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淺談汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形性能研究論文
先進(jìn)高強(qiáng)鋼兼具高強(qiáng)度和較好的成形性能，特別是應(yīng)變硬化指數(shù)高，有利于碰撞吸收能的提高，已被廣泛用于車身的結(jié)構(gòu)件和安全件。優(yōu)化采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板，可減輕車身重量、提高車身被動(dòng)安全性及提高車型性價(jià)比。先進(jìn)高強(qiáng)鋼中的DP鋼和TRIP鋼都具有高強(qiáng)度和良好塑性的優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化的理想用材。
DP鋼主要應(yīng)用于車底十字構(gòu)件、防撞桿、縱梁等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件等，而TRIP鋼則主要應(yīng)用于車門(mén)防護(hù)桿、保險(xiǎn)杠和底盤(pán)結(jié)構(gòu)件等。本文通過(guò)顯微組織分析、拉伸試驗(yàn)、成形極限試驗(yàn)、杯突試驗(yàn)及擴(kuò)孔試驗(yàn)，對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別DP鋼和TRIP鋼的成形性能進(jìn)行研究，希望對(duì)沖壓成形及應(yīng)用提供參考。
1試驗(yàn)材料
(1)化學(xué)成分
試驗(yàn)材料中DP鋼采用C-Si-Mn成分體系，TRIP鋼采用Si基低合金成分體系。為獲得較細(xì)的組織以利于更好地提高塑性和韌性，試驗(yàn)材料中均添加微合金元素Nb。
(2)顯微組織
以相同強(qiáng)度級(jí)別試驗(yàn)材料顯微組織為例。DP590顯微組織中灰白色組織為鐵素體，灰黑色組織為馬氏體，而在TRIP590顯微組織中，灰色組織為鐵素體，黑色組織為貝氏體，白色組織為殘余奧氏體，殘余奧氏體分布在多邊形鐵素體晶粒之間，有少量存在鐵素體內(nèi)部，島狀貝氏體分布在鐵素體和殘余奧氏體交界處或相鄰的鐵素體晶粒交界處。
DP鋼中鐵素體賦予雙相鋼較低的屈強(qiáng)比、較高的延伸率，具有優(yōu)良的塑性;而馬氏體則賦予其高的強(qiáng)度，同時(shí)鐵素體在變形過(guò)程中會(huì)遇到硬相馬氏體的阻礙產(chǎn)生大量位錯(cuò)而快速的產(chǎn)生加工硬化，有利于流變應(yīng)力的均勻分布，使DP鋼具有良好的成形性能。TRIP鋼中主要由貝氏體提高材料強(qiáng)度，提供塑性的不僅有鐵素體，還有因殘余奧氏體向馬氏體相變而引入的塑性提高，因此，DP鋼與TRIP鋼的塑性能力是不同的。
Nb在DP鋼中主要通過(guò)NbC粒子的析出阻礙再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，使鐵素體晶粒較細(xì)，馬氏體分布彌散，在提高基體強(qiáng)度的同時(shí)有利于進(jìn)一步提高加工硬化速率和延伸率。Nb在TRIP鋼中起到細(xì)化晶粒的尺寸的作用，保證微觀組織的均勻性并提高鋼中殘余奧氏體量，最終提高成形性能。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
(1) 拉伸試驗(yàn)
拉伸試驗(yàn)中，試驗(yàn)材料均選擇1.4mm厚度規(guī)格，同時(shí)為便于對(duì)比分析均采用此厚度規(guī)格進(jìn)行后續(xù)的成形性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。將試驗(yàn)材料取同方向并制成同標(biāo)距試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，DP鋼具有連續(xù)屈服、低屈強(qiáng)比等特點(diǎn)，而TRIP鋼在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的延伸率和高n值等特點(diǎn)。TRIP鋼組織中殘余奧氏體在應(yīng)力應(yīng)變作用下向馬氏體的相變誘發(fā)轉(zhuǎn)變顯著改善了材料的塑性，因此延伸率很高，而DP鋼的延伸率較低。TRIP鋼具有較高的應(yīng)變硬化指數(shù)n值，因此均勻變形能力較強(qiáng)，有利于沖壓較復(fù)雜的零件，而DP鋼則具有較高的初始加工硬化能力，能提高材料在成形過(guò)程中應(yīng)變分配的均勻性，有利于防止早期鼓起和褶皺的發(fā)生。TRIP鋼的r值大于1，相比DP鋼不易發(fā)生厚度方向的變形，具有較好的抗拉裂和抗起皺能力。
