TWIP950在某新車型前縱梁的應用可行性研究

段吉超, 楊 冰, 戰東平, 秦興國, 穆傳坤, 毛 安, 張 叮(.東風汽車公司技術中心,武漢 430058；.東北大學,沈陽 089)

汽車輕量化是減少原油消耗與尾氣排放的必要措施，車身輕量化是在保證剛度、模態、NVH等性能要求的前提下，在合適的位置使用合適的材料、工藝和結構.輕量化材料的使用是車身輕量化的主要途徑，高強鋼由于其高強度和經濟性已經成為輕量化選材的重要方案.

汽車的安全性和輕量化趨勢要求車身結構件必須具有高能量吸收能力、高強度和高塑性，而第一代高強鋼強塑積一般低于15 GPa%，不滿足復雜結構件成形和吸能要求.作為第二代先進高強鋼的代表，TWIP鋼的研究始于1997年，Grassel等[1-2]在試驗研究中發現其強塑積高達 50 GPa%，此特性來自形變過程中孿晶的形成，其合金元素含量較高，在具有較高抗拉強度的同時還具有極高的延伸率，既能夠在高壓力下保持材料的高強度和耐磨性，又能在抵抗高沖擊時保持良好的韌性和吸能效果[3-4].

由于以上優點，TWIP鋼成為國內外大型鋼鐵企業研發的目標和方向.POSCO[5]、寶鋼[6]等國內外鋼廠已經開發出一些牌號的TWIP鋼產品，用于防撞梁、門檻等安全件的生產.2012年菲亞特某轎車采用TWIP1000替代熱成型鋼和雙相鋼的組合用于防撞梁的生產[7]，減少1個零件并減重0.88 kg，有效實現28%的輕量化和22%的降成本.在具有多重優點的同時，TWIP鋼也有生產成本較高、工藝復雜、成材率較低等缺點限制其應用.

由于其有著與軟鋼板相當的延伸率，隨車型換代而替代原有的軟鋼板零件具備可能.為較為直觀地研究該鋼種的使用性能，在對該鋼種機械性能試驗的基礎上，針對某車型前縱梁，進行了采用TWIP950替代DC05的仿真模擬和實物沖壓研究.

1 試驗材料及研究方法

1.1 試驗材料

試驗采用的材料是寶鋼生產的1.5 mm厚TWIP鋼板，最小抗拉強度要求值為950 MPa.

試驗材料的化學成分檢測值見表1：

表1 TWIP950的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of TWIP950 (mass fraction) %

1.2 研究方法

按照國標GB/T 228.1-2010進行準靜態拉伸力學性能測試，按照GB/T 24174-2009對TWIP950進行烘烤硬化性試驗.

采用1.5 mm厚TWIP950和1.6 mm厚DC05坯料分別進行沖壓仿真，坯料均為1 330 mm×320 mm 的矩形板料，仿真軟件為AUTOFORM.按照GB 11551進行正面碰撞仿真分析.

采用量產1.6 mm厚DC05前縱梁的模具進行1.5 mm厚TWIP950前縱梁的沖壓試制，前縱梁的沖壓工序見表2，拉延工序是其中最重要的步驟，需要予以更多關注.為使起皺區域得到有效控制，在拉延模表面設置拉延筋.

表2 前縱梁沖壓工序Table 2 Stamping procedures for front longitudinal beam

為了測量典型位置的應變，板材在沖壓前進行直徑為5 mm的圓網格蝕刻，典型位置的最大減薄率基于網格應變測量來進行計算.

TWIP950零件的回彈是通過拉延后與DC05零件比較尺寸差異來估算的.

2 研究結果與討論

2.1 機械性能

與DC05比較結果見表3.TWIP950的應力應變曲線如圖1，可以看到其在三個方向(與軋制方向呈0°、 45°、 90°)的抗拉強度基本一致，總伸長率略有區別.在抗拉強度高達990 MPa的同時，還具有50%以上的延伸率.而高達0.39的n值更是比同強度級別的DP鋼、QP鋼高出很多[8]，體現出其極佳的沖壓成型能力.

圖1 TWIP950的S-S曲線Fig.1 Stress-strain curves of TWIP950 steel

表3 TWIP950和DC05的準靜態拉伸力學性能比較Table 3 Quasi-static tensile properties of TWIP950 and DC05

對于先進高強鋼，普遍在預應變后可能發生的組織變化和經歷烘烤過程中碳元素的重新擴散會提升一定的機械強度.按照GB/T 24174-2009對TWIP950進行了烘烤硬化性試驗，結果見表4.可以看到，該鋼種的烘烤硬化平均值在34.62 MPa，在汽車車身經過涂裝烘烤后，可以提供更好的抗凹陷性和強度支持，而在烘烤前較低的強度更利于其沖壓成形.

