基于使用特性的唐鋼QP980和DP980對比分析及典型應用

張茜 劉宇 呂浩 牛星輝

（唐山鋼鐵集團有限責任公司，唐山 063000）

1 前言

隨著能源環(huán)保問題日益嚴峻，碰撞法規(guī)要求日益嚴苛，在保證安全的前提下進行輕量化設計是目前汽車工業(yè)的發(fā)展方向[1-2]，白車身占整車重量的50%左右，對車身骨架零件進行輕量化設計是實現(xiàn)整車輕量化的關鍵。

提高高強鋼、超高強鋼在車身上的應用比例，仍然是車身輕量化最經(jīng)濟、有效的方法。目前中高端車型中A 柱、B 柱、門檻、防撞梁等車身安全件均已廣泛采用雙相鋼DP、Trip鋼和MS等高強鋼[3-4]，但某些高強鋼由于成形性能限制，尚不能滿足一些對強度等級和復雜形狀兼顧的車身骨架零件的成形需求。

為滿足車身零件高強度等級和復雜形狀特性的雙重需求，唐鋼高強汽車板產(chǎn)線不斷完善，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷升級，目前已經(jīng)具備穩(wěn)定生產(chǎn)QP、DP、CP等不同系列980 MPa 及以上強度高強鋼產(chǎn)品，為了充分利用高強鋼板的強度、塑性、加工硬化等特性，對其應用特性進行解析是非常必要的。

以唐鋼自主研發(fā)的DP980 和QP980 為研究對象，從基礎力學特性、成形極限、擴孔、翻邊、U 彎回彈5 個維度進行對比分析，結(jié)合零件的成形特點，提供選材應用參考依據(jù)。

2 材料和方法

試驗所用的DP980 和QP980 材料均為唐鋼高強汽車板產(chǎn)線穩(wěn)定生產(chǎn)的1.2 mm 厚度產(chǎn)品，成分如表1 所示，金相組織如圖1 所示。

圖1 DP980和QP980顯微組織(4 000×)

DP980 為 C-Mn-Si-Ti-Cr-Mo 成分體系，以鐵素體和馬氏體兩相為主[5]，QP980為C-Mn-Si-Ti-Nb成分體系，組織中有鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體。

根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》[6]，在ZWICK 拉伸試驗機上進行力學性能測試，采用80 mm 標距。根據(jù)GB/T 15825.8—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法第8 部分：成形極限圖(FLD)測定指南》[7]，采用光學應變分析技術，在BCS-50A 通用板材成形性能試驗機上進行成形極限曲線FLC 測定，采用2.5 mm×2.5 mm 的正方形網(wǎng)格，選取距開裂位置最近的完整網(wǎng)格應變作為試樣的極限應變點。根據(jù)GB/T 15825.4—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法第4 部分：擴孔試驗》[8]，在BCS-50A 通用板材成形性能試驗機上進行沖孔、擴孔率的測試，采用ZEISS掃描電鏡對沖孔試樣邊緣形貌進行表征分析。

直角翻邊和V形翻邊采用自制翻邊專用模具進行測試，通過翻邊極限高度評價翻邊特性，模具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過改變料片尺寸來摸索材料極限翻邊高度，初始翻邊高度為0 mm，試樣尺寸如圖3所示，以0.5 mm 梯度往外偏置，將測量精度控制在0.5 mm，V 形翻邊時，首選對板料進行預彎成120°，使其具備一定的應變量，然后再進行二次翻邊，測量極限翻邊高度，與生產(chǎn)實際更為接近。

圖2 翻邊模具結(jié)構(gòu)

圖3 試樣初始尺寸（翻邊高度為0 mm）

U 形彎曲回彈采用自主設計的回彈專用模具進行測試，如圖5 所示，通過直臂和法蘭邊角度的變化進行回彈大小評定，測量位置如圖6 所示，模具結(jié)構(gòu)可通過更換鑲塊實現(xiàn)拉延、翻邊、成形3 種成形方式，如圖7 所示。

圖4 V形翻邊工藝過程

試驗采用360 mm×50 mm 的矩形試樣，進行拉延、成形、翻邊3 種工藝下的回彈測試，每種工況進行5 次重復試驗，取平均值作為材料的回彈量。

3 結(jié)果和討論

3.1 力學性能對比分析

DP980 和QP980 材料的力學性能如表2，材料的應力應變曲線和應變硬化指數(shù)見圖8，可以看出2 種材料均表現(xiàn)出連續(xù)屈服以及較長的均勻延伸區(qū)間。由于QP980 中殘余奧氏體的存在，使其在保證與DP980 同等強度的前提下具有更高的延伸率。QP980 在發(fā)生變形時，殘余奧氏體在應力的作用下，會發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變，使QP 鋼在強度大幅提升的同時，仍具有較好的相變誘導塑性，進而維持較高的瞬時應變硬化指數(shù)n值。QP 鋼良好的強塑積和加工硬化特性，適合外形相對復雜、強度要求相對較高的沖壓件。

圖8 DP980和QP980材料的應力應變曲線及瞬時n值

表2 DP980和QP980材料力學性能

3.2 成形極限對比分析

DP980 和 QP980 材料的成形極限曲線（FLC）如圖9 所示。成形極限是衡量板材在發(fā)生開裂之前達到的最大變形能力的重要標志，采用成形極限圖可以簡便直觀判斷零件安全裕度及開裂風險。QP 鋼由于相變誘導塑性效應，在成形時可以保持較高的瞬時應變硬化指數(shù)n值，進而提高了材料的成形極限。DP980 和QP980 在成形極限曲線最低點的平面應變值分別是0.114 和0.203，QP 較DP 成形極限最低點優(yōu)9%左右。

