本文提及的沖壓工藝，均指金屬板材在常溫下進行的沖壓加工，俗稱冷沖壓。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)提供給下游企業(yè)，用于冷沖壓的基本原材料有兩類，即熱軋金屬板材（簡稱熱板）和冷軋金屬板材（簡稱冷板）。不論冷沖壓零件的形狀怎樣，對于所有金屬板材經(jīng)過冷沖壓加工后，由于金屬組織加工硬化的作用，沖壓件內(nèi)部都會留下殘余應力。這些殘余應力分布的不均勻性和殘余應力消除速率的不均衡性，嚴重影響著沖壓零件的精度和使用性能，以至于令沖壓零件不合格甚至報廢。本文闡述了沖壓件殘余應力的產(chǎn)生及消除方法。

殘余應力的產(chǎn)生

原材料

眾所周知，冷沖壓生產(chǎn)使用的原材料是熱板或冷板。由于金屬軋制成形工序參數(shù)（特別是成形溫度）的不同，使軋制金屬板材的組織和性能產(chǎn)生了明顯的差異。

⑴熱板。以低碳鋼為例，將鋼錠或鋼坯加熱到1100～1250℃進行軋制，終軋溫度和卷曲溫度控制在鋼的再結(jié)晶溫度（通常在730℃）之上，這樣的工藝條件下軋制出來的鋼板，即是熱軋鋼板。

通過熱軋?zhí)幚?，可以破壞鋼錠的鑄造組織，細化鋼材的晶粒，消除顯微組織的缺陷，澆注時形成的氣泡、裂紋和疏松也可在高溫和壓力作用下被焊合，從而使鋼材組織致密，力學性能得到改善。在軋制過程中，每道/次軋制使鋼板發(fā)生塑性變形，變形使鋼板的金相組織在板厚方向被壓扁、在軋制方向被拉長（和扭曲）。由于鋼板的溫度始終在再結(jié)晶溫度之上，在道/次之間會發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。另一方面，如果鋼中細小的碳化物析出，則靜態(tài)再結(jié)晶過程會受到抑制，但它會導致多次熱軋后變形鋼板內(nèi)儲存能的增加和累積，累積到一定程度則會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶過程就是消除扭曲，使晶粒細化的過程。因此，鋼板的熱軋過程就是金屬基體組織被壓扁、拉長、組織再結(jié)晶和晶粒細化的交替過程。由于終軋和卷曲溫度嚴格控制在金屬的再結(jié)晶溫度之上，所以通常認為熱板的金相組織和機械性能是各向同性的，軋制產(chǎn)生在熱板內(nèi)的殘余應力可以忽略不計，但是熱板在冷卻過程中伴隨冷卻速度不同而產(chǎn)生的殘余熱應力卻不可小視。

⑵冷板。以低碳鋼為例，熱軋鋼卷經(jīng)過酸洗后在金屬的再結(jié)晶溫度以下，進行多次軋制或連軋出來的鋼板稱為冷板。在大多數(shù)情況下，冷軋鋼板要經(jīng)過退火才可以交付給用戶。

由于冷軋鋼板的軋制是在金屬的再結(jié)晶溫度下進行，所以金屬晶粒和組織結(jié)構(gòu)在此過程中都會受到劇烈的彈、塑性變形，晶粒被壓扁、伸長和扭曲、加工硬化嚴重，其結(jié)果是板材的機械性能具有明顯的各向異性傾向，由于晶粒被壓扁、拉長、破碎，晶格扭曲畸變，金屬的塑性顯著降低，而強度和硬度則明顯升高（此過程亦稱加工硬化），殘余應力驟增。為了穩(wěn)定和細化鋼的組織、消除殘余應力，防止變形，使組織和化學成份趨于均勻，消除加工硬化，改善機械性能，恢復塑性以提高塑性變形的能力，大多數(shù)冷軋板都要有后續(xù)再結(jié)晶退火的過程。經(jīng)過再結(jié)晶退火，加工硬化狀態(tài)和殘余應力基本被消除，但材料的各向異性特性（軋制方向和垂直于軋制方向材料特性不同）仍然明顯。因此，在冷板的后續(xù)沖壓加工過程中，會導致材料的變形和抗力的不均勻，而最終在沖壓工件中保留有殘余應力。

