馮毅路洪洲黃光杰林利呂冬栗克建

（1.重慶大學，重慶 400044；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.中信微合金化技術(shù)中心，北京 100004；4.鞍山鋼鐵集團有限公司技術(shù)中心，鞍山 114000；5.重慶科技學院，重慶 401331）

1 前言

汽車制造業(yè)發(fā)展離不開高性能的材料。鋼鐵是近百年來汽車工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)制造原材料。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車用鋼產(chǎn)品也在不斷向高性能、高性價比方向發(fā)展[1-3]。當前行業(yè)主流的一些鋼板材料大多具有多相、亞穩(wěn)等組織特征，基于位錯、固溶、細晶、相變等多種機制協(xié)同強化[4]。當前，汽車行業(yè)高度關(guān)注各類汽車鋼板的成形工藝性問題，而鋼板材料的組織特征很大程度上決定了鋼板的成形工藝性。因此，如何從組織調(diào)控層面入手，提升汽車鋼板的成形性一直都是行業(yè)高度關(guān)注的問題。材料的成形性本質(zhì)上可歸結(jié)為韌性的宏觀展現(xiàn)，因此從材料改性角度，通過提升韌性進而提升成形性是當前行業(yè)主流的一種技術(shù)途徑。目前最有效的韌性提升途徑之一是微合金化技術(shù)[5]。微合金技術(shù)理念由來已久，近幾十年來逐步應(yīng)用于汽車用鋼領(lǐng)域。微合金化設(shè)計的根本理念是通過優(yōu)化微合金元素的第二相析出，從微尺度層面調(diào)控鋼材的基體組織，達到韌性提升這一目標。微合金化對應(yīng)的增韌機制有基于微合金元素的碳、氮化物析出進而降低基體碳含量、細化基體晶粒組織、改變位錯運動模式等[6]。微合金化汽車用鋼以Nb微合金鋼最具代表性。Nb相比于其它諸如V（釩）、Ti（鈦）等元素，除兼具上述三大增韌作用外，還具有相對高的性價比和低的性能危害性，因此Nb微合金鋼具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，業(yè)界已逐漸認識到了Nb在汽車用超高強鋼領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，但是針對Nb提升汽車鋼板成形性的作用及其機理研究尚不系統(tǒng)，亟待開展更加全面的研究。

基于上述分析，本文選取含Nb、不含Nb的DP590、DP780 2組雙相汽車用鋼板材料，系統(tǒng)的進行了成形性試驗研究。首先，開展了材料級的沖壓成形性試驗，進一步通過仿真分析，驗證了Nb對抑制零件沖壓起皺這一典型缺陷的成效。其次，開展材料級的擴孔性能試驗，驗證了Nb對抑制擴孔開裂缺陷、提升擴孔率的成效。最終開展了相關(guān)微觀表征試驗，對Nb提升雙相汽車用鋼板材料成形性能的機理進行了分析。

2 試驗材料

本文選取DP590、DP780 2種典型汽車鋼板，分別按照含Nb、不含Nb設(shè)計了2組試驗樣品試驗樣品，開展沖壓成形性（FLC）和擴孔性能試驗。2組鋼板的基本信息如表1～表3，為確保試驗結(jié)果具有可比性，選定的2組鋼板牌號的成分除了Nb外，其它主要元素的含量差異性很小，便于排除其他元素的干擾，定性、定量研究Nb含量差異性帶來的鋼板成形性變化。此外，本文選取的各組鋼板牌號的厚度規(guī)格及其對應(yīng)的冶金工藝處理流程方法也保持基本一致，從而最大程度上降低了相關(guān)研究干擾因素。2組鋼板的基本信息如表1。

