DP1180超高強(qiáng)鋼板熱拉深性能研究

0 引 言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、安全成為汽車發(fā)展的主要方向，國(guó)家和市場(chǎng)對(duì)汽車輕量化的需求日益提高

。作為傳統(tǒng)的工程材料——鋼鐵，其制備技術(shù)不斷成熟，性能也在不斷提高，在制造領(lǐng)域有著不可替代的地位

。隨著汽車對(duì)結(jié)構(gòu)件輕量化需求的進(jìn)一步提高，車體使用的鋼材強(qiáng)度越來(lái)越高的同時(shí)，材料塑性卻降低，例如鋼材強(qiáng)度由250 MPa提高到1 000 MPa時(shí)，塑性由45%降低到12%

。

DP1180雙相鋼作為一種新型超高強(qiáng)度鋼，是國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)研究的重點(diǎn)材料之一。然而，超高強(qiáng)度鋼在室溫條件下成形性較差，且冷成形的技術(shù)難度和生產(chǎn)限制過大，因此熱成形成為其主要加工方式

。雙相鋼的基本成分為C和Mn，有時(shí)為了提高淬透性還添加一定量的Cr和Mo

。雙相鋼具有低屈強(qiáng)比、高延伸率及初始硬化速率快的特性

。蔣浩明等

通過對(duì)比研究的方法體現(xiàn)DP鋼的力學(xué)性能，由試驗(yàn)得出在屈服強(qiáng)度相近的情況下DP鋼擴(kuò)孔性能最低的結(jié)論。

十年后，江湖上出現(xiàn)了一個(gè)很厲害的俠客，不管是誰(shuí),只要和他對(duì)視幾秒，都會(huì)毫無(wú)例外地?cái)∠玛噥?lái)，從來(lái)沒有人看穿過他的武功路數(shù)。

刁可山等

通過理論計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比，得出1 000 MPa級(jí)DP鋼的FLD計(jì)算值和試驗(yàn)值，偏差在6.5%左右，其試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：1 000 MPa級(jí)的超高強(qiáng)鋼的FLD較低、塑性差。孔政等

通過筒形件拉深試驗(yàn)與有限元模擬仿真相結(jié)合的方法得到了極限拉深深度與極限應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，其試驗(yàn)結(jié)果表明極限拉深深度能更好地評(píng)價(jià)拉深極限。崔振楠等

研究了DP590/DP780高強(qiáng)鋼焊管在液壓成形過程中的變形行為，為了防止液壓成形件開裂失效應(yīng)注意主要受力部位的減薄率。周同貴

將BR1500 HS高強(qiáng)鋼板作為研究對(duì)象，對(duì)其熱成形過程進(jìn)行有限元數(shù)值仿真模擬，并結(jié)合熱成形理論、熱成形本構(gòu)模型等方面進(jìn)行了研究，獲得了真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線并建立了高溫流變方程。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用0.8 mm厚的DP1180高強(qiáng)鋼，屈服強(qiáng)度為723 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 207 MPa，延伸率約8%，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 單向熱拉深試驗(yàn)

DP1180高強(qiáng)鋼板料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律如圖5所示，材料的抗拉強(qiáng)度并不是隨著溫度的升高逐漸降低，在300℃時(shí)的材料屈服點(diǎn)高于200℃，這是由于溫度達(dá)到300℃時(shí)，C、N析出，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，材料內(nèi)位錯(cuò)堆積，宏觀表現(xiàn)為加工硬化現(xiàn)象顯著，塑性變形抗力增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度增大；當(dāng)溫度超過300℃時(shí)，原子遷移能力增強(qiáng)，加工硬化減弱，該現(xiàn)象消失，抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高逐漸減小。

圖8所示為不同溫度下斷口形貌，斷口形貌表現(xiàn)為花樣河流狀，斷口處有一些孔洞聚集，即韌窩，這是由于斷裂過程中第二相粒子脫離形成。100℃時(shí)的韌窩孔洞最大且朝向不均，位置分布也不均勻，說(shuō)明溫度較低時(shí)晶界間的原子動(dòng)能不足，沒有發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致韌窩孔洞較大。但隨著溫度的升高，韌窩數(shù)量變多，孔洞變小，分布逐漸均勻，并具有一定的方向性，其原因是溫度升高使晶界間的原子獲得能量逐漸增多，晶界原子擴(kuò)散數(shù)量逐漸增多。溫度達(dá)到400℃以后，開始出現(xiàn)晶界滑移和擴(kuò)散蠕變現(xiàn)象，斷口處變?yōu)榫鶆蚍植嫉募?xì)小孔洞，韌窩數(shù)量減少，位錯(cuò)等缺陷密度減小，塑性性能進(jìn)一步提高。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱拉深性能

由圖4可以看出，各溫度條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)相似，表現(xiàn)為應(yīng)變先迅速增加后逐漸減慢，最后趨于穩(wěn)定，達(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)；其原因是當(dāng)材料處于彈性變形階段，材料保持完全彈性變形的最大應(yīng)力隨著溫度的升高逐漸降低

