溫成形溫度對雙相鋼B340/590DP拉深性能的影響

鄧俊彥，吳愷威，鄧沛然

(1,東莞理工學院城市學院實驗中心，廣東東莞523419;2,上海工程技術大學材料工程學院，上海201620)

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溫成形溫度對雙相鋼B340/590DP拉深性能的影響

鄧俊彥1，吳愷威2，鄧沛然2

(1,東莞理工學院城市學院實驗中心，廣東東莞523419;2,上海工程技術大學材料工程學院，上海201620)

研究了再結晶溫度以下不同溫度的雙相鋼B340/590DP的拉深性能.數值模擬顯示B340/590DP鋼隨著溫度的上升拉深過程中材料的等效應力是下降的，但材料的實際拉深性能在300 ℃以內并未隨溫度的升高而改善，在溫度超過400 ℃以后材料的拉深性能明顯改善，在500 ℃時材料的拉深極限系數由常溫的0.52降為0.5.實驗結果表明，當溫度加熱至400 ℃以上時，板料的實際成形性能提高，拉深試樣的厚度分布更加均勻.

雙相鋼，拉深，成形性能

輕量化、環保、節能和安全已成為汽車工業發展的主要趨勢，先進高強度鋼是實現這一目標的有效途徑之一，其中， DP雙相鋼是汽車上運用最廣的品種之一[1].雙相鋼屬于相變強化高強度鋼，顯微組織為鐵素體和馬氏體，由低碳微合金鋼經兩相區熱處理或控軋控冷得到，馬氏體組織以島狀均勻分布在鐵素體基體上[2-5]，具有屈服比低、無屈服延伸、應變強化指數高和良好的抗碰撞性能等特點.

雙相鋼板在室溫成形時塑性差、回彈嚴重，高強度雙相鋼的成形范圍更窄[6]，當成形程度太大時容易破裂，而用熱成形又存在產品脫碳和工藝控制不當時的晶粒粗大現象.就鋼材熱加工工藝而言，在溫度低于材料的再結晶溫度的熱加工稱為溫成形，溫成形工藝能提高金屬材料的成形性能[7-8]，溫成形既具有冷成形的效率高、節省原材料的優點，也有熱成形的成形力小、設備噸位需求小的優點.溫成形與冷成形相比，提高了材料的變形極限，成形質量又比熱成形好，對高強度鋼板的成形研究有積極的意義.

數值模擬在沖壓成形的應用越來越廣泛，能提供有效的參考[9]，我們結合數值模擬，在伺服壓力機上，利用沖壓成形測試系統對B340/590DP板料進行溫拉深實驗，研究了不同溫度下B340/590DP板料的成形性能，找出該類材料溫拉深成形的溫度范圍，為超高強鋼板的溫成形研究提供有效的參考.

1 實驗材料及方法

本研究所用的實驗材料為寶鋼雙相鋼B340/590DP冷軋板，其中，340表示標準試樣的屈服強度不低于340 MPa，590表示抗拉強度不低于 590 MPa，而DP則代表雙相鋼(Dual Phase)，其化學成分如下表1.

表1 B340/590DP化學成分(質量分數)

具體的實驗步驟如下：

(1) 建立有限元模型.

凸凹模的直徑分別為24.2和25.9 mm，拉深模擬的板料厚度為0.8 mm，將圖形和不同溫度下真實應力-應變值及其它材料參數導入Dynaform 軟件完成數值模型，對板料的成形加工進行模擬.

(2) 沖壓設備為H1F60小松伺服壓力機開發的“沖壓成形測試系統”，在伺服壓力機的沖壓模架內設置加熱組件，能在沖壓過程對板料進行加熱.對板料在伺服壓力機上進行熱拉深實驗，探究板料在不同溫度下的成形性能.