表1 2組鋼板的基本信息

表3 DP780化學成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

3 基本力學性能測評

首先，進行了DP590和DP780 2組鋼的準靜態(tài)拉伸試驗。每組鋼均沿著0°、45°、90°3個方向取樣并進行拉伸測試，每個方向上重復(fù)2次試驗。試樣均為A50尺寸規(guī)格，試驗過程均參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》執(zhí)行[7]。通過試驗獲取材料的n值（應(yīng)變硬化指數(shù)）。n值常常被用以評價各類金屬材料薄板的成形性能，是表征材料成形性優(yōu)劣的最基礎(chǔ)評價技術(shù)指標之一，該值越大則可預(yù)估材料的成形性更加優(yōu)異，其計算公式如公式（1），公式（1）中除n值外，s為拉伸曲線均勻變形階段的真實應(yīng)力值、ε為拉伸曲線均勻變形階段的真實應(yīng)變值、k為強化系數(shù)值?；诋斍靶袠I(yè)發(fā)展水平，一般通過拉伸試驗機軟件控制系統(tǒng)可自動獲取。如圖1，DP590、DP780均為含Nb樣品的n值更高。因此從n值角度可以看出，含Nb鋼總體上體現(xiàn)出一定的成形性優(yōu)勢。但是，僅通過n值就武斷判定含Nb鋼更具成形性優(yōu)勢其實欠妥，因為實際成形過程中材料不同部位的應(yīng)力狀態(tài)可能和單軸拉伸的情況存在差異性。因此，需要進一步開展FLC、擴孔性能試驗，對不同成分樣品的成形性優(yōu)劣進行驗證。

圖1 2組鋼板的拉伸n值對比

4 沖壓成形性測評

FLC試驗參照GB/T 15825.8—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法第8部分：成形極限圖(FLD)測定指南》[8]、GB/T 24171.2—2009《金屬材料 薄板和薄帶成形極限曲線的測定 第2部分：實驗室成形極限曲線的測定》[9]標準執(zhí)行。試驗設(shè)備為Zwick BUP600板材成形試驗機，如圖2所示，該設(shè)備的最大脹形力為600 kN，最大壓邊力為400 kN，成形速度范圍為0.01～750 mm/min。應(yīng)變測量系統(tǒng)為VALIUX/vario+compact，其測量精度為0.01 mm。試驗過程中沖頭速度為60 mm/min。試驗前將凡士林和軟玻璃置于試樣及沖頭之間起到潤滑作用。利用成形極限曲線可表征材料在沖壓過程中能夠達到的極限變形程度。通過對印有網(wǎng)格（或其它圖案）的板料進行脹形獲得破裂前極限點的面內(nèi)應(yīng)變值，以2個方向的應(yīng)變?yōu)樽鴺溯S繪制而成的曲線即為材料成形極限曲線。此外，采用半球剛性凸模脹形法進行試驗，如圖3所示。半球剛性凸模脹形試驗時，首先將板面一側(cè)印有網(wǎng)格的試樣置于凹模與壓邊圈之間，用壓邊圈壓牢試樣。再通過凸模使試樣產(chǎn)生脹形并形成凸包，并使板面上的網(wǎng)格也隨之產(chǎn)生變形。當凸包上局部位置產(chǎn)生頸縮或破裂時停止試驗。通過測量頸縮或破裂部位（或這些部位附近）畸變網(wǎng)格的長度，即可計算出薄板板面上的極限應(yīng)變（即為面內(nèi)極限應(yīng)變）。樣品尺寸規(guī)格為180 mm的方形試樣和寬度分別為160 mm、140 mm、120 mm、110 mm、100 mm、80 mm、60 mm、40 mm、20 mm的矩形試樣。所有樣品均沿垂直于軋向的方向取樣。為防止矩形試樣的側(cè)邊在模具拉深筋或凹?？谔庨_裂，將樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計成中部稍窄、兩端加寬的階梯形狀或者類似于啞鈴的形狀。試驗前后的試樣外觀如圖4所示。此外，試驗前還需要在樣品上印制出2.5 mm的網(wǎng)格以用于對應(yīng)變數(shù)據(jù)的測量。

圖2 FLC試驗設(shè)備外觀

圖3 半球形剛性凸模脹形法(Nakajima法)

