新型汽車覆蓋件鋼板性能研究

張鈞萍 方剛 路洪洲 金磊 關建東 郭愛民

作者簡介：張鈞萍（1988—），男，高級工程師，碩士學位，研究方向為輕量化材料性能測評及工藝研究。

基金項目：中信鈮鋼發展獎勵基金項目（CMVIC-HT-2023-3278）。

參考文獻引用格式：

張鈞萍， 方剛， 路洪洲， 等. 新型汽車覆蓋件鋼板的性能研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（6）： 1-5.

ZHANG J P， FANG G， LU H Z， et al. Research on the Properties of the New Steel for Automotive Covering Parts[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 1-5.

摘要：UF340作為一種新型超細晶高強鋼，在汽車外覆蓋件的應用上具有替代HC180BD的潛力，研究了UF340力學性能和成形性能。結果表明，在塑性、加工硬化指數和各向異性方面，UF340與HC180BD具有相似的力學性能，與HC180BD相比UF340沒有明顯的烘烤硬化性，2種材料的成形性能基本一致。通過Keeler模型計算獲得UF340的成形極限曲線與成形試驗結果存在一定差異，采用線性分段擬合方式獲得的成形極限圖與試驗結果吻合度更高，采用該方法獲得的成形極限曲線可為新材料的成形應用提供參考。

關鍵詞：UF340 超細晶粒鋼 力學性能 成形極限圖

中圖分類號：U465.1+1? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240102

Research on the Properties of the New Steel for Automotive Covering Parts

Zhang Junping1， Fang Gang1， Lu Hongzhou2， Jin Lei3， Guan Jiandong3， Guo Aimin2

（1. China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122; 2. CITIC Metal Ningbo Energy Co.， Ltd.， Beijing 100004; 3. Beijing Shougang Co.， Ltd.， Beijing 100043）

Abstract： As a new type of ultra-fine grained high-strength steel， UF340 has the potential to replace HC180BD in automotive exterior panels. This paper investigated its mechanical properties and formability. The results indicate that UF340 and HC180BD have similar mechanical properties in terms of plasticity， processing hardening index， and anisotropy， but UF340 does not exhibit significant bake hardening properties. The formability of the two materials is similar. There is certain difference between the forming limit curve calculated by the Keeler model and the forming test results. The forming limit diagram obtained by linear segment fitting data has a higher degree of agreement with the experiment， the forming limit curve obtained by this method can provide a reference on the forming application of new materials.

Key words： UF340， Ultra-fine grained high-strength steel， Mechanical properties， Forming limit diagram

1 前言

汽車輕量化可有效減輕整車質量，降低排放[1]。輕量化途徑包括材料輕量化、設計輕量化和工藝輕量化。在材料方面，高強度汽車鋼板廣泛應用于防撞梁、B柱、縱梁、地板等汽車結構件，顯著減輕零件質量。但汽車車身覆蓋件的輕量化主要采用以鋁代鋼的方案，鋁合金汽車車身覆蓋件的性能、穩定性和價格是其應用的主要限制因素[2-3]。

汽車外覆蓋件對材料性能要求極高，需有良好的成形性、涂裝兼容性和抗凹性[4]。用于汽車覆蓋件的鋼材主要包括無間隙原子（Interstitial Free，IF）鋼和烘烤硬化（Bake Hardening，BH）鋼，BH鋼具備顯著的時效強化和良好的抗凹性能，常用BH鋼在沖壓前的屈服強度為180～230 MPa，用于車門外板、前后翼子板、發動機罩外板、行李箱外板等零部件，其時效穩定性和涂裝兼容性較差，用作汽車覆蓋件時可能由于失效穩定性導致成形性能不足、最終產品涂裝效果不佳等問題[5]。某鋼鐵企業開發的Uni-FISH超細晶高強鋼（UF鋼）采用細晶強化+析出強化替代Mn、P等元素的固溶強化，具備替代傳統覆蓋件用IF鋼和BH鋼實現輕量化和提升性能的潛力。作為一種新型汽車覆蓋件鋼板，UF鋼的力學性能和成形性能對覆蓋件的沖壓成形效果有決定性作用，因此，本文以UF340板材為研究對象，測試了其力學性能和成形性能，探討了材料的成形極限圖的計算方法。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