2 實驗結果及分析

2.1 B340/590DP材料的力學性能

本研究需要對較高溫度下的板料進行模擬和試驗，為此對不同溫度下的B340/590DP材料的力學性能進行了測驗.圖1為拉伸試樣的幾何尺寸；圖2是在Zwick萬能拉伸試驗機上測不同溫度的真實應力應變圖，由圖2可以看出，在大部分的應變階段，300 ℃時材料的變形應力大于200 ℃的變形應力.觀察300 ℃下拉伸試樣(見圖3)，其表面呈藍色，200和400 ℃拉伸試樣表面則為灰色氧化物，這種現象應是材料的藍脆現象所導致[10]，并在拉深實驗時影響到成形性能.400、500和600 ℃下拉伸時，隨著溫度的升高，B340/590DP的屈服強度和抗拉強度都有所降低，在應變較小時，應力應變曲線斜率較大，在應力達到峰值后，隨著應變的增加，在保持水平一段時間后，緩慢下降.

圖1 拉伸試樣幾何尺寸/mm

圖2 B340/590DP試樣不同溫度下的真實應力-應變圖

圖3 拉伸試樣照片

2.2 拉深成形模擬結果

2.2.1 板料尺寸對冷拉深模擬結果的影響

在成形極限圖FLD中，根據不同的應變狀態分為破裂區、破裂趨勢區、安全區(Safe)、起皺趨勢區、起皺區、嚴重起皺區和成形不充分區一共7種區域，分別用不同的顏色在模擬后的試樣上標出.其中紅色的破裂區用來判斷板料發生破裂，深紫色的嚴重起皺區用來判斷起皺，其他顏色的狀態一般均可視為沒有缺陷的正常成形.

凸模移動速度v=60 mm/s，B340/590DP板料的拉深比約為1.85，對應拉深系數值為0.54[11]，所以材料直徑設為44、46和48 mm，持續時間設為位移控制，46、48 mm板料的模擬結果見圖4和圖5.

圖4 直徑為46 mm板料成形極限的模擬結果

圖5 直徑為48 mm板料成形極限的模擬結果

從模擬結果來看，在相同的工藝參數下，44 mm 和46 mm板料可成形，從46 mm板料的FLD曲線(圖4)上看，板料上并沒有點進入破裂區，可以認為板料并沒有發生破裂.而直徑為48 mm的板料，從成形極限圖5中就可以看出，在拉深還沒結束，筒壁區還未完全成形時，板料就已發生破裂，且破裂就發生在凸模圓角區.

2.2.2 溫拉深模擬的溫度場和等效應力場分布

速度設置為60 mm/s，壓邊力設置為20 kN，由于本研究使用的加熱系統為自主研發的電磁感應加熱系統，根據實際的試驗效果，在數值模擬參數設置的過程中，工具溫度設置為試驗實際的加熱溫度，板料溫度則設置比工具溫度低50 ℃，不同溫度模擬結果見圖6和圖7.

從圖6和圖7中的溫度場的分布可以看出，在拉深完成的工件上，筒底區的溫度最低，沿直壁區網上溫度逐漸升高，而杯口部分溫度最高，杯口部分溫度平均溫度比初始工具溫度低50 ℃左右，但局部地區的最高溫度大于初始工具溫度.這是因為中心部位和空氣進行熱量傳遞與熱輻射，溫度略有降低.在拉深成形階段，隨著凸模的不斷下行，板料與模具的接觸情況在不斷的變化，板料的變形程度也隨之變大，當凸模下降到最低點，板料得到成分拉深，傳熱則更加充分.而筒壁中上部出現局部溫度過高的情況，經過分析可知，板料在流過凹模圓角的過程中，一是發生形變，產生變形功，二是由于摩擦產生一定的熱量，并且不斷的積聚，最終使得筒形件中上部分溫度偏高.