圖4 試驗前后的試樣

圖5為2組對比鋼種的FLC測試結(jié)果。

圖5 2組鋼種的FLC測試結(jié)果

僅從圖5也難以評價每組內(nèi)不同成分樣品之間的成形性優(yōu)劣?；诖?，以圖5數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合2組鋼的準靜態(tài)拉伸真實應(yīng)力-真實應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，進一步開展了基于實際零部件的冷沖壓仿真模擬，從零件成形性角度驗證含Nb鋼的技術(shù)優(yōu)勢。起皺是冷沖壓最常見的一類缺陷，由于板料厚度方向的尺寸和平面方向的尺寸相差較大（即薄板），容易造成沖壓過程中板料沿厚度方向出現(xiàn)不穩(wěn)定，當平面方向的應(yīng)力達到一定程度時厚度方向就容易失穩(wěn)彎曲而拱起，即產(chǎn)生起皺。本文從仿真角度進行含鈮、不含鈮2種成分鋼板的沖壓起皺分析，評價其成形性優(yōu)劣。零件（圖6）規(guī)格及相關(guān)模擬參數(shù)設(shè)定如下：零件厚度為1.2 mm，沖頭速度(普通沖床的速度)為20 mm/s，壓邊力為280 000 N。此外，本文采用的仿真軟件為Dynaform，該軟件綜合了擁有強大的板料成形分析功能以及強大的流線型前后處理功能，可以預(yù)測板料沖壓成形中出現(xiàn)的各種問題，如破裂、起皺、回彈、翹曲、板料流動不均勻等缺陷。本文仿真過程中軟件將自動基于對沖壓過程中板料不同部位的局部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化、厚度變化、FLC數(shù)據(jù)等給出起皺嚴重程度的判斷。

圖6 成形性分析目標零件數(shù)模示例

圖7、表4為含Nb、不含Nb的2組鋼板材質(zhì)零件的沖壓起皺模擬結(jié)果。利用仿真軟件可對零件的沖壓起皺面積進行計算獲取，并基于此可得出沖壓起皺面積占比（起皺面積/零件面積）。由表4可知，2組鋼種在相同的模擬沖壓工況下，含Nb鋼種的起皺面積占比均小于不含Nb鋼，驗證了Nb對元素對于抑制鋼板沖壓起皺具有一定的成效。

表4 2組鋼的冷沖壓起皺區(qū)域占比對比 %

圖7 2組鋼板的零件沖壓起皺情況模擬結(jié)果示例

如圖8所示，可以從沖壓后零件的厚度分布進一步詮釋Nb對抑制沖壓起皺的技術(shù)優(yōu)勢。仿真結(jié)果表明含Nb的2種鋼經(jīng)沖壓后零件的整體厚度水平均低于不含Nb鋼種，且最大厚度值分布區(qū)域面積同樣小于不含Nb的鋼種（增厚越明顯則起皺程度越嚴重）。其中，不含鈮的DP590板料最大增厚值為0.18 mm，含鈮DP590為0.06 mm；不含鈮的DP780板料最大增厚值為1.64 mm，含鈮DP780為1.40 mm。這些增厚部位就是潛在的起皺部位。上述仿真結(jié)果從另外一個角度再次論證了Nb對于抑制沖壓起皺的技術(shù)優(yōu)勢。

圖8 2組鋼板的零件沖壓板料增厚情況模擬結(jié)果示例

基于上述仿真結(jié)果進一步分析，在相同的厚度條件下含Nb鋼在沖壓過程中具有更強的均勻減薄趨向性，所以才會有效的抑制起皺。傳統(tǒng)沖壓設(shè)計一般會采用高的壓邊力以抑制起皺，但是這往往也增加了開裂風險，而含Nb鋼更能抑制起皺，因此相比一般不含Nb的鋼種，含鈮鋼就無需那么高的壓邊力了，這也在抑制起皺的同時降低了零件的開裂風險。當然，這一論斷有待通過實踐進一步驗證。綜上所述，從FLC試驗結(jié)合冷沖壓起皺模擬的角度，全面的驗證了Nb對于提升零件沖壓成形性的技術(shù)優(yōu)勢。

5 擴孔性能測評

對2組鋼種進行不同成分樣品的擴孔性能對比試驗，試驗參照GB/T 24524—2021《金屬材料薄板和薄帶擴孔試驗方法》[10]標準執(zhí)行。試驗依舊在Zwick BUP600板材成形試驗機上完成。DP590和DP780 2組鋼的擴孔性能檢測結(jié)果如圖9所示。可以看出：2組鋼均是含Nb鋼的擴孔率更高，再次直接驗證了Nb對汽車鋼板成形性的提升作用。