表4 TWIP950的烘烤硬化性能Table 4 Bake hardenability of TWIP950

2.2 仿真結果

2.2.1 沖壓仿真

采用1.5 mm厚TWIP950和1.6 mm厚DC05坯料分別進行了沖壓仿真，坯料均為1330 mm×320 mm的矩形板料，兩者的仿真結果分別如圖2和圖3所示.這兩種材料的整體成形性良好，沒有開裂的危險，最大減薄發生在“A”位置，“B”和“C”位置由于零件形狀突變可能產生起皺，而且TWIP950在C位置有更強的起皺趨勢.當壓邊力從3 MPa增加到15 MPa，TWIP950在C位置的起皺狀態可明顯減弱，并且板料無開裂風險.在實際生產中，調整模具間隙、沖壓力、壓邊力等，可使零件成形狀態良好.

圖2 壓邊力為3 MPa時采用DC05材料的前縱梁仿真結果Fig.2 Simulation result of front longitudinal beam by DC05 at a blank holder force of 3 MPa

圖3 壓邊力為3 MPa時采用TWIP950材料的前縱梁仿真結果Fig.3 Simulation result of front longitudinal beam by TWIP950 at a blank holder force of 3 MPa

圖4 壓邊力為15 MPa時采用TWIP950材料的前縱梁仿真結果Fig.4 Simulation result of front longitudinal beam by TWIP950 at a blank holder force of 15 MPa

圖5 正碰時縱梁系統最大變形狀態Fig.5 Maximum deformation of the longitudinal beam system in frontal impact simulation. (a)—DC05; (b)—TWIP950

2.2.2 前碰撞仿真

按照GB 11551進行正面碰撞仿真分析，對采用TWIP950的新方案和采用DC05的原方案進行比較.由于強度從DC05到TWIP950顯著增加，在碰撞過程中，前縱梁的變形模式發生了明顯的變化，如圖5所示.采用TWIP950的前縱梁彎曲變形更小，盡管厚度從1.6 mm減少到1.5 mm，但是強度的增加還是使得能量吸收和最大截面力得以提高，結果見表5和表6.

表5 兩種方案能量吸收的比較Table 5 Comparison of energy absorption in two schemes

表6 兩種方案前縱梁最大截面力的比較Table 6 Comparison of maximum cross section force in front longitudinal beams in two schemes

B柱最大加速度是估計碰撞過程中的慣性損傷水平的一個重要指標，當采用TWIP950替代DC05時，第一和第二加速度峰值略有增加，結果如表7.

表7 兩種方案B柱最大加速度的比較Table 7 Comparison of maximum accelaration in B-pillars in two schemes

防火墻的變形是評價沖擊過程中直接入侵的一個重要指標.當采用TWIP950替代DC05時，防火墻典型位置的入侵量明顯減少，如圖6和表8所示.

圖6 防火墻侵入量評估的典型位置Fig.6 Typical positions for intrusion evaluation in firewall

表8 前縱梁材料由1.6 mm厚DC05變為1.5 mm厚TWIP950后侵入量減小情況Table 8 Intrusion decrease after material alteration from 1.6 mm thick DC05 to 1.5 thick TWIP950 on front longitudal beams

3 沖壓結果和應變分析

采用量產1.6 mm厚DC05前縱梁的模具進行1.5 mm厚TWIP950材料的前縱梁沖壓試制，模具間隙并不完全合適，但對于小批量試制，基本上可以達到驗證新材料沖壓性能的目的.前縱梁的沖壓工序見表9，拉延工序是其中最重要的步驟，需要予以更多關注.為使起皺區域得到有效控制，在拉延模表面設置拉延筋.

表9 前縱梁沖壓工序Table 9 Stamping proccedure for front longitudinal beam

圖7 拉延后的樣件Fig.7 Samples after drawing step(a)—DC05; (b)—‘B’&’C’位置起皺的TWIP950; (c)—‘B’位置無起皺的TWIP950; (d)—用于應變測量的可接受TWIP950; (e)—‘B’位置的應變測量點; (f)—最大應變位置A的應變測量

當TWIP950采用和DC05一樣的沖壓參數，B、C位置會產生明顯的起皺，如圖7b所示，這與仿真結果是基本一致的.當壓邊力增加后，B位置的起皺最先消失，然后C位置的起皺基本可以接受.但是在板料破裂前很難完全消除起皺，這是由于使用的模具并非針對TWIP制造的緣故.

為了測量典型位置的應變，圖7d中的板材在沖壓前進行直徑為5 mm的圓網格蝕刻.兩個典型位置(圖7e、7f)最大減薄率基于網格應變測量來進行計算.計算結果見表10，與仿真結果基本一致.