以某鋼鐵企業開發的一種新型的超細晶高強鋼UF340為試驗材料，其具備良好的成形性、抗凹性和涂裝性能。試驗材料的厚度為0.65 mm，材料的化學成分如表1所示，材料在冶煉過程中嚴控C、Si、Mn、P、S等元素的含量，加入Nb元素細化晶粒后，材料的微觀組織如圖1所示。為評估新開發材料的力學性能特征，同步測試分析該鋼鐵企業的HC180BD材料。

2.2 力學性能

按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中附錄E規定的非比例P6試樣規格加工拉伸試樣，試樣的平行段長度為120 mm、寬度為20 mm。為測量材料在不同方向上的力學性能，拉伸試樣的長度方向分別與板材軋制方向呈0°、45°和90°。拉伸試樣采用線切割加工，加工后將試樣切割面打磨光滑。

采用MTS E45.105電子萬能拉伸試驗機進行材料的力學性能試驗，拉伸速度為3 mm/min。試驗過程中，使用縱向引伸計和寬度引伸計分別測量試樣在長度方向和厚度方向的變形，通過體積不變原理計算試樣在厚度方向的應變，獲得材料的屈服強度、抗拉強度、斷裂延伸率、加工硬化指數n、塑性泊松比r等力學參量和應力應變曲線。

2.3 烘烤硬化性

沿垂直于軋制方向加工P6拉伸試樣，按照GB/T 24174—2022《鋼 烘烤硬化（BH）的測定方法》中規定的流程測試材料的烘烤硬化值BH2。將試樣進行2%預變形后放入電鼓風干燥箱中進行烘烤（170 ℃×20 min），測試烘烤后試樣的屈服強度Rp0.2，并將其與預變形2%時的Rp2.0進行比較，差值即為材料的烘烤硬化值。

2.4 成形極限圖

成形極限圖（Forming Limit Diagram，FLD）試驗參照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》進行，試驗使用邊長為180 mm的方形試樣以及長度為180 mm，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，沿垂直于板材軋制方向取樣。為防止矩形試樣的側邊在模具拉深筋處或凹?？谔庨_裂，將寬度小于120 mm的試樣形狀改為中部稍窄、兩端加寬的階梯形狀或者類似啞鈴的其他形狀模仿板料拉伸試樣，試驗前在試樣上一側表面印制2.5 mm的網格用于應變測量。

試驗使用Zwick BUP600板材成形試驗機和直徑為100 mm的NAKAJIMA半球凸模對不同尺寸試樣進行脹形，試驗過程中凸模的速度為60 mm/min。為保證試樣破裂位置位于拱頂，采用凡士林+聚四氟乙烯薄膜+聚氯乙烯的潤滑方式減小試樣與凸模間的接觸摩擦力。采用VIC-3D全場應變測量系統獲得試樣在整個變形過程中的應變分布，并通過擬合法獲得材料的臨界應變。

3 試驗結果

UF340板材的拉伸應力應變曲線如圖2所示，材料的工程應力應變曲線不存在明顯的屈服點和屈服平臺。3個方向的應力應變曲線存在一定差異，表明材料的力學性能存在一定的各向異性。測得的力學參數如表2所示，UF340板材在45°和90°方向的力學性能趨于一致，與0°方向上的力學性能差異明顯。材料的加工硬化指數約為0.21，屈強比為0.6～0.625。與UF340相比，HC180BD的強度整體略低，屈強比為0.64～0.65，斷后伸長率略高，加工硬化指數和塑性泊松比基本一致。UF340和HC180DB的材料力學性能相當，具備替代HC180BD的潛力。

2種材料的烘烤硬化結果如表3所示。作為烘烤硬化鋼，HC180BD具有顯著的烘烤硬化性，2%預變形后的加工硬化效果使其強度提高了29 MPa，170 ℃×20 min烘烤后其烘烤硬化值達到44 MPa。而超細晶粒鋼UF340并沒有明顯的烘烤硬化效果，2%預變形后的加工硬化效果使其強度增加了42 MPa，經過170 ℃×20 min烘烤后其烘烤硬化值僅為4 MPa，這是由于UF340中嚴格控制C、Si、Mn、P、S等元素的含量，不具備顯著的固溶強化效果。沖壓零件材料的最終性能由沖壓變形引起的加工硬化和烤漆過程的烘烤硬化共同決定。雖然UF340并不具備顯著的烘烤硬化性，但在2%同等變形條件下，其加工硬化效果優于HC180BD，從最終狀態來看，2種材料的強度性能基本一致。

