李達(dá)

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

輕量化、環(huán)保、節(jié)能和安全已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一[1]。其中，由于DP雙相鋼內(nèi)部同時(shí)含有馬氏體與鐵素體的混合組織，使得其具有高強(qiáng)度特性的同時(shí)還具有優(yōu)良的塑性成形性，因此DP雙相鋼是汽車上運(yùn)用最廣的鋼種之一[2]。然而，雙相鋼板在室溫成形時(shí)容易出現(xiàn)變形抗力大、模具磨損嚴(yán)重、板料拉裂、回彈嚴(yán)重、尺寸精度誤差大及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形困難等一系列問(wèn)題[3]。有關(guān)研究表明，高強(qiáng)鋼在高溫狀態(tài)下，材料的位錯(cuò)減少，滑移系統(tǒng)增加，其屈服強(qiáng)度大幅降低，塑性及延展性明顯提高，成形性得到顯著改善[4]。應(yīng)運(yùn)而生的熱沖壓成形、超塑性成形等一些先進(jìn)成形技術(shù)的出現(xiàn)，克服了高強(qiáng)鋼常溫下難以成形的缺陷，高強(qiáng)度熱沖壓成形技術(shù)，通常是將板料加熱到再結(jié)晶溫度以上，使內(nèi)部組織均勻奧氏體化，在進(jìn)行快速成形并淬火冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而得到超高強(qiáng)度的成形件[5]。

但是，熱成形技術(shù)并不適用于雙相鋼。這是由于雙相鋼材料的性能主要是通過(guò)內(nèi)部鐵素體與馬氏體的微觀組織的組合產(chǎn)生的，加熱到再結(jié)晶溫度以上會(huì)破壞其原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料性能降低[6]。因此可將材料加熱到低于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行成形，既可以提高雙相鋼的成形性，減少回彈，又不會(huì)改變雙相鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。目前該技術(shù)多運(yùn)用于鎂、鋁合金沖壓，在雙相鋼上運(yùn)用相對(duì)較少，因此有必要對(duì)高溫條件下雙相鋼的成形性能進(jìn)行研究。本文作者通過(guò)在400、500、600 ℃條件下對(duì)試樣進(jìn)行單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)后，建立本構(gòu)模型，導(dǎo)入到ABAQUS中，進(jìn)行不同溫度下的溫成形數(shù)值模擬，探究不同成形溫度下雙相鋼的成形性能。

1 雙相鋼熱拉伸實(shí)驗(yàn)及本構(gòu)方程建立

1.1 單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程

文中選用的板材為DP780雙相鋼，其化學(xué)成分及性能見(jiàn)表1和表2。單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)在MT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)中間的橫梁是噸位機(jī)，下端伸出夾頭用以連接固定試樣，中間區(qū)域采用馬弗爐對(duì)金屬試樣進(jìn)行加熱及保溫，馬弗爐爐壁內(nèi)部含有加熱電阻絲，能夠快速將爐內(nèi)物體加熱到要求溫度。另外，馬弗爐中設(shè)置有上中下3個(gè)溫敏傳感器，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)對(duì)應(yīng)位置的溫度變化。

表1 DP780化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 DP780高強(qiáng)鋼力學(xué)性能

圖1 MT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

按照國(guó)標(biāo)GB/T 4338—2006設(shè)計(jì)試樣，并根據(jù)試驗(yàn)機(jī)夾具要求對(duì)試樣進(jìn)行調(diào)整，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)條件：加熱溫度分別為400、500、600 ℃，每組溫度的試樣均在0.1、0.01、0.001 s-13種不同的拉伸速率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至樣件拉斷，輸出力-位移曲線。

圖2 拉伸試樣尺寸

1.2 單向熱拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的原始力-位移曲線進(jìn)行處理后，得到不同溫度、不同應(yīng)變速率條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在溫度為400～600 ℃、應(yīng)變速率為0.001～0.1 s-1范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，變形速率的減小，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，溫度的升高導(dǎo)致材料的延伸率增大，如圖3—圖5所示。

圖3 溫度為400 ℃不同應(yīng)變速率條件下真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 溫度為500 ℃不同應(yīng)變速率條件下真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 溫度為600 ℃不同應(yīng)變速率條件下真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.3 考慮高溫影響的本構(gòu)方程求解

根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線和誤差估計(jì)，選用Norton-Hoff模型對(duì)DP780不同溫度、不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行描述，其本構(gòu)方程為