工藝過程

這里所述的工藝過程是指沖壓工藝過程，包括平面落料沖孔和三維成形，如拉深、彎曲、脹形等。

⑴平面落料與沖孔。金屬板材在平面落料與沖孔過程中，其落料和沖孔輪廓處的金屬板料在板厚方向主要發(fā)生了剪切變形（同時伴隨有彎曲和拉伸），微觀地看，在此過程中首先發(fā)生了材料的彈性變形、接著材料進入塑性變形，最后是材料被剪斷分離。外力通過模具作用的結(jié)果是：工件與基體板材分離，形成內(nèi)外形狀封閉的落料和沖孔輪廓，獲得落料或沖孔工件。剪切變形的主導過程是塑性變形，金屬在斷面上的塑性變形是金屬晶?；坪蛯\生共晶的過程，此過程使落料和沖孔的輪廓斷面上保留了殘余應力，如圖1所示。

圖1 平面落料、沖孔件

⑵三維成形。金屬板料在三維成形過程中如圖2所示，在工件上，某些部位的金屬材料參與了（劇烈的塑、彈性）變形，有些部位的金屬完全沒有變形，而在沒有變形和彎曲變形之間的區(qū)域則被稱為過渡區(qū)。彎曲變形的結(jié)果使變形區(qū)域的金屬晶粒發(fā)生塑性變形，在這些區(qū)域內(nèi)的金屬晶粒發(fā)生滑移和孿生，變形終了（壓彎成形終結(jié)）時，工件內(nèi)則保留了因變形而產(chǎn)生的殘余應力。綜上所述，無論是熱板還是冷板，在經(jīng)過冷沖壓過程，都會給工件留下殘余應力。

圖2 三維成形（彎曲）件

殘余應力對沖壓件質(zhì)量的影響

金屬板材在沖壓加工過程中，由于板材本身的原因，還因為沖壓加工過程金屬板材發(fā)生塑性變形的原因而使沖壓件產(chǎn)生殘余應力。這些殘余應力之高，可能接近于金屬板材的屈服極限。沖壓件中的殘余應力，通常情況下，表現(xiàn)出對工件和工件使用的危害作用；例如使工件的強度和疲勞極限降低、造成應力腐蝕、裂紋甚至脆性斷裂，由于殘余應力的緩慢釋放，使工件發(fā)生變形，而最終影響工件的幾何形狀和尺寸精度。殘余應力對沖壓件的影響主要有以下方面：

⑴殘余應力對工件壽命的影響。理論研究和長期實踐證明：保存有壓縮殘余應力的工件，處在交變應力工作狀態(tài)時，該工件的疲勞極限（或強度）會有所提高；工件保存有拉伸殘余應力時，其疲勞極限（強度）會有下降。因此在實際應用中往往通過工件表面硬化處理使其產(chǎn)生壓縮殘余應力，從而有效地提高疲勞極限（強度）。但是很多情況下，構(gòu)件表面存在的是拉伸殘余應力（如三維成形零件的外凸部位），人們面對的是怎樣改變拉伸殘余應力的分布以提高工件的壽命。

⑵殘余應力對工件變形和幾何精度的影響。如前所述，殘余應力是一種不穩(wěn)定的應力狀態(tài)。在工件受到外力或溫度場作用時：一方面，作用應力與殘余應力的相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，使工件內(nèi)應力重新分配，當外力作用去除時整個構(gòu)件將要發(fā)生變形；另一方面，當工件的環(huán)境溫度升高時，原來扭曲的金屬晶粒產(chǎn)生滑移和晶粒內(nèi)的孿生，使晶粒形狀和大小發(fā)生改變，而致殘余應力重新分布、減少甚至消除，而最終使工件的形狀和幾何尺寸發(fā)生變化。因此，殘余應力明顯地影響著沖壓件的使用（甚至會延伸到用戶的）精度。殘余應力對沖壓件變形的影響包括兩個方面：一是工件抵抗靜、動載荷的變形能力，二是作用在工件上的載荷卸除后變形的恢復能力。

⑶殘余應力對金屬脆性破壞的影響。脆性破壞是工件在塑性變形量很小甚至沒有的情況下突然開裂。在溫度急劇下降或變形速度迅速加快時，脆性破壞最容易發(fā)生。溫度的急劇下降導致工件內(nèi)部的殘余熱應力的迅速增加，當其與保留在工件內(nèi)部的殘余拉應力疊加到大于材料的強度極限時，工件就發(fā)生了脆性破壞。同樣，當變形速度迅速增加時，作用在工件上的外來拉應力與存在于工件內(nèi)的殘余拉應力疊加到大于材料的強度極限時，工件就發(fā)生了脆性破壞，工程應用中是一定要杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生的。但在沖壓件生產(chǎn)過程中，這種現(xiàn)象并不少見。