圖6 初始溫度為200 ℃時工件模擬結果

圖7 初始溫度為600 ℃時工件模擬結果

圖8 不同溫度下的最大等效應力

等效應力場分布圖顯示，筒壁上部的等效應力場最大，圖8為不同溫度下的最大等效應力圖.隨著初始溫度的升高，成形件的最大等效應力減小，從200 ℃的780 MPa減小到600 ℃的488 MPa.等效應力是基于剪切應變能的Von Mises 應力，它遵循材料力學第四強度理論(形狀改變比能理論).其主要含義是：當點應力狀態的等效應力達到某一與應力狀態無關的定值時，材料就屈服；或者說材料處于塑性狀態時，等效應力始終是一不變的定值.因此，等效應力的大小可以衡量板料成形的難易程度.上述模擬結果表明隨著溫度的升高，在變形過程中的等效應力下降，抗形變力降低，板料的成形性能得到提高.

2.3 板料拉深實驗結果

用線切割切出直徑分別44、46和48 mm的圓形板料，板料厚度為0.8 mm，每組6片，并用砂紙打磨板料邊緣.沖壓速度設置為60 mm/s，壓邊力設置為 20 kN 的參數條件下，拉深結果見表2，成形代表6個試樣拉深均完好.

表2 不同尺寸的試樣拉深試驗結果

在加熱溫度為200 ℃和300 ℃條件下，相比冷成形條件下，其成形性能并沒有得到了提高，且觀察加熱狀態下的破裂拉深試樣，其拉深深度較比常溫下的破裂試樣反而有所降低(圖9).相比常溫條件的拉深試驗結果，板料在加熱溫度為400 ℃以上時板料的成形性能明顯提升，按“3好3破”的國家標準，當加熱溫度為500 ℃時板料的拉深極限尺寸由常溫下的46 mm提高到48 mm.

圖9 48 mm試樣在常溫(a)、 200 ℃(b)、 300 ℃(c)溫度下的破裂試樣

對48 mm常溫、400 ℃和500 ℃拉深成功的試樣進行厚度測量，測量點見圖10，1為筒底部分中心，2為筒底部分邊緣，3為凸模圓角區，4為筒壁區下端，5為筒壁區中心，6為筒壁區上沿，結果如圖11.筒壁區上沿區域最厚，凸模圓角區最薄，凸模圓角區常溫、400 ℃和500 ℃的厚度分別為0.649、0.667和0.674 mm，筒壁區上沿的分別為1.01、0.938和0.95 mm，兩者的差值分別為0.361、0.271和0.275 mm，400 ℃和500 ℃的拉深試樣凸模圓角區的厚度都大于常溫下的拉深試樣，筒壁區上沿的厚度小于常溫下的，厚度分布更加均勻.

圖10 工件上的厚度測量點

圖11 不同溫度下的拉深試樣厚度分布

2.4 板料拉深實驗結果分析

板料在拉深過程中存在5個部分：筒底部分、凸模圓角部分、筒壁部分、凹模圓角部分、凸緣部分[12-13].其厚度最小值出現在凸模圓角部分，筒壁部分厚度逐漸增加，靠近凸緣部分厚度最大.

拉深拉裂主要取決于兩個方面：筒壁傳力區中的拉應力和筒壁傳力區的抗拉強度.當筒壁拉應力超過材料的抗拉強度時，就會產生破裂.凸模圓角部分的材料一直承受筒壁傳束的拉應力，并且受到凸模的壓力和彎曲作用.在拉、壓力綜合作用下，使這部分材料變薄嚴重，因此該部分是拉深變形時最脆弱的部分，容易發生拉裂破壞，該處的承受能力決定了拉深變形的成形極限.

在數值模擬中，凸模圓角處的溫度最低，凹模口處的溫度最高.凹模圓角區域較高的溫度使該處材料更易進入凹模，有利于凸緣部分材料的減薄和消除拉深過程中的起皺.

從模擬結果來看，室溫拉深時，48 mm的凸緣部分較46 mm的大，圖3深紫色區顯示筒壁區上沿和凸緣區域起皺，表明凸緣區的金屬不能順利進入凹凸模之間的間隙，板料在凹模端面起皺.起皺的板料難以通過凹凸模間隙，從而進入強行拉入狀態，在凹模口區域堆積的板料不能及時拉入間隙的情況下，筒壁區材料將會由于拉應力增大而產生斷裂現象，這與實際拉深的結果基本是一致的，室溫下直徑為48 mm的板料板料拉深結果為1好5破，數值模擬的結果有良好的參考作用.