。在100、200、300℃時(shí)的彈性變形階段相近，在400、500、600℃時(shí)彈性變形階段有明顯區(qū)別，尤其是600℃時(shí)，彈性變形階段減小顯著，該階段曲線斜率逐漸減小，材料進(jìn)入彈塑性階段時(shí)間縮短，表明材料開始出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。但隨著應(yīng)力的增加，曲線變化平緩，說(shuō)明此階段材料發(fā)生了均勻的塑性變形，即達(dá)到塑性變形階段，開始出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，材料形變?cè)鰪?qiáng)；曲線達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)應(yīng)的材料達(dá)到最大均勻塑性變形的抗力，即達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度

。

試驗(yàn)方案：設(shè)定6個(gè)不同的試驗(yàn)溫度，分別為100、200、300、400、500、600 ℃，應(yīng)變速率為2×10

s

，在Gleeble-3800熱力模擬機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，以0.48 mm/min的速度進(jìn)行拉伸。讀取得到材料的位移-載荷曲線，計(jì)算得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 228.2-2015金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分:高溫試驗(yàn)方法》

進(jìn)行試驗(yàn)試樣的切割，其拉伸試樣尺寸如圖1所示，沿軋制方向進(jìn)行線切割。

圖7所示為室溫至600℃下拉伸試樣的延伸率變化趨勢(shì)，延伸率的變化不隨溫度的升高而逐漸增加。100～600℃下拉伸試樣的延伸率均高于常溫下的延伸率。在100℃時(shí)拉深件的延伸率提高了33.3%，延伸率提升明顯；溫度為200～500℃時(shí)，拉伸試樣的延伸率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，雖然延伸率較常溫下均有提升，但提升幅度均小于100℃時(shí)的增長(zhǎng)幅度。當(dāng)溫度到達(dá)600℃時(shí)，試樣的延伸率達(dá)到了36.7%，增長(zhǎng)幅度最大，說(shuō)明溫度對(duì)DP1180高強(qiáng)鋼的延伸率有一定的影響。

試驗(yàn)使用H1F-60伺服壓力機(jī)，拉深凸模直徑為

26.24 mm，凹模直徑為

28 mm，以典型的筒形件為研究對(duì)象，利用H1F-60伺服壓力機(jī)對(duì)不同直徑的0.8 mm厚DP1180圓形薄板在不同溫度條件下進(jìn)行拉深。

將南豐縣1981—2017年1月上旬至12月下旬的氣候條件（平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)）與柑橘產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)一步分析氣候因子與產(chǎn)量的關(guān)系。從表2中可以看出，柑橘產(chǎn)量與3月下旬、6月中旬、7月下旬、8月上旬、9月上旬、11月上旬、11月中旬最低氣溫，6月中旬平均氣溫，11月中旬降水量呈顯著或極顯著正相關(guān)；與6月上旬日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

在DP1180鋼薄板斷裂過程中塑性變形起決定性作用，晶界滑動(dòng)控制微孔的形成與擴(kuò)展，而晶粒間在微孔產(chǎn)生后更容易發(fā)生協(xié)調(diào)變形，這種變形抑制了微孔的形成和擴(kuò)展，保證了材料的延伸率和抗拉強(qiáng)度。隨著塑性變形量的增大，晶粒變形后對(duì)微孔的抑制作用不斷減小，最終材料出現(xiàn)斷裂。

2.2 斷口形貌分析

熱拉深試驗(yàn)采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)，熱模擬試驗(yàn)機(jī)主要由供電線路、加熱設(shè)備、機(jī)械裝置、真空系統(tǒng)、冷卻裝置及測(cè)控組件等組成，如圖2所示。試驗(yàn)變形溫度為 100、200、300、400、500、600℃。具體工藝流程：先設(shè)置設(shè)備應(yīng)變速率為20℃/s，直至升溫至600℃，保溫3 min后再以2×10

s

的應(yīng)變速率將試樣拉斷失效再快速冷卻至室溫，具體熱加工工藝如圖3所示。

二○一八年二月十四日，我，把自己活成了當(dāng)初你喜歡的模樣。但是親愛的，這是你現(xiàn)在想要的模樣嗎？是不是活成一朵花的模樣，就很美好——不再遺失的美好？

3 熱拉深試驗(yàn)

3.1 熱拉深試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖6所示為DP1180高強(qiáng)鋼板料試樣在100、200、300、400、500、600 ℃下拉伸失效樣件，所有拉伸失效試樣與原試樣相比均有一定的伸長(zhǎng)，表明在100～600℃內(nèi)，該材料的延伸率較室溫下均增大；對(duì)100、200、300℃溫度下的拉伸試驗(yàn)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，拉伸件斷口方向與試樣長(zhǎng)度方向近似成45°，斷口處沒有明顯的頸縮現(xiàn)象；400、500、600℃溫度下的拉伸試樣有明顯的頸縮現(xiàn)象，且頸縮現(xiàn)象程度逐漸增大，斷口處有明顯的顏色變化，且顏色逐漸加深。