圖9 2組鋼的擴孔性能測試結(jié)果示例

6 分析討論

組織特征是決定鋼材成形性能的最重要因素之一。首先以DP780為例，含Nb鋼種的組織明顯更加細小，如圖10所示。大量研究表明，諸如粗晶、混晶不良組織均會降低鋼板的成形性。通過添加鈮，細化了組織（單位體積內(nèi)晶粒數(shù)量增加）又提升了基體組織的均勻性，導(dǎo)致在相同外部載荷條件下，基體中會有更多的晶粒共同應(yīng)對塑性變形過程，從而起到了減少基體內(nèi)應(yīng)力集中的作用。此外當晶粒較小時，晶界數(shù)量會更多，使沖壓、擴孔過程中基體內(nèi)部微裂紋的擴展更加困難，從而提升了鋼板的成形性。

圖10 DP780基體組織EBSD檢測結(jié)果

以擴孔性能為例，對DP780進行了從孔內(nèi)壁部位開始到基體的顯微硬度分布測試，如圖11所示，結(jié)果表明：均是不含Nb鋼硬度變化更陡，說明擴孔過程對不含Nb的材料造成的局部基體硬化效應(yīng)更加的顯著[11-12]，而這種更強烈的局部硬化效果顯然是不利于擴孔性能的。

圖11 DP780擴孔邊緣縱切面顯微硬度檢測結(jié)果

基于圖11測評分析結(jié)果，進一步以DP780鋼為例進行分析，如圖12所示。因為Nb的作用，使得含Nb的DP780鋼中的馬氏體“島”呈更加細小、彌散分布的狀態(tài)，導(dǎo)致在擴孔過程中含Nb的DP780擴孔變形區(qū)域附近的應(yīng)力應(yīng)變分布更加的均勻，有效避免了局部范圍內(nèi)出現(xiàn)較高的加工硬化，實現(xiàn)了更高的擴孔率。

圖12 DP780基體組織SEM檢測結(jié)果

依舊以DP780為例，分析Nb對細觀組織結(jié)構(gòu)的影響。如圖13，為基于EBSD試驗獲取的含鈮和不含鈮2種DP780鋼中的不同角度晶界的分布。如圖14所示，對2種成分的DP780中的大角度晶界的（≥15）數(shù)量、占比、總長度進行了對比?？梢钥闯觯汉琋b的DP780基體中的大角度晶界的占比、數(shù)量及其總長度值均高于不含鈮鋼種。由于大角度晶界對沖壓、擴孔過程中局部微裂紋的擴展會起到更強的阻礙作用，因此其量的增加有利于抑制各類成形缺陷發(fā)展，進而提升成形性。

圖13 含鈮、不含鈮DP780基體中的不同角度晶界分布示例

圖14 含鈮、不含鈮DP780基體中大角度晶界的占比、數(shù)量、長度對比

依舊以DP780為例，進行含Nb、不含Nb鋼種基于EBSD試驗的極圖數(shù)據(jù)分析，研究Nb對提升鋼板成形性能的機理，如圖15所示。已有研究指出：γ-＜111＞//ND纖維織構(gòu)強弱也是決定鋼材是否具有優(yōu)異成形性能的關(guān)鍵?？梢钥闯觯篋P780總體上含Nb鋼的（111）晶面上的織構(gòu)更強，進一步驗證了其成形性優(yōu)勢。