隨著溫度的升高，等效應力減小，變形抗力降低，拉深時凸模的載荷也降低，改善了拉深件的壁厚分布，增大了凸模圓角部分厚度，減少了筒壁區上沿部分的厚度，避免了由此導致的相應區域材料在拉深過程中的斷裂，從而提高了拉深變形的成形極限；較比冷成形的工藝條件，溫度越高金屬的流動性能相對較好，有利于拉深的進行.

在300 ℃進行拉深時，由于在該溫度區域，雙相鋼發生藍脆[14-15]，板料有抗拉強度、硬度升高，而延伸率、斷面收縮率下降的現象，材料變形能力變差導致板料更難進入凹凸模間隙，拉深性能更差.溫成形溫度為300 ℃時，直徑為48 mm的板料的拉深結果為6破，相對室溫下，拉深性能有所降低，這是低碳合金鋼的藍脆導致的，該溫度區域不利于B340/590DP板料溫拉深加工.

在溫度超過400 ℃條件下，B340/DP590雙相鋼的成形極限相對冷成形有所提高，凸模圓角區的厚度都大于常溫下的，筒壁區上沿的厚度小于常溫下的，減少由此導致的破裂，厚度分布更加均勻，成形性能越好.溫成形對深拉深沖壓工藝有明顯意義.

在沖壓過程中，一般將板料在出現拉深失穩前，毛坯所能承受的最大變形程度稱為成形極限，此時的凸模直徑與板料直徑的比值稱為板料的極限拉深系數，mc=d凸/Dmax.

由GB/T 15825.3-2008中公式計算可得，常溫下 0.8 mm 厚度板料B340/590DP雙相鋼板最大試樣直徑D0max=46.33 mm，則常溫下拉深極限系數為0.52.

超過400 ℃，拉深性能提高，當加熱溫度為500 ℃時板料的拉深極限尺寸由常溫下的 46.33 mm 提高到48 mm，拉深極限系數減小至0.50，板料的成形性能提高了.

3 結 論

(1)數值模擬顯示，室溫下，拉深速度v=60 mm/s時，直徑44 mm 和46 mm板料可成形，而直徑為48 mm的板料則出現破裂現象，實際拉深直徑44、46和48 mm板料的結果分別為6好、4好2破和1好6破，數值模擬與實際拉深結果一致；隨著溫度的升高，板料變形抗力降低，流動性和成形性能變好，其拉深的極限尺寸也隨之增大，數值模擬為實際拉深提供了較好的參考.

(2)300 ℃時，由于藍脆現象的發生，板料的成形性能比常溫時反而有所下降，該溫度區間不適宜B340/590DP板料溫拉深加工.

(3)在400 ℃及以上溫拉深時，板料的成形性能有所提高，拉深極限尺寸從常溫的46.33 mm提高到500 ℃的48 mm，拉深極限系數減小至0.50，拉深試樣的厚度分布更加均勻.溫拉深工藝可以使板料的成形性能提高，對超高強鋼板溫成形研究有積極的參考作用.

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Effect of warm forming temperature on drawing properties of dual phase steel B340/590DP

Deng Junyan1，Wu Kaiwei2，Deng Peiran2

(1. Lab Center, City College, Dongguan University of Technology, Dongguan, 523419,China; 2.School of Materials and Technology Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai,201620, China)

The drawing property of the dual phase steel B340/590DP below recrystallization temperature was studied. A numerical simulation showed that the equivalent stress decreases with rise of temperature in drawing, however the actual deep drawing properties within 300 ℃ do not improve with rise of the temperature, while the drawing properties are improved significantly when temperatures are over 400 ℃. The drawing limit coefficient at 500 ℃ drops to 0.5 from 0.52. The experimental results showed that the actual forming property is improved above 400 ℃.The drawing sample thickness distribution is more uniform.

dual-phase steel; drawing; forming performance

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.014

TG 142.1

A

1671-6620(2016)03-0230-07