金光宇，王業(yè)勤，宇 凡，朱信成，殷繼麗

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司鋼鐵研究院，山東 日照 276826）

1 前 言

目前，大量使用雙相鋼、淬火延性鋼（QP鋼）和熱成形鋼等先進(jìn)高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼，成為汽車車身設(shè)計(jì)最主流的途徑之一［1］。QP 鋼作為第三代高強(qiáng)鋼，采用淬火-配分的工藝，最終形成以馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體為主的多相組織，相較于同強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)鋼，具有塑性好、伸長(zhǎng)率高和成形性能良好的特點(diǎn)，近幾年逐漸得到廣泛應(yīng)用。但相對(duì)于深沖鋼和其他低強(qiáng)度級(jí)別牌號(hào)鋼，QP 鋼在板材成形加工過程中通常出現(xiàn)翻邊開裂、回彈等缺陷，為避免出現(xiàn)此類問題，主機(jī)廠會(huì)在零部件設(shè)計(jì)選材階段進(jìn)行零件成形仿真，這就需要材料供應(yīng)商提供準(zhǔn)確的成形仿真材料卡片，對(duì)材料成形性能和設(shè)計(jì)方案做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

在QP鋼成形性能及材料成形極限試驗(yàn)研究方面，寶鋼連昌偉等人通過組織分析和回彈試驗(yàn)等，從零件應(yīng)用角度提出QP980 的適用范圍［2］；唐鋼張茜等人對(duì)比唐鋼QP980 和DP980 發(fā)現(xiàn)，QP980 具有高伸長(zhǎng)率、翻邊性能好的特點(diǎn)，成形過程中回彈量較小，適用于以拉延為主的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件［3］；上海交通大學(xué)馮怡爽等人開展QP980 在不同變形模式下的力學(xué)性能和相含量測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，使用Verma 屈服軌跡能更好地描述QP980 鋼在線性加載條件下的屈服軌跡演化規(guī)律［4］；周冶東等人采用光學(xué)網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)對(duì)QP 鋼進(jìn)行成形極限試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)光學(xué)網(wǎng)格分析法結(jié)果更準(zhǔn)確［5］。以山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司（簡(jiǎn)稱山鋼日照公司）開發(fā)的第三代超高強(qiáng)鋼CR550/980QP（下文簡(jiǎn)稱QP980）為研究對(duì)象，通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和板材成形極限試驗(yàn)得到材料靜態(tài)拉伸性能和成形極限圖（FLD，F(xiàn)orming Limit Diagram），構(gòu)建基于AutoForm仿真軟件的材料成形仿真卡片，對(duì)成形極限試驗(yàn)過程進(jìn)行仿真模擬，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比，印證了成形極限曲線與材料卡片的準(zhǔn)確性，為材料卡片構(gòu)建、主機(jī)廠零件設(shè)計(jì)選材提供研究參考。

2 材料成形極限理論

材料成形極限是材料在塑性變形過程中發(fā)生集中性失穩(wěn)前能達(dá)到最大應(yīng)變的極限狀態(tài)，是衡量板材成形性能的主要指標(biāo)之一。在材料加工和零件成形過程中，開裂是最主要的失穩(wěn)形式之一。在成形過程中，板料會(huì)先經(jīng)歷均勻變形，隨著材料形變量不斷增加會(huì)發(fā)生縮頸現(xiàn)象，出現(xiàn)分散性失穩(wěn)。隨著變形集中出現(xiàn)，縮頸演變?yōu)闇喜郏霈F(xiàn)集中性失穩(wěn)，隨著應(yīng)力不斷增加，溝槽加深最終出現(xiàn)斷裂。由于分散性失穩(wěn)后板料仍具有變形能力并能夠進(jìn)行利用，所以通常認(rèn)為將發(fā)生集中性失穩(wěn)時(shí)作為材料成形極限。

冷軋板料在塑性變形過程中會(huì)受到延多個(gè)方向力的作用，但由于厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)方向的尺寸，通常會(huì)忽略厚度方向的應(yīng)力，將塑性成形過程看作平面應(yīng)力狀態(tài)，在成形極限圖中用最大主應(yīng)變和次應(yīng)變來表征材料的成形極限。

3 材料成形極限試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料信息

試驗(yàn)材料為山鋼日照公司開發(fā)的第三代超高強(qiáng)鋼QP980，具體材料信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料信息

3.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 24171.2—2009《金屬材料薄板和薄帶成形極限曲線的測(cè)定第2 部分：實(shí)驗(yàn)室成形極限曲線的測(cè)定》。使用線切割設(shè)備進(jìn)行試樣制備，為保證結(jié)果準(zhǔn)確性，每個(gè)規(guī)格制作3 件合格試樣，根據(jù)平行段標(biāo)距寬度不同，制得10組共計(jì)30件試樣；試樣表面采用白色啞光底漆，噴涂云霧狀隨機(jī)分布的啞光黑色散斑，采用Nakajima 方法對(duì)QP980 試驗(yàn)板料進(jìn)行變形，同時(shí)采集沖頭壓力數(shù)據(jù)信息，直至試樣破裂，停止試驗(yàn)。材料成形極限試驗(yàn)依托Zwick/Roell BUP600 板材成形試驗(yàn)機(jī)，借助德國(guó)GOM ARIMIS 光學(xué)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

