楊國(guó)慶 張 梅,2,3

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444； 3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444)

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，人們對(duì)汽車(chē)安全性的關(guān)注度不斷提高，在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)工業(yè)的主要發(fā)展方向[1]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼是輕量化汽車(chē)的主要材料，兼具高強(qiáng)度和較好的成形性能，已被廣泛用于汽車(chē)車(chē)身。采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼板可減輕車(chē)身質(zhì)量、提高車(chē)身安全性及性價(jià)比。TWIP鋼和雙相鋼都具有高的強(qiáng)度和良好的塑性，是汽車(chē)輕量化的理想用料。

TWIP鋼是第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的一種，是一種低層錯(cuò)能合金鋼，室溫組織為奧氏體，具有極高的斷后伸長(zhǎng)率(最高可達(dá)95%)和較高的抗拉強(qiáng)度(800 MPa以上)[2- 3]。室溫下，TWIP鋼的微觀組織奧氏體晶粒內(nèi)含有大量細(xì)長(zhǎng)平行的孿晶板條[4]。TWIP鋼變形過(guò)程中高強(qiáng)度、高斷后伸長(zhǎng)率的特點(diǎn)與變形時(shí)所發(fā)生的TWIP效應(yīng)密切相關(guān)。因其形變過(guò)程中能產(chǎn)生大量形變孿晶、推遲縮頸的形成，具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性及高應(yīng)變硬化性、高能量吸收率(20 ℃時(shí)吸收能達(dá)到0.5 J/ram3)[5]而得名，是一種理想的汽車(chē)用耐沖擊結(jié)構(gòu)材料。但是，目前對(duì)TWIP鋼的研究主要集中在組織、性能和生產(chǎn)工藝方面，關(guān)于成形性能的研究較少[6- 7]。本文研究了第二代先進(jìn)高強(qiáng)度TWIP1000鋼的組織、力學(xué)性能和脹形性能，并與第一代先進(jìn)高強(qiáng)度DP600鋼作了比較。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究用TWIP1000鋼和DP600鋼板的厚度均為2 mm，采用直讀光譜儀測(cè)定的化學(xué)成分如表1所示。

表1 TWIP1000鋼和DP600鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the TWIP1000 and the DP600 steels(mass fraction) %

分別從TWIP1000和DP600冷軋鋼板上切取10 mm×10 mm的正方形試樣，TWIP1000鋼采用4%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的硝酸酒精溶液腐蝕5～10 s，DP600鋼采用Lepera試劑(1%的偏重亞硫酸鈉水溶液與4%的苦味酸乙醇溶液等體積混合)腐蝕10～15 s。兩種鋼的顯微組織如圖1所示。

圖1(a)為DP600鋼的顯微組織，由鐵素體和馬氏體組成，圖中黑色為鐵素體，白色為馬氏體。用圖像處理軟件計(jì)算得出DP600鋼中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)為20%～25%。圖1(b)為T(mén)WIP1000鋼的顯微組織，為奧氏體，晶粒直徑5～15 μm。

1.2 單軸拉伸試驗(yàn)

圖1 DP600和TWIP1000鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of DP600 and TWIP1000 steels

采用單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)定鋼的力學(xué)性能[8]，拉伸試樣尺寸如圖2所示。沿鋼板軋制方向、與軋制方向成45°和垂直于軋制方向切取3個(gè)試樣，分別記為0°、45°、90°試樣，拉伸速率為10 mm/min。

圖2 單軸拉伸試驗(yàn)試樣尺寸Fig.2 Dimension of the specimen for uniaxial tensile test

1.3 極限拉深試驗(yàn)

采用極限拉深試驗(yàn)測(cè)定鋼的拉深性能[9]，極限拉深比(limit drawing ratio, LDR)是衡量板材拉深成形性能的指標(biāo)。采用圖3所示不同直徑的試樣，按照逐級(jí)改變直徑的操作程序進(jìn)行拉深成形，測(cè)定拉深試樣底部圓角附近的壁部不產(chǎn)生破裂時(shí)允許使用的最大試樣直徑D0max，試驗(yàn)結(jié)束后用D0max計(jì)算材料的極限拉深形變性能即極限拉深比，LDR=D0max/dp。