納入研究的療程在2周～3個(gè)月，大多數(shù)研究集中在4周。其中，療程2周1項(xiàng)（7.14%），4周10項(xiàng)（71.43%），8周2項(xiàng)（14.29%），12周1項(xiàng)（7.14%）。

根據(jù)《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法》

規(guī)定制備試樣，試樣直徑范圍為

52～

63.25 mm，以1.25 mm為相鄰兩組試樣的直徑差，每組準(zhǔn)備6個(gè)有效試樣。在某一參數(shù)條件下，若6個(gè)試樣從開始的“六不破”拉深至“三破三不破”，繼續(xù)拉深試樣將達(dá)到“六破”，達(dá)到“三破三不破”時(shí)的直徑即為該板料的極限拉深直徑，并根據(jù)

/

（

為板料直徑，

為凸模直徑）計(jì)算極限拉深比LDR，以此來(lái)評(píng)定板料成形性能。為了與室溫下的拉深極限尺寸進(jìn)行對(duì)比，熱拉深試驗(yàn)的參數(shù)條件與室溫試驗(yàn)保持一致：壓邊力15 kN，沖壓成形速度11 mm/s，采用無(wú)潤(rùn)滑的潤(rùn)滑條件。

福建省沿海海區(qū)屬東亞季風(fēng)區(qū),其中劉五店港區(qū)至羅源灣港區(qū)潮汐屬半日潮型，海流以潮流為主，基本呈往復(fù)型，最大海流流速為145cm/s。

3.2 熱拉深試驗(yàn)結(jié)果

圖9所示為各溫度下的極限拉深高度，圖10所示為各溫度下的極限拉深比。200℃與300℃溫度下的試樣極限拉深尺寸均為

57 mm；350℃達(dá)到“三破三不破”的板料尺寸為

59.5 mm；繼續(xù)升高溫度，拉深極限繼續(xù)增大，400℃時(shí)，試樣極限拉深尺寸達(dá)到

60.75 mm，極限拉深性能提升了11.6%；溫度達(dá)到450℃時(shí)，由于藍(lán)脆現(xiàn)象，試樣極限拉深尺寸降低，為

58.25 mm，理論上的藍(lán)脆溫度范圍為280～400℃，但本次試驗(yàn)中，加熱溫度快且在沖擊載荷的作用下，藍(lán)脆溫度上升到450℃；溫度達(dá)到550℃時(shí)，藍(lán)脆現(xiàn)象消失，試樣極限拉深尺寸達(dá)到

63.25 mm，拉深極限增大14%，表明極限拉深比也逐漸增大，材料的塑性性能逐漸提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過單向熱拉深試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度為300℃時(shí)，DP1180高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度為850 MPa，高于200℃時(shí)的820 MPa。溫度為300～600℃時(shí)，板料的抗拉強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢(shì)。板料的延伸率在隨著溫度的升高逐漸增大，溫度為600℃時(shí)，延伸率達(dá)到最大為36.7%。

（3）OCP（Organizational Culture Profile）量表（Chatman，1991）。它最初由54個(gè)測(cè)量項(xiàng)目組成，分為8個(gè)維度，分別是創(chuàng)新性、關(guān)注細(xì)節(jié)、結(jié)果導(dǎo)向、侵略性、支付性、強(qiáng)調(diào)報(bào)酬、團(tuán)隊(duì)導(dǎo)向和決策。后來(lái)經(jīng)過廣泛的實(shí)證研究，Chatman最終將OCP量表定為7個(gè)維度，包括革新性、穩(wěn)定性、尊重員工、結(jié)果導(dǎo)向、注重細(xì)節(jié)、進(jìn)取性和團(tuán)隊(duì)導(dǎo)向。它采用Q分類的計(jì)分方式，要求被試者按照最期望到最不期望或者最符合到最不符合的順序分為9類，后來(lái)經(jīng)過其他學(xué)者的改進(jìn)，將計(jì)分方法改為更利于使用者的Likert計(jì)分法。

（2）通過掃描電鏡對(duì)不同溫度下的斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，斷口處韌窩變小，數(shù)量增多，出現(xiàn)擴(kuò)散蠕變和晶界滑移等變形，材料的塑性性能得到提升。

（3）在200～400℃時(shí)，DP1180高強(qiáng)鋼板料的極限拉深直徑隨著溫度的升高而逐漸增大，極限拉深比由常溫下的2.07增加至2.31，極限拉深性能提升了11.6%。

（4）當(dāng)溫度升高至450℃時(shí)，由于藍(lán)脆現(xiàn)象，其極限拉深直徑反而減小，但繼續(xù)加熱至550℃時(shí)，藍(lán)脆現(xiàn)象消失，拉深極限增大14%。單向熱拉深試驗(yàn)表明DP1180高強(qiáng)鋼板的藍(lán)脆溫度范圍為200～300℃，但在熱拉深試驗(yàn)中藍(lán)脆溫度上升到450℃；550℃時(shí)藍(lán)脆現(xiàn)象消失的原因是加熱溫度快且板料受到了沖擊載荷的作用。

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