圖15 DP780基體中（111）晶面上的織構(gòu)強度對比

大量研究表明[13]，對于一般汽車沖壓用鋼板材料而言，為提升其沖壓、擴孔性能等，應(yīng)提高基體中的γ-＜111＞//ND織構(gòu)強度。鋼板經(jīng)過熱軋、冷軋?zhí)幚砗蠡w中的纖維織構(gòu)主要是α-＜111＞//RD織構(gòu)和γ-＜111＞//ND織構(gòu)。經(jīng)過冷軋后的退火處理后鋼板基體中的α-＜111＞//RD織構(gòu)因再結(jié)晶效應(yīng)而顯著弱化，此時基體中主要為γ-＜111＞//ND織構(gòu)。成分、工藝、晶粒度、第二相等相關(guān)因素均會影響鋼板中織構(gòu)強度的變化。針對Nb元素對鋼板相關(guān)織構(gòu)強度的影響，可分為以下3個方面。

a.Nb與鋼板基體中的碳、氮原子結(jié)合，降低了基體中的間隙原子數(shù)，導(dǎo)致鋼板在冷軋過程中更易于形成更多的晶內(nèi)剪切帶，可為退火過程中γ取向晶粒的再結(jié)晶提供更多的形核位置，因而有利于提升鋼板基體中的γ-＜111＞//ND織構(gòu)強度（r值提升）。

b.Nb的第二相粒子在鋼板退火過程中可有效的釘扎住位錯，從而抑制了退火過程中小角度亞晶界的大量形成，有利于增強鋼板基體中{111}系再結(jié)晶織構(gòu)，進而提升鋼板的r值。

c.針對晶粒大小及其分布特征對{111}系織構(gòu)的影響，如前所述，一方面Nb通過細化組織進而提升組織的均勻性，且降低小角度和低重位點陣（∑CSL）晶界的數(shù)量，均有利于{111}系織構(gòu)發(fā)展。但是另外一方面，也有研究[14]指出晶粒大小與織構(gòu)強度呈近似線性正比關(guān)系，即粗大晶粒中的織構(gòu)強度往往更強，這是由于退火過程中鋼板基體發(fā)生再結(jié)晶的驅(qū)動力來源于位錯和晶界部位的形變儲能。再結(jié)晶過程中γ取向的形變晶粒的再結(jié)晶形核驅(qū)動力一般強于α取向的形變晶粒，即在再結(jié)晶過程中γ取向的晶核的再結(jié)晶過程會更加的充分，使得γ取向的再結(jié)晶晶粒會更加粗大，導(dǎo)致粗晶粒中的γ取向織構(gòu)也會更強。

綜上所述，Nb對于鋼板織構(gòu)的影響是多方面的，有些有利于γ-＜111＞//ND織構(gòu)強度的提升，有些又會削弱γ-＜111＞//ND織構(gòu)。綜合來看，Nb帶來的有利因素強于不利因素，總體上還是利大于弊，因此Nb元素能夠切實提升鋼板的成形性。

此外，對比表2、表3中2組雙相鋼的成分，除了Nb元素是可以確定對鋼板成形性能起到顯著影響外，諸如Si、Mn元素的影響也不得不考慮。首先，2組鋼的Si元素的含量范圍對鋼板成形性能、韌性不構(gòu)成顯著影響。而Mn本身對鋼板成形性能的直接影響也不顯著，僅MnS控制不到位時可能構(gòu)成不利影響，但是本文所選鋼板均為量產(chǎn)鋼板，對S夾雜的控制到位，因此可不考慮因為不同鋼板Mn含量的差異帶來的干擾影響。且從本文相關(guān)試驗結(jié)果來看，2組鋼的成形性優(yōu)劣也和Mn含量的高低無關(guān)（不含鈮的鋼種，不論是高或低錳含量，成形性均較差）。

表2 DP590化學成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

7 結(jié)論

本文對含Nb、不含Nb的DP590、DP780進行了相關(guān)成形性能對比研究。

a.冷沖壓仿真分析結(jié)果表明：含鈮、不含鈮的DP590零件沖壓起皺面積占比分別為32.80%和36.93%，含鈮、不含鈮的DP780零件沖壓起皺面積占比分別為31.59%、35.60%，含Nb鋼具有更強抗沖壓起皺能力。

b.擴孔性能試驗結(jié)果表明：含鈮、不含鈮的DP590擴孔率分別為62.02%和55.93%。含鈮、不含鈮的DP780擴孔率分別為42.40%和38.20%。含鈮鋼具有更高的擴孔率。

c.Nb通過細化組織、提升大角度數(shù)量及其占比、提升γ-＜111＞//ND纖維織構(gòu)強度，實現(xiàn)了雙相鋼成形性能的有效提升。