增大，在約15 s之后，應變的增長速率呈現急劇上升的趨勢，但應變上升的速率隨試件寬度的不同而不同。2）DP600鋼在沖壓至破壞期間先后經歷均勻變形、分散性失穩和集中性失穩過程。在沖壓初期，經過破裂點和遠離破裂點的截線的長度均勻減小；在15 s之后，經過破裂點的截線長度減小速度明顯高于遠離破裂點的截線，證明發生了分散性失穩，集中性失穩最終在該截線上產生。