预应变对汽车双相钢材料成形性的影响

熊 懿

（郑州大学机械与动力工程学院，河南 郑州 450001）

轻量化、环保、节能和安全已成为汽车工业发展的主流趋势，先进高强度钢的应用是实现这一目标的有效途径之一。其中，由于DP双相钢内部同时含有马氏体与铁素体的混合组织，使得其具有高强度特性的同时还具有优良的塑性成形性，因此DP双相钢是汽车上运用最广的钢种之一。然而，双相钢板在室温成形时容易出现变形抗力大、模具磨损严重、板料拉裂、回弹严重、尺寸精度误差大及复杂结构零件成形困难等一系列问题。有关研究表明，高强钢在高温状态下，材料的位错减少，滑移系统增加，其屈服强度大幅降低，塑性及延展性明显提高，成形性得到显著改善。

1 DP780双相钢力学性能分析

参照标准GB/T228.1—2010，静态拉伸速度为2mm.min，采用50mm的引伸计，引伸计的测量误差为0.3%。测量的主要力学性能包括屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、预应变和后续拉断失效后材料的总伸长率A50、加工硬化指数n以及工程应力-工程应变曲线，通过相关计算可得到屈强比和强塑积。所有实验均在室温下进行。

2 单向热拉伸实验过程

文中选用的板材为DP780双相钢。单向热拉伸实验在MT5105微机控制电子万能试验机上进行。试验机中间的横梁是吨位机，下端伸出夹头用以连接固定试样，中间区域采用马弗炉对金属试样进行加热及保温，马弗炉炉壁内部含有加热电阻丝，能够快速将炉内物体加热到要求温度。另外，马弗炉中设置有上中下3个温敏传感器，能够实时观测对应位置的温度变化。

按照国标GB/T4338—2006设计试样，并根据试验机夹具要求对试样进行调整。实验条件：加热温度分别为400、500、600℃，每组温度的试样均在0.1、0.01、0.001s－13种不同的拉伸速率下进行实验，直至样件拉断，输出力－位移曲线。

3 单向热拉伸实验结果

通过对实验得到的原始力－位移曲线进行处理后，得到不同温度、不同应变速率条件下的真实应力－应变曲线。在温度为400～600℃、应变速率为0.001～0.1s－1范围内，随着温度的升高，变形速率的减小，应力曲线呈现明显的下降趋势，温度的升高导致材料的延伸率增大。

4 预应变对烘烤硬化性能的影响

通过170℃×20min烘烤后，低碳钢的屈服强度明显提高，然而拉伸曲线出现明显的屈服平台，烘烤后低碳钢出现屈服平台与其基体中可动位错、固溶原子是密切相关的。在退火过程中，绝大多数位错在回复及再结晶过程中消失，退火试样中可动位错密度较低。对于低碳钢，可动位错数量相对较少，但铁素体中固溶C含量较高，为Cottrell气团形成和碳化物析出提供了足够的固溶C原子。因此，在烘烤过程中形成的Cottrell气团和碳化物对可动位错造成强烈的钉扎，烘烤后拉伸曲线出现明显的屈服平台。结果表明，在170℃烘烤20min后，双相钢的屈服强度和抗拉强度明显提高，伸长率显著降低，而拉伸曲线仍然保持连续屈服状态。预应变与烘烤后双相钢仍保持连续屈服状态主要是受基体中自由位错的影响。

5 预应变对低碳钢和双相钢BH值的影响

烘烤条件为170℃×20min。对于低碳钢，在0%～8%范围内，随着预应变量增加，低碳钢BH值明显提高；预应变量为8%时，BH值达到最大值65MPa。对于双相钢，预应变对BH值的影响可以划分为两个阶段：在0%～1%范围内，BH值随预应变增加而显著提高；在1%～8%范围内，BH值随预应变增加而逐渐降低。预应变为1%时，BH值达到最大值79MPa。

6 动态变形中的裂纹

在动态拉伸条件下，随着应变速率的增加，位错的大量增殖会强化双相钢组织。但是位错开动是需要时间的，随着变形时间的减少（应变速率增加）以及位错大量增殖，使得位错塞积处形成微裂纹。随着应变率的提高，显微裂纹的数量逐渐增加，主要原因为DP780钢中的位错密度和位错堆积增加，铁素体和马氏体相界面之间的塑性应变能的差异降低，增加了相界面之间开裂的可能性。除了马氏体与铁素体的相界面裂纹外，由于780DP中的合金含量较高，存在一定的夹杂物、空洞等显微缺陷，当位错在缺陷处产生位错堆积时，导致材料会在高速的动态变形中局部应力迅速提高。同时，缺陷处的位错堆积会产生局部的高应力状态，在缺陷处产生应力集中，从而产生显微裂纹。在应力作用下，显微裂纹迅速扩展，最终导致了材料的断裂失效。显微裂纹的产生，从宏观上导致了应变速率越高、断裂延伸率越低的现象。应变速率越大，这一过程发生得越早，表观上反映为材料的塑性下降。

7 凸模力对比

通过获取不同成形温度条件下的凸模力进行对比分析，可看出，成形温度越高，凸模力变化越明显。且随着成形时间的推进，凸模力呈现两种不同的状态，在0.3s以前，不同成形温度下的凸模力随时间增加相差越小，在0.3s以后，成形温度越高，凸模力随时间增加越大，这是由于热传导的影响，模具温度逐渐升高，导致摩擦因数增大，加上热膨胀使得板料与模具接触力更大，导致板料与模具之间的摩擦力增大，因此凸模力也随之增大。

8 强化和软化的统一

DP780钢的高应变速率下的变形过程是一个绝热过程，塑性变形转换化导致试样产生升温的热量信息引起软化。在高速拉伸中，基体微区中产生的瞬时形变会使变形塑性功转化为热量，并且不易及时的传递热量，导致微区中存在绝热温升效应。绝热温升效应会增加材料的塑性，降低材料的强度，使位错的滑移更加容易。因此，780DP钢在动态拉伸过程中，是强化和软化过程的统一。

9 结束语

1）在高温条件下，双相钢的流变应力明显降低，塑性增强，延伸率增大；且随温度升高，最小厚度值越来越小，回弹量角度越来越小。2）冲压过程中，由于双相钢变形热及板料与模具之间摩擦热的影响，板料的温度并不是持续降低的状态，而是降低后有少量上升。3）成形温度越高，凸模力变化越明显，且随着板料成形时间的推进，凸模力呈现两种不同的状态，由于热传导及热膨胀的影响，导致温度越高所需凸模力越大。4）综合考虑双相钢在高温条件下的成形性能、回弹情况以及材料自身的固有特性，认为500℃为DP780较为合适的成形温度。