熊 懿

（鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

輕量化、環(huán)保、節(jié)能和安全已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主流趨勢，先進(jìn)高強度鋼的應(yīng)用是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一。其中，由于DP雙相鋼內(nèi)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(yōu)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(xiàn)變形抗力大、模具磨損嚴(yán)重、板料拉裂、回彈嚴(yán)重、尺寸精度誤差大及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形困難等一系列問題。有關(guān)研究表明，高強鋼在高溫狀態(tài)下，材料的位錯減少，滑移系統(tǒng)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(xué)性能分析

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010，靜態(tài)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(xué)性能包括屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm、預(yù)應(yīng)變和后續(xù)拉斷失效后材料的總伸長率A50、加工硬化指數(shù)n以及工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，通過相關(guān)計算可得到屈強比和強塑積。所有實驗均在室溫下進(jìn)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(jìn)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(qū)域采用馬弗爐對金屬試樣進(jìn)行加熱及保溫，馬弗爐爐壁內(nèi)部含有加熱電阻絲，能夠快速將爐內(nèi)物體加熱到要求溫度。另外，馬弗爐中設(shè)置有上中下3個溫敏傳感器，能夠?qū)崟r觀測對應(yīng)位置的溫度變化。

按照國標(biāo)GB/T4338—2006設(shè)計試樣，并根據(jù)試驗機夾具要求對試樣進(jìn)行調(diào)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(jìn)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(jié)果

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

4 預(yù)應(yīng)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(xiàn)明顯的屈服平臺，烘烤后低碳鋼出現(xiàn)屈服平臺與其基體中可動位錯、固溶原子是密切相關(guān)的。在退火過程中，絕大多數(shù)位錯在回復(fù)及再結(jié)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(shù)量相對較少，但鐵素體中固溶C含量較高，為Cottrell氣團(tuán)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(tuán)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(xiàn)明顯的屈服平臺。結(jié)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(xù)屈服狀態(tài)。預(yù)應(yīng)變與烘烤后雙相鋼仍保持連續(xù)屈服狀態(tài)主要是受基體中自由位錯的影響。

5 預(yù)應(yīng)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(nèi)，隨著預(yù)應(yīng)變量增加，低碳鋼BH值明顯提高；預(yù)應(yīng)變量為8%時，BH值達(dá)到最大值65MPa。對于雙相鋼，預(yù)應(yīng)變對BH值的影響可以劃分為兩個階段：在0%～1%范圍內(nèi)，BH值隨預(yù)應(yīng)變增加而顯著提高；在1%～8%范圍內(nèi)，BH值隨預(yù)應(yīng)變增加而逐漸降低。預(yù)應(yīng)變?yōu)?%時，BH值達(dá)到最大值79MPa。

6 動態(tài)變形中的裂紋

在動態(tài)拉伸條件下，隨著應(yīng)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(yīng)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(yīng)變率的提高，顯微裂紋的數(shù)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(yīng)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(dāng)位錯在缺陷處產(chǎn)生位錯堆積時，導(dǎo)致材料會在高速的動態(tài)變形中局部應(yīng)力迅速提高。同時，缺陷處的位錯堆積會產(chǎn)生局部的高應(yīng)力狀態(tài)，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生顯微裂紋。在應(yīng)力作用下，顯微裂紋迅速擴展，最終導(dǎo)致了材料的斷裂失效。顯微裂紋的產(chǎn)生，從宏觀上導(dǎo)致了應(yīng)變速率越高、斷裂延伸率越低的現(xiàn)象。應(yīng)變速率越大，這一過程發(fā)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(jìn)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(jìn)，凸模力呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，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(dǎo)的影響，模具溫度逐漸升高，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，加上熱膨脹使得板料與模具接觸力更大，導(dǎo)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(tǒng)一

DP780鋼的高應(yīng)變速率下的變形過程是一個絕熱過程，塑性變形轉(zhuǎn)換化導(dǎo)致試樣產(chǎn)生升溫的熱量信息引起軟化。在高速拉伸中，基體微區(qū)中產(chǎn)生的瞬時形變會使變形塑性功轉(zhuǎn)化為熱量，并且不易及時的傳遞熱量，導(dǎo)致微區(qū)中存在絕熱溫升效應(yīng)。絕熱溫升效應(yīng)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(tài)拉伸過程中，是強化和軟化過程的統(tǒng)一。

9 結(jié)束語

1）在高溫條件下，雙相鋼的流變應(yīng)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(xù)降低的狀態(tài)，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(jìn)，凸模力呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，由于熱傳導(dǎo)及熱膨脹的影響，導(dǎo)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(rèn)為500℃為DP780較為合適的成形溫度。