試驗(yàn)過(guò)程中，首先預(yù)估最大試樣直徑所在區(qū)間，然后進(jìn)行少量圓片的拉深，確定最大試樣直徑所在區(qū)間后再按國(guó)標(biāo)取相鄰兩級(jí)圓片試樣直徑的差值。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定凸模速度1 mm/s，凸模行程80 mm，以保證其完全成形。壓邊力通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式確定，對(duì)于試驗(yàn)的兩種鋼，當(dāng)壓邊力為10 kN時(shí)，能很好成形且壓邊圈下面的材料不起皺。由于板厚為2 mm，根據(jù)國(guó)標(biāo)得到模具尺寸：凸模直徑dp=50 mm，凸模圓角半徑rp=5 mm，凹模內(nèi)徑Dd=57 mm，凹模圓角半徑rd=25 mm。

圖3 DP600鋼和TWIP1000鋼的極限拉深試樣Fig.3 Ultimate drawing test specimens of the DP600 and TWIP1000 steels

1.4 脹形性能測(cè)試

采用埃里克森杯突試驗(yàn)測(cè)定鋼板的脹形性能[10]。試驗(yàn)過(guò)程：用一定規(guī)格的鋼球或球狀沖頭，向周邊具有10 kN夾緊力的試板施加壓力，直至試樣產(chǎn)生穿透裂紋為止，沖頭壓入深度(mm)即為被測(cè)板材的杯突值，用來(lái)評(píng)定材料的脹形性能。穿透裂紋是指穿透整個(gè)試樣厚度的裂紋，且裂紋的寬度為剛好能透光。杯突試驗(yàn)用模具尺寸如圖4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸性能

圖5為T(mén)WIP1000鋼和DP600鋼板的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線。在單軸拉伸過(guò)程中，試板的變形過(guò)程通?？梢苑譃?個(gè)階段，即均勻變形階段、擴(kuò)散性失穩(wěn)階段、集中性失穩(wěn)階段和斷裂階段[11]。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，兩種試驗(yàn)鋼的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線有明顯的差異。DP600鋼的拉伸變形呈現(xiàn)出典型的連續(xù)屈服行為[12]，變形過(guò)程(圖5(a))有完整的均勻變形階段、擴(kuò)散性失穩(wěn)階段、集中性失穩(wěn)階段和斷裂階段；而TWIP1000鋼雖具有更高的總斷后伸長(zhǎng)率，有明顯的均勻變形階段和斷裂階段，但其頸縮失穩(wěn)階段并不明顯(圖5(b))。此外，TWIP1000鋼的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的后半段呈明顯的鋸齒狀。

圖4 杯突試驗(yàn)用模具簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch drawing of the die used for Erichsen test

圖5 DP600鋼和TWIP1000鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線Fig.5 Engineering stress- engineering strain curves of the DP600 and TWIP1000 steels

表2列出了兩種試驗(yàn)鋼板材的力學(xué)性能(除r值外，其余均為3個(gè)方向試樣的平均值)。與DP600鋼相比，TWIP1000鋼具有更高的斷后伸長(zhǎng)率、更好的應(yīng)變硬化性能及拉延性能。

表2 TWIP1000鋼和DP600鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the TWIP1000 and DP600 steels

