王蘇靜，鄧沛然，宣守強(qiáng)，徐 輝，種習(xí)文

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

近年來，各種輕量化材料不斷發(fā)展，但鋼材仍是汽車結(jié)構(gòu)制造中的主要材料。為實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保和提高車身安全性，需使用抗拉強(qiáng)度超過1 GPa的先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼（AUHSSs）[1,2]。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，UHSS中較硬的馬氏體組織[3,4]，給沖壓過程和成形工藝設(shè)計(jì)帶來困難。超高強(qiáng)度鋼在室溫下成形性能較差，且冷成形的技術(shù)難度大和生產(chǎn)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(yīng)變速率下的DP590拉伸變形行為和材料性能。關(guān)于600 MPa級(jí)別的DP鋼研究較多，而1 000 MPa級(jí)別的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼研究較少，因此DP1180高強(qiáng)度鋼在不同參數(shù)條件下的性能研究對(duì)實(shí)現(xiàn)其在汽車輕量化中的應(yīng)用具有參考價(jià)值。吳愷威[6]利用沖壓成形測(cè)試系統(tǒng),對(duì)DP590板料進(jìn)行了不同沖壓速度下的杯突試驗(yàn)，通過伺服壓力機(jī)板料測(cè)試系統(tǒng)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(guān)系曲線，獲得了0.8 mm厚的板料在不同沖壓速度、潤(rùn)滑條件及壓邊力條件下的IE值。其試驗(yàn)結(jié)果表明：沖壓速度、潤(rùn)滑條件和壓邊力對(duì)DP590材料的脹形性能均有影響，研究有助于材料的輕量化應(yīng)用和工藝參數(shù)的優(yōu)化。孫立君等[7]通過公式推導(dǎo)并結(jié)合有限元模擬技術(shù)，基于Swift分散性失穩(wěn)和Hill集中性失穩(wěn)2種理論模型，將最小厚度的計(jì)算結(jié)果與有限元模擬試驗(yàn)得到材料破裂時(shí)的最小厚度對(duì)比，計(jì)算結(jié)果表明：Hill失穩(wěn)理論能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)超薄不銹鋼材料在脹形過程中的破裂趨勢(shì),該結(jié)論可用于預(yù)測(cè)超薄不銹鋼發(fā)生脹形時(shí)的極限。

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)度鋼，屈服強(qiáng)度723 MPa，抗拉強(qiáng)度1 207 MPa，延伸率約8%，化學(xué)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(qiáng)度和硬度，使DP1180高強(qiáng)度鋼具有較高的加工硬化率和優(yōu)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(qiáng)度鋼化學(xué)成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 原始板料微觀組織

1.2 試驗(yàn)?zāi)＞?/h3>

依據(jù)杯突試驗(yàn)參照GB/T 4156—2007《金屬杯突試驗(yàn)方法》[8]，采用直徑為φ20 mm的半球形凸模在杯形試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了埃里克森（erichsen test）杯突試驗(yàn)。試樣采用線切割的方式切割成90 mm×90 mm的方形，試驗(yàn)采用端部為球形的凸模，凸模球形直徑為 φ（20±0.05）mm，壓?？讖綖?φ（27±0.05）mm[9]。模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 IE值的讀取

脹形性能試驗(yàn)是測(cè)試材料沖壓工藝性能的一種試驗(yàn)，可用來評(píng)價(jià)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(nèi)，直至出現(xiàn)破裂。圖3所示為凸模載荷-行程曲線，當(dāng)試樣產(chǎn)生破裂時(shí)，作用在試樣上的力持續(xù)下降，因此只需讀取沖壓力突變點(diǎn)的凸模位置差值即可精確獲得IE值。從B點(diǎn)開始，載荷逐漸增加，表明到達(dá)B點(diǎn)時(shí)凸模與板料剛接觸，到達(dá)C點(diǎn)以后，載荷逐漸減小，直至D點(diǎn)，載荷降為0，那么B、D兩點(diǎn)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(duì)IE值的影響