通過(guò)對(duì)式(1)左右兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到：

2 高溫環(huán)境下雙相鋼成形仿真研究

2.1 有限元模型

采用熱力耦合方法，利用ABAQUS軟件進(jìn)行U形件的沖壓仿真分析，如圖6所示。為提高計(jì)算效率，選取模型的一半進(jìn)行計(jì)算，完成沖壓成形后計(jì)算U形件的回彈量。板材選用B-T殼單元，模具均設(shè)為剛體，其中板料和模具的初始溫度設(shè)置為20 ℃，成形溫度分別設(shè)置為400、500、600 ℃，摩擦因數(shù)設(shè)為0.125，材料本構(gòu)按照上述Norton-Hoff模型輸入。

圖6 U形件沖壓模具示意

2.2 板料溫度變化

在400 ℃條件下進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬，如圖7所示。

圖7 400 ℃下不同時(shí)刻板料溫度分布

觀察發(fā)現(xiàn)在沖壓過(guò)程中，板料的溫度并不是持續(xù)降低的狀態(tài)，而是降低后有少量上升。出現(xiàn)該異?，F(xiàn)象的原因可能是雙相鋼發(fā)生塑性變形時(shí)，會(huì)釋放大量的熱量，導(dǎo)致板料溫度升高；并且板料與模具之間存在摩擦，也會(huì)產(chǎn)生熱量[7]。正是由于變形熱和摩擦熱的存在，雖然板料在成形過(guò)程中不斷進(jìn)行熱耗散，但溫度卻不是持續(xù)降低的狀態(tài)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該猜想，分別選擇側(cè)壁、法蘭、頂部上的特征點(diǎn)進(jìn)行描述，發(fā)現(xiàn)選點(diǎn)溫度不只是逐漸降低，還有摩擦熱和變形熱造成的溫升，如圖8所示。

圖8 400 ℃下板料選點(diǎn)溫度變化

2.3 板料厚度變化

在400、500、600 ℃條件下進(jìn)行沖壓數(shù)值模擬，得到U形件的厚度分布情況，如圖9所示。由圖可知，最小厚度值均發(fā)生在側(cè)壁，這是由于相比法蘭跟頂部，側(cè)壁的變形量最大，減薄最嚴(yán)重；并且還可以發(fā)現(xiàn)，隨成形溫度升高，最小厚度值越來(lái)越小，這是由于隨著板料成形溫度升高，雙相鋼的應(yīng)力不斷下降，導(dǎo)致材料塑性不斷增強(qiáng)，板料更加容易實(shí)現(xiàn)減薄。

圖9 板料在不同成形溫度下的厚度分布

2.4 凸模力對(duì)比

通過(guò)獲取不同成形溫度條件下的凸模力進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)線性擬合得到圖10。根據(jù)圖10可看出，成形溫度越高，凸模力變化越明顯。且隨著成形時(shí)間的推進(jìn)，凸模力呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，在0.3 s以前，不同成形溫度下的凸模力隨時(shí)間增加相差越小，在0.3 s以后，成形溫度越高，凸模力隨時(shí)間增加越大，這是由于熱傳導(dǎo)的影響，模具溫度逐漸升高，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，加上熱膨脹使得板料與模具接觸力更大，導(dǎo)致板料與模具之間的摩擦力增大，因此凸模力也隨之增大。

圖10 不同成形溫度下的凸模力趨勢(shì)對(duì)比

2.5 回彈對(duì)比

對(duì)U形件進(jìn)行回彈分析，選取側(cè)壁和法蘭的回彈角作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖11所示。由圖可知，隨著成形溫度的升高，由于材料的塑性更強(qiáng)，導(dǎo)致回彈角度存在大幅度減小。但是不建議選擇600 ℃作為DP780的成形溫度，由于在此溫度下，材料表面出現(xiàn)黑色表皮脫落，說(shuō)明已經(jīng)影響雙相鋼本身的材料特性，如圖12所示。因此，500 ℃為DP780較為合適的成形溫度。

圖12 600 ℃環(huán)境下試樣

3 結(jié)論

(1)在高溫條件下，雙相鋼的流變應(yīng)力明顯降低，塑性增強(qiáng)，延伸率增大；且隨溫度升高，最小厚度值越來(lái)越小，回彈量角度越來(lái)越小。

(2)沖壓過(guò)程中，由于雙相鋼變形熱及板料與模具之間摩擦熱的影響，板料的溫度并不是持續(xù)降低的狀態(tài)，而是降低后有少量上升。

(3)成形溫度越高，凸模力變化越明顯，且隨著板料成形時(shí)間的推進(jìn)，凸模力呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，由于熱傳導(dǎo)及熱膨脹的影響，導(dǎo)致溫度越高所需凸模力越大。

(4)綜合考慮雙相鋼在高溫條件下的成形性能、回彈情況以及材料自身的固有特性，認(rèn)為500 ℃為DP780較為合適的成形溫度。