超高強度鋼板料脹形成形極限研究

王蘇靜，鄧沛然，宣守強，徐 輝，種習文

（上海工程技術大學 材料工程學院，上海 201620）

0 引 言

近年來，各種輕量化材料不斷發展，但鋼材仍是汽車結構制造中的主要材料。為實現減輕質量、節能環保和提高車身安全性，需使用抗拉強度超過1 GPa的先進超高強度鋼（AUHSSs）[1,2]。DP1180雙相鋼作為一種新型超高強度鋼，是國內外鋼鐵企業研究的重點材料之一。然而，UHSS中較硬的馬氏體組織[3,4]，給沖壓過程和成形工藝設計帶來困難。超高強度鋼在室溫下成形性能較差，且冷成形的技術難度大和生產限制多，因此熱成形加工方式將成為其主要加工方法。

S PANDRE等[5]研究了不同溫度和應變速率下的DP590拉伸變形行為和材料性能。關于600 MPa級別的DP鋼研究較多，而1 000 MPa級別的先進高強度鋼研究較少，因此DP1180高強度鋼在不同參數條件下的性能研究對實現其在汽車輕量化中的應用具有參考價值。吳愷威[6]利用沖壓成形測試系統,對DP590板料進行了不同沖壓速度下的杯突試驗，通過伺服壓力機板料測試系統的精密傳感器讀取了沖壓過程中的凸模位置、速度和載荷的關系曲線，獲得了0.8 mm厚的板料在不同沖壓速度、潤滑條件及壓邊力條件下的IE值。其試驗結果表明：沖壓速度、潤滑條件和壓邊力對DP590材料的脹形性能均有影響，研究有助于材料的輕量化應用和工藝參數的優化。孫立君等[7]通過公式推導并結合有限元模擬技術，基于Swift分散性失穩和Hill集中性失穩2種理論模型，將最小厚度的計算結果與有限元模擬試驗得到材料破裂時的最小厚度對比，計算結果表明：Hill失穩理論能較準確地預測超薄不銹鋼材料在脹形過程中的破裂趨勢,該結論可用于預測超薄不銹鋼發生脹形時的極限。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用0.8 mm厚的DP1180高強度鋼，屈服強度723 MPa，抗拉強度1 207 MPa，延伸率約8%，化學成分如表1所示。圖1所示為原始試樣金相組織，DP1180板料微觀組織主要由鐵素體和馬氏體組成，鐵素體作為塑性相提高了材料的塑性性能，馬氏體作為硬化相提高了材料的強度和硬度，使DP1180高強度鋼具有較高的加工硬化率和優異的延伸率，滿足汽車輕量化和提高碰撞性能的要求。

表1 DP1180高強度鋼化學成分 質量分數

圖1 原始板料微觀組織

1.2 試驗模具

依據杯突試驗參照GB/T 4156—2007《金屬杯突試驗方法》[8]，采用直徑為φ20 mm的半球形凸模在杯形試驗機上進行了埃里克森（erichsen test）杯突試驗。試樣采用線切割的方式切割成90 mm×90 mm的方形，試驗采用端部為球形的凸模，凸模球形直徑為 φ（20±0.05）mm，壓模孔徑為 φ（27±0.05）mm[9]。模具結構如圖2所示。

圖2 模具結構

2 試驗結果

2.1 IE值的讀取

脹形性能試驗是測試材料沖壓工藝性能的一種試驗，可用來評價金屬薄板成形性[10]，將凹模與壓邊圈之間的板料壓入凹模內，直至出現破裂。圖3所示為凸模載荷-行程曲線，當試樣產生破裂時，作用在試樣上的力持續下降，因此只需讀取沖壓力突變點的凸模位置差值即可精確獲得IE值。從B點開始，載荷逐漸增加，表明到達B點時凸模與板料剛接觸，到達C點以后，載荷逐漸減小，直至D點，載荷降為0，那么B、D兩點的行程差值（凸模壓入的深度）即為板料的杯突值（IE值），IE值越大，說明材料脹形性能越好。