控制和消除殘余應力的方法

殘余應力基本分兩類，即由于環(huán)境溫度的不均勻產(chǎn)生的殘余熱應力和由于（外力致）塑性變形產(chǎn)生的殘余應力。一般來講，溫差越大產(chǎn)生殘余熱應力的傾向就越大、殘余應力的量就越多；而外力施加于工件的單位荷載越大、塑性變形程度越嚴重、加工硬化的程度就越嚴重，留存在工件內(nèi)的殘余應力數(shù)量就越多。實際生產(chǎn)活動中，可以采用以下三種方法控制和消除殘余應力。

選用優(yōu)質(zhì)的原材料

對于沖壓加工而言，首先應該選用質(zhì)地優(yōu)良的金屬板材，特別是應該選定經(jīng)過充分再結(jié)晶退火的板材作為沖壓件生產(chǎn)用材。而對于厚板精沖使用的板材，則宜優(yōu)先選用經(jīng)過充分軟化退火或球化退火（中碳或高碳鋼）的材料。因為這樣材料的最大特點是：材料內(nèi)因塑性變形而產(chǎn)生的殘余應力和因溫度急劇變化而產(chǎn)生的殘余熱應力的存量很少，材料金屬組織、機械性能、彈塑性指標處在特別適合塑性加工（如冷沖壓）狀態(tài)。

利用溫度變化消除殘余應力

⑴熱處理時效。熱處理時效又稱人工時效，它是傳統(tǒng)的消除殘余應力方法。熱處理時效是借助熱處理設施，將工件由室溫緩慢、均勻加熱至600℃左右，并在此溫度保溫4～8h，而后溫度緩慢冷卻到120℃以下，再出爐迅速冷卻至室溫。這種方法消除殘余應力的效果很好，消除速度快、充分，仍是至今最實用的方法之一。

⑵自然時效。是將工件放置于室外，任其“餐風宿露”，在靜置過程中釋放和消除殘余應力。這種方法不適用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，如沖壓件，原因是釋放或消除殘余應力的速度十分緩慢，而在相對短的時間（幾天甚至數(shù)月）內(nèi)，釋放乃至消除殘余應力的比例不大。但是，對于高價值和高精度設備的關鍵部件，則采用人工時效＋自然時效（時間通常都要數(shù)年）的方法較為普遍。

機械方法消除殘余應力的峰值

⑴錘擊法。利用鋼錘錘擊工件殘余應力聚集的部位（通常在變形劇烈、形狀改變突變之處），使工件接受錘擊的金屬表面受到錘擊的壓應力，發(fā)生局部的塑性變形，從而減小殘余應力的峰值，改善和均衡工件原有殘余應力的分布，避免工件的脆性破壞。這種方法特別適合于焊接件，且在焊接加工場合應用廣泛，對沖壓件使用不多。

⑵振動法。利用專用設備使工件在專用設備的周期性外力作用下發(fā)生共振，使工件內(nèi)部的微觀組織晶粒發(fā)生滑移和晶內(nèi)孿生，從而削減殘余應力的峰值，改善和均衡工件原有殘余應力的分布。實踐證明，此種方法在一小時內(nèi)可以消除約50％的殘余應力或削減約50％殘余應力的峰值。與熱處理時效相比，由于其不用后續(xù)處理工件的氧化皮，且處理效率高、節(jié)約成本，因此是目前使用最普遍的方法之一。但其最大缺點是不能完全消除工件內(nèi)聚集的殘余應力。

結(jié)束語

本文介紹控制和消除殘余應力的方法都會留下或多或少的二次塑性變形，其結(jié)果是沖壓件的形狀和幾何尺寸在處理后會發(fā)生變化，對某些精度要求高的沖壓件來說，這種變化可能會導致產(chǎn)品失效（或者說產(chǎn)品報廢），因此需要人們修正沖壓模具的參數(shù)或者對發(fā)生二次塑性變形的沖壓件進行冷校正或精壓處理。

殘余應力對沖壓件質(zhì)量的影響及其控制

文/孫昌清，孫恒·深圳孫昌清金屬精密成形工作室

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