2.2 極限拉深性能

圖6為兩種試驗(yàn)鋼的極限拉深試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于DP600鋼，當(dāng)圓片直徑為111.25 mm時(shí)，拉深的6個(gè)試樣均未破裂(圖6(a))；當(dāng)圓片直徑為112.5 mm時(shí)，拉深的6個(gè)試樣均發(fā)生了破裂(圖6(b))。而對(duì)于TWIP1000鋼，當(dāng)圓片直徑為115 mm時(shí)，拉深的6個(gè)試樣均未破裂(圖6(d))，當(dāng)圓片直徑為116.25 mm時(shí)，拉深的6個(gè)試樣全部破裂(圖6(e))。根據(jù)國(guó)標(biāo)計(jì)算可得，DP600鋼的極限拉深比為2.24，TWIP1000鋼的極限拉深比為2.31。圖6(c)和6(f)分別為兩種拉深試樣恰好未破裂時(shí)的杯口凸耳，可見(jiàn)凸耳都不很明顯，表明這兩種鋼板具有較有限的平面各向異性，這與單軸拉伸試驗(yàn)計(jì)算出的材料平面各向異性指數(shù)相吻合。

圖6 DP600鋼和TWIP1000鋼的極限拉深試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Ultimate drawing test results for the DP600 and TWIP1000 steels

2.3 脹形性能

圖7為兩種鋼的埃里克森杯突試驗(yàn)結(jié)果。DP600鋼的3個(gè)杯突值分別為14.56、14.55和14.43 mm(凸球直徑為30 mm)。在測(cè)試TWIP1000鋼板的脹形性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于球狀凸頭行程的限制，無(wú)論采用大直徑球頭(凸球直徑30 mm)的凸模還是小直徑球頭(凸球直徑15 mm)的凸模，設(shè)備的凸模行程達(dá)到極限時(shí)，鋼板仍未破裂。這表明，與DP600鋼相比，TWIP1000鋼板具有優(yōu)異的脹形性能。

圖7 DP600鋼和TWIP1000鋼試樣埃里克森試驗(yàn)后的形貌Fig.7 Morphologies of the DP600 steel and TWIP1000 steel samples after Erichsen test

3 分析與討論

從單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果看，TWIP1000鋼的斷后伸長(zhǎng)率大于60%，DP600鋼的斷后伸長(zhǎng)率約為28%，前者是后者的2倍多。而DP600鋼的極限拉深比為2.24，TWIP1000鋼的極限拉深比為2.31，TWIP1000鋼的優(yōu)勢(shì)并不明顯。為了分析材料在形變過(guò)程中的厚度變化，將兩種材料發(fā)生破裂前的杯形件沿中軸線切開(kāi)，沿切口輪廓畫(huà)2 mm的等間距刻度線，如圖8所示，然后測(cè)量其厚度分布，并與單軸拉伸的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。

圖9(a)和9(b)分別為兩種鋼單軸拉伸和極限拉深試驗(yàn)時(shí)的減薄率變化，橫坐標(biāo)以試樣的對(duì)稱(chēng)軸線作為0點(diǎn)位置。如圖9(a)所示，由于拉伸過(guò)程中TWIP效應(yīng)持續(xù)使材料強(qiáng)化，導(dǎo)致拉伸試樣的大部分平行段發(fā)生較大的均勻伸長(zhǎng)，TWIP1000鋼在均勻變形段的減薄率顯著大于DP600鋼，因此其斷后伸長(zhǎng)率較高。而在斷裂部位，DP600鋼的減薄率較大，甚至超過(guò)TWIP1000鋼，也即若以斷面收縮率表征兩種鋼的塑性，則DP600鋼與TWIP1000鋼的差異將顯著減小，甚至在數(shù)值上優(yōu)于TWIP1000鋼。在TWIP鋼試樣幾何尺寸相同的部分能發(fā)生較大的均勻伸長(zhǎng)，但頸縮現(xiàn)象并不明顯。如圖9(b)所示，兩種鋼減薄最嚴(yán)重的區(qū)域都位于杯底圓角處，其次是杯底，TWIP1000鋼杯底區(qū)域的減薄率顯著大于DP600鋼。不同于簡(jiǎn)單的單軸拉伸試驗(yàn)，在極限拉深試驗(yàn)中，圓片邊緣區(qū)域既受到徑向拉伸，又受到周向的擠壓[13]，圓片的邊緣區(qū)域會(huì)增厚，表現(xiàn)為拉深成形的杯形件壁部增厚。拉深杯體的壁部增厚后，便不易進(jìn)一步減薄，材料能均勻減薄伸展的區(qū)域局限在杯體底部。單軸拉伸試驗(yàn)中，TWIP鋼具有高斷后伸長(zhǎng)率是由于標(biāo)距部分材料能均勻減薄。而在拉深試驗(yàn)中，雖然TWIP效應(yīng)使減薄區(qū)域材料得到強(qiáng)化，但由于特殊的幾何形狀，材料能均勻減薄伸展的區(qū)域受到限制，故TWIP1000鋼的極限拉深比(2.31)與DP600鋼的(2.24)差值很小。據(jù)此可以推測(cè)，拉深圓筒件或盒形件時(shí)，TWIP1000鋼與DP600鋼相比，沒(méi)有明顯的成形優(yōu)勢(shì)。這在工程上對(duì)于材料的選用具有重要的指導(dǎo)意義，但還有待深入研究。