圖3 凸模行程與載荷曲線

2.2 溫度對IE值的影響

在壓邊力、沖壓速度、潤滑條件、凸模行程保持一定的情況下，只改變溫度，研究不同溫度對IE值的影響，試驗結果如圖4所示。由圖4可知，室溫下杯突板料試樣的裂紋形狀相似且均呈環狀，但破裂的程度有一定差別。室溫下裂紋開口最大，溫度在100、200℃時，裂紋逐漸變細，開口變小，溫度到達300℃后，裂紋消失，裂口閉合，最終成光滑圓角狀。該現象表明，溫度升高，材料由于高溫軟化作用，塑性性能增加，拉伸能力增強，脹形性能明顯提升，即IE值增加。各溫度下IE值的變化趨勢如圖5所示，溫度越高，IE值增大，室溫下板料的IE值為7.155，當溫度上升到300℃時，IE值提高至13.853，脹形性能增加了93.6%。此外，通過比較各溫度區間杯突值的變化趨勢發現，材料的拉伸性能與脹形性能隨溫度的變化趨勢一致，即在100℃以下時，材料的力學性能與室溫時類似，而在200℃后，無論拉伸能力還是脹形能力均有明顯的增強趨勢，且均在300℃的溫度區間內達到峰值。

圖4 不同溫度下的脹形試樣

圖5 IE值隨溫度的變化趨勢

2.3 壓邊力對IE值的影響

基于上述試驗，繼續研究溫度對DP1180板料脹形性能的影響。為了與室溫下的杯突試驗進行對比，在相同的試驗條件下，利用電磁感應將板料分別加熱至100、200、300℃，探究在這3個不同的溫度區間內，IE值在不同壓邊力下的變化趨勢。將凸模速度設置為20%的沖壓速度，潤滑條件為無潤滑，壓邊力分別設置為5、10、15、20、25 kN，重復試驗并對結果取平均值，最終試驗結果如表2所示。

表2 各溫度下不同壓邊力時的IE值

由圖6可以看出，100、200、300℃下的IE值較室溫下的IE值有明顯提升，因為隨著溫度的升高，材料在軟化機制的影響下發生軟化現象，在同等條件下，溫度越高，試樣產生破裂時，凸模的行程增加，即IE值增大。各溫度下的IE值變化趨勢均與室溫下相似，IE值的變化趨勢都是隨著壓邊力的增加而先增后減。室溫下，壓邊力為5～15 kN時，壓邊力升高，IE值升高，壓邊力為15～25 kN時，IE值隨著壓邊力的增大逐漸減小；但在溫度的影響下，壓邊力在15～25 kN時，IE值的變化趨于平緩，表明隨著溫度的升高，壓邊力的影響程度減小，溫度成為主要的影響因素，溫度越高，軟化效果越顯著，更有利于板料均勻脹形，材料的脹形性能顯著提升。

圖6 不同壓邊力時IE值變化趨勢

2.4 沖壓速度對IE值的影響

與上述試驗相似，研究DP1180在這3個不同的溫度區間和不同沖壓速度下IE值的變化趨勢。保持壓邊力為15 kN，潤滑條件為無潤滑，沖壓速度分別設置為壓力機速度的10%、20%、50%、80%、100%，試驗條件與上述相同，最終試驗結果如表3所示。

表3 各溫度下不同沖壓速度時的IE值

由圖7可以看出，同一沖壓速度的不同溫度下，IE值隨著溫度升高而逐漸增大；各溫度下的變化曲線相似，IE值隨著沖壓速度的增大而逐漸降低，與壓邊力對IE值影響不同的是，溫度在20～300℃時，沖壓速度是影響脹形性能的主要影響因素。這是由于過大的沖壓速度會導致板料來不及反應，而使高強度鋼板料較快發生破裂，同時沖壓速度的增大也會引起材料流速減緩，流動不均勻，導致在脹形過程中進入凹模的材料減少，只有少部分流入，造成板料脹形時發生嚴重減薄，最終由于減薄率迅速上升而導致破裂，方形板料發生破裂時凸模行程減少，即IE值減小。因此在實際加工過程中，應選擇合適的沖壓速度。

圖7 不同沖壓速度時IE值變化趨勢

3 結束語

DP1180高強度鋼板料的塑性性能隨溫度的升高而提升，IE值隨著溫度的升高而逐漸增大。室溫下的IE值為7.155，溫度為300℃時，IE值為13.853，材料的脹形性能提升了93.6%，脹形性能得到了顯著提升。通過控制變量，分別探究了在不同的壓邊力、沖壓速度下的IE值變化情況。結果表明：在脹形試驗中，0.8 mm厚的DP1180高強度鋼板料的IE值隨著壓邊力的增大而先增后減，隨著沖壓速度的增大逐漸減小；不同溫度條件下，IE值隨壓邊力、沖壓速度的變化趨勢相似；隨著溫度的升高，壓邊力的影響程度逐漸減小，沖壓速度一直為主要影響因素。