圖9 DP980和QP980材料的實測成形極限FLC曲線

利用keeler 公式[9]對2 種材料的成形極限進行預測，其平面狀態(tài)的FLD0點見公式（1）。

式中，t為板料厚度；n為均勻變形結(jié)時刻對應的瞬時加工硬化指數(shù)n值。

通過對比可以看出，理論計算和實驗測量得到的結(jié)果趨勢是一致的。

3.3 擴孔性能對比分析

DP980 和QP980 每種材料取4 片試樣進行沖孔后的擴孔率測試，如表3 所示。擴孔至材料孔緣附近產(chǎn)生第1 條貫穿裂紋時的形貌如圖10 所示。DP980 的平均擴孔率較QP980 高7%。

圖10 擴孔后試樣形貌

表3 DP980和QP980材料擴孔率

圖11 是DP980 和QP980 材料沖孔后的孔緣組織，比較發(fā)現(xiàn)，DP980 和QP980 沖孔過程中孔緣附近均產(chǎn)生了顯微裂紋。DP980 的顯微組織中裂紋尺寸短小且不連續(xù)，裂紋數(shù)量較少；而QP980 的顯微組織中裂紋尺寸長且連續(xù)，裂紋數(shù)量也多。在后續(xù)擴孔過程中，微裂紋處容易產(chǎn)生應力集中，惡化材料的擴孔性能。此外，DP980 存在F+M 兩相，裂紋擴展過程中塑性變形容易在F 中，從而降低裂紋處應力集中趨勢，有利于獲得較高的擴孔率，使其擴孔性能優(yōu)于QP980。

圖11 沖孔后孔緣組織

3.4 極限翻邊高度對比分析

翻邊高度為t-0.5 mm、tmm時，零件邊緣不出現(xiàn)開裂，翻邊高度為t+0.5 mm、t+1.0 mm時，零件邊緣均出現(xiàn)開裂，則認為此零件的極限翻邊高度為tmm。DP980 和QP980 材料的極限翻邊高度對比結(jié)果如圖12 所示，翻邊零件如圖13 所示。結(jié)果顯示，DP980 的極限翻邊高度較QP980 高，其中直角翻邊要高3.5 mm，V 形翻邊高1.5 mm。說明DP980 更適用于翻邊、折彎類零件成形。

圖12 DP980和QP980材料的極限翻邊高度

2 種材料的V 形翻邊高度均較直角翻邊高度大。這是由于V 形翻邊預彎后圓角處有部分材料堆積，內(nèi)側(cè)具有一定壓應力，再進行翻邊時，預彎的內(nèi)側(cè)變成最終翻邊零件的外側(cè)，其受力狀態(tài)也由壓應力變?yōu)槔瓚?；而直角翻邊初始板料為平板，?nèi)部不存在殘余應力，翻邊時直接由自由狀態(tài)到拉應力狀態(tài)，所以相對而言，其翻邊時也更容易開裂。

3.5 U彎回彈性能對比分析

凸?；貜椊嵌圈?回彈為θ1-90°，θ1為凸模角，表征了凸模圓角處的回彈；法蘭回彈角度θ2回彈為90-θ2，θ2為法蘭角，表征了凹模圓角處的回彈。θ1回彈越大，θ2回彈越大零件回彈越大，其中θ1回彈起主要作用。

DP980 和QP980 在不同工藝下的U 形彎曲回彈量對比如圖14 所示，不論哪種成形工藝，DP980的回彈量均大于QP980，拉延回彈回彈量大于翻邊回彈大于成形回彈。采用DP 鋼進行沖壓成形時應考慮比同級別的QP 鋼設計更大的回彈補償量。

圖14 DP980和QP980回彈量對比

3.6 典型應用案例

目前唐鋼DP980 和QP980 產(chǎn)品均已具備批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力，在多家主機廠及零部件配套廠評估應用，反饋良好。

DP980 具有良好的翻邊、擴孔性能，適合以折彎、翻邊變形為主的局部成形特征較多的零件，目前已經(jīng)在門檻、下邊梁等零件中成功試用，如圖15所示，效果良好。QP980 具有較高的強度和延伸率，良好的強塑積，特別適合外形相對復雜、強度要求較高的沖壓件，目前已經(jīng)在B 柱、座椅墊板等零件廠上成功應用，如圖16 所示。

圖15 采用唐鋼DP980沖制的下邊梁

圖16 采用唐鋼QP980沖制的B柱

4 結(jié)論

a.唐鋼 QP980 的A80延伸率可高達 18.5%，與DP980 相比，具有更高的強塑積，在變形過程中可維持較高的瞬時n值。

b.唐鋼QP980 較DP980 成形極限性能高，成形極限的最低點處平面應變高于DP980 約9%。

c.唐鋼DP980 的擴孔率和極限翻邊高度均優(yōu)于QP980，其中V 形翻邊優(yōu)于直角翻邊。

d.唐鋼 DP980 的 U 彎回彈大于 QP980，進行零件設計時需設計更大的回彈補償量。

e.唐鋼QP980 成形性較好，適用于強度要求較高、形狀較為復雜的結(jié)構(gòu)件，DP980 的翻邊、擴孔性能較好，適用于以彎曲變形為主的高強鋼梁類件。