材料的成形性能對比如圖3所示。試驗采用10種規格試樣，每種規格試樣重復3次試驗，每次試驗獲得1個極限應變點，以次應變為橫坐標、主應變為縱坐標繪制成形極限圖。由圖3可知，2種材料的應變點分布位置基本重合，說明2種材料的成形性能基本一致。2種材料的主應變最低值點FLC0對應的次應變均略大于0，即FLC0向右偏移。這是由于在脹形初期，沖頭與試樣接觸部分受到雙向拉應力所致[6]。

4 成形極限曲線計算

采用凸模脹形試驗可獲得板材在不同應變路徑下的極限應變分布，而成形極限曲線需基于測得的極限應變點通過一定的方式處理獲得，如將應變點依次連接作為成形極限曲線或采用曲線擬合的方式獲得成形極限曲線。此外，極限應變點的獲取受試驗條件、應變分析方式的影響，因此，基于試驗的極限應變分布結果研究UF340材料的成形極限計算方法有助于高強鋼在新型汽車覆蓋件上的推廣與應用。

在成形極限曲線的計算方面，Keeler和Goodwin提出了成形極限曲線最低點FLC0的計算公式[6]，如式（1）所示，基于材料的加工硬化指數n和厚度t計算FLC0，應用廣泛。

[FLC0=（23.3+14.13t）n0.21]? ? ? ? ? ?（1）

基于FLC0的計算結果，陳新平等[7-8]對低碳鋼的成形極限曲線的左邊部分和右邊部分提出的計算方法為：

[e1=（1+FLC0）÷1+e2-1]? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[e1=（1+FLC0）×1+e20.5-1]? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：e1為主應變，e2為次應變。

采用式（1）～式（3），結合表2中的材料參數計算獲得UF340的成形極限曲線，如圖4所示。由圖4可知，成形極限曲線左半部分與試驗應變點分布趨勢基本一致，但FLC0略低于試驗結果，成形極限曲線右半部分計算值低于試驗值。

從整體的應變點分布來看，UF340材料成形極限圖左、右部分的極限點應變均呈現線性變化。為獲得更精確的成形極限曲線，基于試驗的左半部分和右半部分的應變點進行線性擬合，擬合獲得的成形極限曲線如圖5所示，2種方式獲得的成形極限曲線的對比如圖6所示，與基于FLC0計算獲得的成形極限曲線相比，采用線性擬合方式獲得的成形極限曲線更符合實際情況。

5 結束語

作為一種新型超細晶高強鋼，UF340可以替代HC180BD等材料用于汽車外覆蓋件，本文對其力學性能和成形性能進行了研究，結論如下：

a. UF340與HC180BD具有相似的力學性能，其斷裂延伸率、加工硬化指數和各向異性指數基本一致。與HC180BD相比，UF340沒有明顯的烘烤硬化性，可以避免時效穩定性問題。

b. 2種材料的成形性能相當，與Keeler模型相比，采用線性分段擬合方式獲得的成形極限圖與試驗結果吻合度更高，采用該方法獲得的成形極限曲線對新材料的成形應用具有一定指導作用。

參考文獻：

[1] 馬鳴圖， 易紅亮， 路洪洲， 等. 論汽車輕量化[J]. 中國工程科學， 2009， 11（9）： 20-27.

[2] 任月路， 黃程毅. 鋁合金汽車板的生產技術及其發展趨勢[J]. 輕合金加工技術， 2022， 50（5）： 1-4.

[3] 張鈞萍， 方剛， 路洪洲， 等. 汽車車身用鋁合金板材的研究現狀[J]. 汽車工藝與材料， 2022（8）： 10-18.

[4] MA M T， ZHANG J P， ZHOU J， et al. Property Requirements and Research Progress of Aluminum Alloy Sheets for Automotive Closure[J]. Materials Science Forum， 2018， 4740： 18-29.

[5] 宋青， 王立輝， 潘應君， 等. 時效時間對HC180BD+Z烘烤硬化鋼組織和性能的影響[J]. 金屬材料與冶金工程， 2023， 51（1）： 3-9.

[6] 王輝. 成形極限圖的獲取方法與其在金屬板料成形中的應用[D]. 南京： 南京航空航天大學， 2011.

[7] 陳新平， 汪承璞. 一種預測左半部成形極限圖的簡單方法[J]. 金屬成形工藝， 2000， 18（4）： 4-6+52.

[8] 陳新平， 蔣浩民. 汽車鋼板脹形區成形極限圖的預測與驗證[J]. 金屬成形工藝， 2003， 21（6）： 86-88.