3.3 成形極限試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)開始前，板料放置于下模。試驗(yàn)開始后，上下模合模，沖頭向上運(yùn)動(dòng)，傳感器持續(xù)采集沖頭上升行程和沖頭力變化，當(dāng)曲線出現(xiàn)向下突變的拐點(diǎn)后，可認(rèn)定在拐點(diǎn)處試樣出現(xiàn)破裂，傳感器停止采集，采集到的沖頭力曲線顯示相同標(biāo)距的3件試樣沖頭力曲線基本吻合，未發(fā)生較明顯的偏差，可認(rèn)為10組試驗(yàn)均成功，采集到試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

應(yīng)用光學(xué)網(wǎng)格分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用截面法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到試樣原始的室溫成形極限曲線及沿應(yīng)變路徑的成形極限曲線圖（FLD），如圖1、圖2所示，成形極限曲線由以下擬合公式確定：

圖1 QP980成形極限曲線（未似合）

經(jīng)擬合后，得到QP980 室溫成形極限圖。將QP980 成形極限曲線與相同厚度下的同強(qiáng)度級(jí)別雙相鋼CR550/980DP 和低強(qiáng)度級(jí)別雙相鋼CR420/780DP 進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，山鋼日照公司生產(chǎn)CR550/980QP的成形極限FLD0點(diǎn)為0.174，CR550/980DP 的FLD0 點(diǎn)為0.119，CR420/780DP 的FLD0 點(diǎn)為0.169，說明QP980 的成形性能達(dá)到780 MPa級(jí)別雙相鋼水平，優(yōu)于同強(qiáng)度級(jí)別的DP980。

圖3 擬合后的QP980室溫成形極限圖（FLD）

4 材料成形極限仿真

4.1 成形極限仿真平臺(tái)搭建

制作基于AutoForm 軟件的材料卡片，使用AutoForm 軟件進(jìn)行材料成形極限試驗(yàn)全過程仿真模擬。材料卡片主要包含材料的硬化曲線、屈服準(zhǔn)則、成形極限圖等信息。對(duì)QP980鋼板延軋制方向的靜態(tài)拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線處理得到真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，屈服準(zhǔn)則選用Vegter 2017，將擬合后的QP980 室溫成形極限圖導(dǎo)入，完成材料卡片制作。使用3D 建模軟件繪制成形極限試驗(yàn)?zāi)＞邤?shù)模和試樣輪廓線并導(dǎo)入AutoForm，如圖4所示，依照實(shí)際試驗(yàn)條件設(shè)置仿真參數(shù)。

圖4 AutoForm仿真模型

4.2 結(jié)果分析

仿真過程中，隨著模具沖頭上升，板料在沖頭力的作用下變形量不斷增大，材料各點(diǎn)在成形極限圖中位置發(fā)生改變，通常將云圖中首次出現(xiàn)有觀測(cè)點(diǎn)超過FLC曲線的一幀認(rèn)定為材料出現(xiàn)破裂，選取上一幀的數(shù)據(jù)云圖提取仿真結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果如圖5 所示，結(jié)果對(duì)比如表2 所示。QP980材料FLD0點(diǎn)處的主應(yīng)變?cè)囼?yàn)值分別為0.174、0.168、0.18，平均值為0.174，試樣模型仿真值為0.173，平均誤差絕對(duì)值為0.578%；其余不同標(biāo)距下的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差絕對(duì)值均在8%以內(nèi)，平均誤差3.306%。綜合上述對(duì)比，可認(rèn)為擬合后的材料成形極限曲線及材料仿真卡片能準(zhǔn)確反映材料的實(shí)際成形性能，材料卡片準(zhǔn)確、可靠。

圖5 部分仿真結(jié)果

表2 最大主應(yīng)變結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

5.1 山鋼日照公司生產(chǎn)的CR550/980QP材料成形極限FLD0點(diǎn)最大主應(yīng)變值為0.174，成形性能優(yōu)于同強(qiáng)度級(jí)別雙相鋼DP980，在保證強(qiáng)度性能的同時(shí)，達(dá)到雙相鋼DP780成形性能水平。

5.2 使用經(jīng)擬合后的成形極限曲線制作的材料成形仿真卡片進(jìn)行成形極限試驗(yàn)仿真，仿真值為0.173，平均誤差絕對(duì)值為0.578%；10組不同標(biāo)距試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的平均誤差為3.306%，誤差絕對(duì)值均在8%以內(nèi)，結(jié)果表明QP980 成形極限曲線及材料仿真卡片能準(zhǔn)確反映材料的實(shí)際成形性能，材料卡片準(zhǔn)確、可靠，可為主機(jī)廠構(gòu)建材料卡片、零件設(shè)計(jì)選材提供理論參考和技術(shù)支持。