預應變對汽車雙相鋼材料成形性的影響

熊 懿

（鄭州大學機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001）

輕量化、環保、節能和安全已成為汽車工業發展的主流趨勢，先進高強度鋼的應用是實現這一目標的有效途徑之一。其中，由于DP雙相鋼內部同時含有馬氏體與鐵素體的混合組織，使得其具有高強度特性的同時還具有優良的塑性成形性，因此DP雙相鋼是汽車上運用最廣的鋼種之一。然而，雙相鋼板在室溫成形時容易出現變形抗力大、模具磨損嚴重、板料拉裂、回彈嚴重、尺寸精度誤差大及復雜結構零件成形困難等一系列問題。有關研究表明，高強鋼在高溫狀態下，材料的位錯減少，滑移系統增加，其屈服強度大幅降低，塑性及延展性明顯提高，成形性得到顯著改善。

1 DP780雙相鋼力學性能分析

參照標準GB/T228.1—2010，靜態拉伸速度為2mm.min，采用50mm的引伸計，引伸計的測量誤差為0.3%。測量的主要力學性能包括屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm、預應變和后續拉斷失效后材料的總伸長率A50、加工硬化指數n以及工程應力-工程應變曲線，通過相關計算可得到屈強比和強塑積。所有實驗均在室溫下進行。

2 單向熱拉伸實驗過程

文中選用的板材為DP780雙相鋼。單向熱拉伸實驗在MT5105微機控制電子萬能試驗機上進行。試驗機中間的橫梁是噸位機，下端伸出夾頭用以連接固定試樣，中間區域采用馬弗爐對金屬試樣進行加熱及保溫，馬弗爐爐壁內部含有加熱電阻絲，能夠快速將爐內物體加熱到要求溫度。另外，馬弗爐中設置有上中下3個溫敏傳感器，能夠實時觀測對應位置的溫度變化。

按照國標GB/T4338—2006設計試樣，并根據試驗機夾具要求對試樣進行調整。實驗條件：加熱溫度分別為400、500、600℃，每組溫度的試樣均在0.1、0.01、0.001s－13種不同的拉伸速率下進行實驗，直至樣件拉斷，輸出力－位移曲線。

3 單向熱拉伸實驗結果

通過對實驗得到的原始力－位移曲線進行處理后，得到不同溫度、不同應變速率條件下的真實應力－應變曲線。在溫度為400～600℃、應變速率為0.001～0.1s－1范圍內，隨著溫度的升高，變形速率的減小，應力曲線呈現明顯的下降趨勢，溫度的升高導致材料的延伸率增大。

4 預應變對烘烤硬化性能的影響

通過170℃×20min烘烤后，低碳鋼的屈服強度明顯提高，然而拉伸曲線出現明顯的屈服平臺，烘烤后低碳鋼出現屈服平臺與其基體中可動位錯、固溶原子是密切相關的。在退火過程中，絕大多數位錯在回復及再結晶過程中消失，退火試樣中可動位錯密度較低。對于低碳鋼，可動位錯數量相對較少，但鐵素體中固溶C含量較高，為Cottrell氣團形成和碳化物析出提供了足夠的固溶C原子。因此，在烘烤過程中形成的Cottrell氣團和碳化物對可動位錯造成強烈的釘扎，烘烤后拉伸曲線出現明顯的屈服平臺。結果表明，在170℃烘烤20min后，雙相鋼的屈服強度和抗拉強度明顯提高，伸長率顯著降低，而拉伸曲線仍然保持連續屈服狀態。預應變與烘烤后雙相鋼仍保持連續屈服狀態主要是受基體中自由位錯的影響。

5 預應變對低碳鋼和雙相鋼BH值的影響

烘烤條件為170℃×20min。對于低碳鋼，在0%～8%范圍內，隨著預應變量增加，低碳鋼BH值明顯提高；預應變量為8%時，BH值達到最大值65MPa。對于雙相鋼，預應變對BH值的影響可以劃分為兩個階段：在0%～1%范圍內，BH值隨預應變增加而顯著提高；在1%～8%范圍內，BH值隨預應變增加而逐漸降低。預應變為1%時，BH值達到最大值79MPa。

6 動態變形中的裂紋

在動態拉伸條件下，隨著應變速率的增加，位錯的大量增殖會強化雙相鋼組織。但是位錯開動是需要時間的，隨著變形時間的減少（應變速率增加）以及位錯大量增殖，使得位錯塞積處形成微裂紋。隨著應變率的提高，顯微裂紋的數量逐漸增加，主要原因為DP780鋼中的位錯密度和位錯堆積增加，鐵素體和馬氏體相界面之間的塑性應變能的差異降低，增加了相界面之間開裂的可能性。除了馬氏體與鐵素體的相界面裂紋外，由于780DP中的合金含量較高，存在一定的夾雜物、空洞等顯微缺陷，當位錯在缺陷處產生位錯堆積時，導致材料會在高速的動態變形中局部應力迅速提高。同時，缺陷處的位錯堆積會產生局部的高應力狀態，在缺陷處產生應力集中，從而產生顯微裂紋。在應力作用下，顯微裂紋迅速擴展，最終導致了材料的斷裂失效。顯微裂紋的產生，從宏觀上導致了應變速率越高、斷裂延伸率越低的現象。應變速率越大，這一過程發生得越早，表觀上反映為材料的塑性下降。

7 凸模力對比

通過獲取不同成形溫度條件下的凸模力進行對比分析，可看出，成形溫度越高，凸模力變化越明顯。且隨著成形時間的推進，凸模力呈現兩種不同的狀態，在0.3s以前，不同成形溫度下的凸模力隨時間增加相差越小，在0.3s以后，成形溫度越高，凸模力隨時間增加越大，這是由于熱傳導的影響，模具溫度逐漸升高，導致摩擦因數增大，加上熱膨脹使得板料與模具接觸力更大，導致板料與模具之間的摩擦力增大，因此凸模力也隨之增大。

8 強化和軟化的統一

DP780鋼的高應變速率下的變形過程是一個絕熱過程，塑性變形轉換化導致試樣產生升溫的熱量信息引起軟化。在高速拉伸中，基體微區中產生的瞬時形變會使變形塑性功轉化為熱量，并且不易及時的傳遞熱量，導致微區中存在絕熱溫升效應。絕熱溫升效應會增加材料的塑性，降低材料的強度，使位錯的滑移更加容易。因此，780DP鋼在動態拉伸過程中，是強化和軟化過程的統一。

9 結束語

1）在高溫條件下，雙相鋼的流變應力明顯降低，塑性增強，延伸率增大；且隨溫度升高，最小厚度值越來越小，回彈量角度越來越小。2）沖壓過程中，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降低的狀態，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，且隨著板料成形時間的推進，凸模力呈現兩種不同的狀態，由于熱傳導及熱膨脹的影響，導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，認為500℃為DP780較為合適的成形溫度。