表10 典型位置‘A’和‘B’的應變測量及減薄率計算Table 10 Strain measurement and thinning rate calculation at typical position of area ‘A’& ‘B’ %

TWIP950零件的回彈是通過拉延后與DC05零件比較尺寸差異來估計的.測量圖8中點A和B之間的距離發現，TWIP的間距比DC05長 3.15 mm，這說明TWIP950零件有著更明顯的回彈.因此，TWIP950的量產應用需要重新設計模具面，以對尺寸偏差進行補償.

圖8 拉延樣件典型測量點的間距比較Fig.8 Dimension difference at typical position of drawing samples(a)—TWIP950; (b)—DC05

圖9 拉延后不同邊緣狀態的零件Fig.9 Different edge status of parts after drawing(a)—無裂紋的DC05零件; (b)—(d)—不同位置產生裂紋的TWIP950零件; (e)—無裂紋的TWIP950零件; (f)—典型邊緣應變測量位置圖

TWIP950量產應用中還應著重關注的一個問題是材料對切割邊毛刺的敏感性.TWIP 950切割后板料邊緣的毛刺經常會引起裂紋從零件邊緣到內部的擴展.不同邊緣狀態的板料拉延后樣件如圖9所示.零件邊緣典型應變測量見表11.可以看到，零件邊緣并沒有太多應變和減薄.

表11 TWIP950零件邊緣應變測量和減薄率計算Table 11 Strain measurement and thinning rate calculation at one edge of TWIP950 part %

4 結 論

盡管原材料生產成本高、工藝復雜，但根據TWIP950材料性能試驗、沖壓與前碰撞仿真和現場試沖結果，TWIP鋼均顯示出優異的強度和塑性，在車身上具備很大的應用潛力.如果能設計好模具并保持板材邊緣狀態良好，采用1.5 mm厚TWIP950代替1.6 mm厚DC05進行前縱梁的生產是可行的：

(1)更高的強度和烘烤硬化性使得TWIP50零件具有比DC05零件更佳的抗碰撞性能，并且變形模式不同；

(2)TWIP950具有比DC05更高的延伸率，這在帶來更好成形性的同時也使沖壓過程更易起皺，需要設置更大的壓邊力；

(3)沖壓后TWIP950具有更明顯的回彈，因此量產的拉延和整形模具需要重新設計；

(4)TWIP950對剪切邊的毛刺非常敏感，這會導致裂紋的萌生和擴展.因此，應當嚴格控制鋼板切割工藝實施，并在沖壓前檢查坯料的邊緣毛刺狀態.

[1] Grassel O, Frommeyer G, Derder C,etal. Phase transformation and mechanical properties of Fe-Mn-Si-Al TRIP-steel [J]. Phys Iv France, 1977, C5, 383.

[2] Frommeyer G. Supra-ductile and high-strength manganese-TRIP /TWIP steels for high energy absorption purpose [J]. ISIJ International, 2003, 43: 438.

[3] Seawoong Lee, Seok-jae Lee, Bruno C. Austenite stability of ultrafine-grained transformation-induced plasticity steel with Mn partitioning[J]．Scripta Mater, 2011, 65(2011): 225.

[4] Dini G, Najafizadeh A, Ueji R,etal. Improved tensile properties of partially recrystallized submicron grained TWIP steel [J]. Mater Lett, 2010, 64(1): 15.

[5] Jung Min-hee. World’s first 2GPa steel POSCO to unveil advanced automotive steel technologies at detroit auto show [EB/OL]. http://www.businesskorea.co.kr/english/news/sciencetech/13520-world%E2%80%99s-first-2gpa-steel-posco-unveil-advanced-automotive-steel-technologies, 2016-01-11.

[6] 馬鳳倉, 馮偉駿, 王利,等. TWIP鋼的研究現狀[J]. 寶鋼技術, 2008(6): 62-66.

(Ma F, Feng W, Wang L,etal. The TWIP seel research work at present [J]. Baosteel Technology, 2008(6): 62-66.)

[7] Eren Billur, Jim Dykeman, Taylan Altan. Three generations of advanced high-strength steels for automotive applications, Part II The second generation [J]. Stamping Journal, Jan/Feb 2014 issue: 12-13.

[8] 楊冰, 秦興國, 段吉超,等. 第三代超高強鋼QP980的性能及在汽車上的應用研究[C]// 中國汽車工程學會汽車材料分會第20屆學術年會會議論文集. 2017: 77-86.

(Yang B, Qin X, Duan J,etal. Research on properties of 3rd generation ultra high strength steel QP980 and its applications on automotive[C]//The 20th annual conference proceedings of the automotive materials branch of SAE-China. 2016: 77-86.)