圖8 沿中線切開(kāi)的DP600鋼和TWIP1000鋼極限拉深試樣和單軸拉伸試樣Fig.8 Ultimate drawing specimens and uniaxial tensile specimens of the DP600 steel and TWIP1000 steel cut in half

圖9 DP600鋼和TWIP1000鋼拉伸試樣和極限拉深試樣的減薄率變化Fig.9 Variation in reduction rate of tensile specimens and ultimate drawing specimens of the DP600 steel and TWIP1000 steel

DP600鋼與TWIP1000鋼不同的拉伸變形特性導(dǎo)致其杯形件拉深破裂斷口的形貌也不相同，如圖10所示。圖10表明，DP600鋼板的拉深斷口更加齊整，TWIP1000鋼的拉深斷口則參差不齊。由于DP600鋼在拉伸變形中具有明顯的頸縮現(xiàn)象，破裂前頸縮區(qū)的材料能達(dá)到更大的減薄率，材料的薄弱區(qū)更加集中，還有拉深試驗(yàn)?zāi)＞叩膸缀涡螤睿瑢?dǎo)致拉深破裂的杯形件出現(xiàn)了齊整的斷口。相反，TWIP1000鋼的拉伸變形頸縮不明顯，破裂前材料的薄弱區(qū)比較分散，因此拉深斷口參差不齊。

圖10 破裂的DP600鋼和TWP1000鋼極限拉深試樣Fig.10 Cracked ultimate drawing specimens ofthe DP600 steel and TWIP1000 steel

4 結(jié)論

(1)TWIP1000鋼的抗拉強(qiáng)度為977 MPa、屈服強(qiáng)度為501 MPa、斷后伸長(zhǎng)率為62.3%，n值為0.33；DP600鋼的抗拉強(qiáng)度為624 MPa、屈服強(qiáng)度為391 MPa、斷后伸長(zhǎng)率28.1%，n值為0.17。兩種鋼的平面各向異性都不顯著，但TWIP1000鋼的各向異性稍大于DP600鋼。TWIP1000鋼的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的后半段呈明顯的鋸齒狀，材料頸縮后的后續(xù)伸長(zhǎng)量較為有限。TWIP1000鋼的力學(xué)性能顯著優(yōu)于DP600鋼。

(2)DP600鋼和TWIP1000鋼的極限拉深比分別為2.24和2.31，二者差異不明顯。TWIP鋼的斷后伸長(zhǎng)率較高是由于標(biāo)距范圍內(nèi)材料均勻延伸所致，但拉深杯形件的特殊形狀限制了材料能均勻延伸的區(qū)域，因而TWIP鋼的特性未能完全顯現(xiàn)出來(lái)。DP600鋼拉深試樣的斷口比較齊整，而TWIP1000鋼拉深試樣的斷口參差不齊。

(3)DP600鋼的平均杯突值為14.51 mm(凸球直徑為30 mm)，由于TWIP1000鋼脹形性能良好，杯突試驗(yàn)時(shí)均未破裂，TWIP1000鋼板的脹形性能優(yōu)于DP600鋼板。