在壓邊力、沖壓速度、潤(rùn)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(duì)IE值的影響，試驗(yàn)結(jié)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(huán)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(shí)，裂紋逐漸變細(xì)，開口變小，溫度到達(dá)300℃后，裂紋消失，裂口閉合，最終成光滑圓角狀。該現(xiàn)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(qiáng)，脹形性能明顯提升，即IE值增加。各溫度下IE值的變化趨勢(shì)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(dāng)溫度上升到300℃時(shí)，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(qū)間杯突值的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，材料的拉伸性能與脹形性能隨溫度的變化趨勢(shì)一致，即在100℃以下時(shí)，材料的力學(xué)性能與室溫時(shí)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(qiáng)趨勢(shì)，且均在300℃的溫度區(qū)間內(nèi)達(dá)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(shì)

2.3 壓邊力對(duì)IE值的影響

基于上述試驗(yàn)，繼續(xù)研究溫度對(duì)DP1180板料脹形性能的影響。為了與室溫下的杯突試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，在相同的試驗(yàn)條件下，利用電磁感應(yīng)將板料分別加熱至100、200、300℃，探究在這3個(gè)不同的溫度區(qū)間內(nèi)，IE值在不同壓邊力下的變化趨勢(shì)。將凸模速度設(shè)置為20%的沖壓速度，潤(rùn)滑條件為無潤(rùn)滑，壓邊力分別設(shè)置為5、10、15、20、25 kN，重復(fù)試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果取平均值，最終試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各溫度下不同壓邊力時(shí)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?yàn)殡S著溫度的升高，材料在軟化機(jī)制的影響下發(fā)生軟化現(xiàn)象，在同等條件下，溫度越高，試樣產(chǎn)生破裂時(shí)，凸模的行程增加，即IE值增大。各溫度下的IE值變化趨勢(shì)均與室溫下相似，IE值的變化趨勢(shì)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(shí)，壓邊力升高，IE值升高，壓邊力為15～25 kN時(shí)，IE值隨著壓邊力的增大逐漸減?。坏跍囟鹊挠绊懴?，壓邊力在15～25 kN時(shí)，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(shí)IE值變化趨勢(shì)

2.4 沖壓速度對(duì)IE值的影響

與上述試驗(yàn)相似，研究DP1180在這3個(gè)不同的溫度區(qū)間和不同沖壓速度下IE值的變化趨勢(shì)。保持壓邊力為15 kN，潤(rùn)滑條件為無潤(rùn)滑，沖壓速度分別設(shè)置為壓力機(jī)速度的10%、20%、50%、80%、100%，試驗(yàn)條件與上述相同，最終試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 各溫度下不同沖壓速度時(shí)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(duì)IE值影響不同的是，溫度在20～300℃時(shí)，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(huì)導(dǎo)致板料來不及反應(yīng)，而使高強(qiáng)度鋼板料較快發(fā)生破裂，同時(shí)沖壓速度的增大也會(huì)引起材料流速減緩，流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致在脹形過程中進(jìn)入凹模的材料減少，只有少部分流入，造成板料脹形時(shí)發(fā)生嚴(yán)重減薄，最終由于減薄率迅速上升而導(dǎo)致破裂，方形板料發(fā)生破裂時(shí)凸模行程減少，即IE值減小。因此在實(shí)際加工過程中，應(yīng)選擇合適的沖壓速度。

圖7 不同沖壓速度時(shí)IE值變化趨勢(shì)

3 結(jié)束語(yǔ)

DP1180高強(qiáng)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(shí)，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(jié)果表明：在脹形試驗(yàn)中，0.8 mm厚的DP1180高強(qiáng)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??；不同溫度條件下，IE值隨壓邊力、沖壓速度的變化趨勢(shì)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。