(2) 成形極限圖
成形極限圖是對(duì)成形性能的定量描述，可作為組織生產(chǎn)、比較最佳工藝以及沖壓設(shè)計(jì)及選材的依據(jù)。同強(qiáng)度級(jí)別的TRIP鋼相比DP鋼具有更高的FLD0值。TRIP590 和TRIP780 的FLD0 分別達(dá)到38%和34%， 而DP590 和DP780 的FLD0 分別為32%和21%。
延伸率反映從變形開(kāi)始到發(fā)生開(kāi)裂的變形量，延伸率越大，材料的塑性變形能力越強(qiáng)，極限應(yīng)變水平升高，其FLD0值也越高。應(yīng)變硬化指數(shù)n值是對(duì)FLD0值影響很大的參數(shù)。n值越大鋼板均勻變形能力越好，抵抗縮頸能力越強(qiáng)，推遲塑性失穩(wěn)的發(fā)生，板材的成形性能越好，因而使成形極限曲線提高。塑性應(yīng)變比r值是判斷拉深性能的指標(biāo)，r值越大，在板厚方向越不易變形，深沖性能越好。根據(jù)Mises厚向異性薄板屈服軌跡，r值越大，材料的變形抗力越大，成形性能降低，同時(shí)r值的增加，材料的抗減薄能力增強(qiáng)，一定程度上改善了成形性能， 兩方面因素的交互作用使得r值對(duì)FLD0值的影響不甚顯著。因此，TRIP鋼具有較高的FLD0值，即在平面應(yīng)變狀態(tài)下具有較好的極限變形能力，在雙向拉伸變形區(qū)域，TRIP鋼的安全成形裕度比DP鋼高，成形性能優(yōu)于DP鋼。
(3)杯突試驗(yàn)
杯突試驗(yàn)是利用脹形原理評(píng)價(jià)板材拉脹成形的極限能力。從表3杯突試驗(yàn)結(jié)果可以看出TRIP鋼的杯突值明顯優(yōu)于DP鋼。TRIP鋼有與深沖用IF鋼接近甚至持平的杯突值，顯示了TRIP鋼極佳的拉延性能，表明TRIP鋼很適用于雙向拉伸的情況，這與成形極限試驗(yàn)所得結(jié)論一致。應(yīng)變硬化指數(shù)n值是影響杯突試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，是決定拉脹工序時(shí)成形好壞的指標(biāo)。n值越大，變形中應(yīng)變分布越均勻，材料不易出現(xiàn)頸縮，拉脹成形性能越好。高的塑性應(yīng)變比r值及延伸率也同樣有利于拉脹成形能力的提高。
(4) 擴(kuò)孔試驗(yàn)
擴(kuò)孔試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料翻邊性能的模擬試驗(yàn)。擴(kuò)孔性能是評(píng)價(jià)鋼板沖壓成形性能的重要指標(biāo)之一。在擴(kuò)孔試驗(yàn)中，擴(kuò)孔率越大，材料的成形性能越好。
延伸率越大，材料的擴(kuò)孔率明顯增大。應(yīng)變硬化指數(shù)n值越大，在變形過(guò)程中應(yīng)變分布越均勻，成形程度越高，擴(kuò)孔性能越好，因此TRIP鋼的擴(kuò)孔性能顯著優(yōu)于DP鋼，成形性能更好。
3結(jié)論
(1) DP鋼和TRIP鋼都具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，能有效避免成形時(shí)局部頸縮和斷裂，均具有良好的成形性能。
(2) TRIP鋼獨(dú)特強(qiáng)韌機(jī)理使其具有更高的n值、r值及延伸率，因此具備更好的成形性能。
(3) 成形性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)顯示，TRIP鋼可同時(shí)適用于拉延工藝及翻邊工藝;而DP鋼在拉延性能方面較好，但在翻邊成形性能方面沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。
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