徐 輝,鄧沛然,種習(xí)文,史詠澤,侯瑾瑜,王宇軒

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201600)

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展,安全、環(huán)保、節(jié)能、舒適已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的方向[1]。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的研究,燃油車整備質(zhì)量每減輕1%,燃油消耗下降0.6%～1.0%,電動(dòng)車整備質(zhì)量每降低0.1%,續(xù)航里程可提升0.5%～0.6%[2]。因此,輕量化是實(shí)現(xiàn)碳中和的有效手段,已成為世界汽車行業(yè)的共同目標(biāo)。但輕量化并不是一味追求降低汽車的質(zhì)量,而是在減重的同時(shí)保證車輛的安全性,因此在眾多輕量化材料中,高強(qiáng)鋼是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的首選材料[3]。雙相鋼(Dual-Phase Steel)是先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)中的一種,由于強(qiáng)度很高,具備很好的吸能性,目前已被廣泛應(yīng)用。與CP、 QP、 BH等其他高強(qiáng)鋼種相比,其占絕對優(yōu)勢,在汽車的結(jié)構(gòu)件及安全部件(如保險(xiǎn)杠、門梁、B柱、C柱等)中使用率高達(dá)45%[4]。目前在鋼廠的大力發(fā)展下,雙相鋼的抗拉強(qiáng)度已達(dá)1500MPa以上。

然而在板料的強(qiáng)度大幅提高的同時(shí),對板材的加工工藝要求也隨之提高。隨著板料強(qiáng)度的大幅提高,其塑性會(huì)急劇下降,成型性變差。在沖壓的過程中,材料的流動(dòng)較難控制,板料上的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻,易產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷,且容易出現(xiàn)回彈現(xiàn)象,影響成型精度[5]。為解決這一問題,熱沖壓成為高強(qiáng)鋼的主要加工方法。通過將板材加熱至高溫,能明顯減少變形抗應(yīng)力,使其塑性與延展性得以改善,有助于提高成型性,并顯著降低成型后的回彈,進(jìn)而改善成型件的尺寸精度。變形抗力的減小也有助于簡化成型模型的設(shè)計(jì),減少對沖壓設(shè)備成型力的需求,所以熱沖壓成型非常適合高強(qiáng)度鋼材質(zhì)的車輛零件生產(chǎn),對實(shí)現(xiàn)汽車輕量化有著重要的意義[6]。

但對于薄板成型而言,板料需要一定的抗拉強(qiáng)度,否則容易開裂[7]。而溫度的升高不但提升材料的塑性,同時(shí)也會(huì)顯著降低其抗拉強(qiáng)度。因此需要根據(jù)實(shí)際情況確定最合適的成型溫度。本文采用一種測定板料成型性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)——金屬杯突試驗(yàn),又名Erichsen杯突試驗(yàn)[8]。這種測試方法結(jié)合了拉伸與脹形的工藝特點(diǎn),能很好地反映薄板的沖壓成型性能。通過加熱板料進(jìn)行熱杯突試驗(yàn),可以反映DP1180薄板的熱沖壓成型性能,對于高強(qiáng)鋼的熱沖壓工藝具有非常重要的參考意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用0.8mm厚的DP1180鋼冷軋薄板,根據(jù)國標(biāo)GB/T 4156-2020/ISO20482:2020[8],將薄板切割為90mm×90mm×0.8mm規(guī)格。DP1180鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如下:

表1 DP1180高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 DP1180高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4156-2020[8],杯突試驗(yàn)?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì)如圖1所示,球頭直徑為(20.00±0.05)mm,凹模孔徑為(27.00±0.05)mm。這項(xiàng)試驗(yàn)的基本原理是,使用球形凸模壓迫金屬板料使其進(jìn)入凹模,形成半球形凸起。壓邊圈和凹模將板料的周邊夾緊,導(dǎo)致變形區(qū)域受拉應(yīng)力而變薄,邊緣區(qū)域也無法流入凹模內(nèi)來補(bǔ)充。在凸模不斷頂入的過程中,杯突試樣最終會(huì)出現(xiàn)裂紋。從凸模開始接觸板料,到出現(xiàn)裂紋時(shí)滑塊的行程即為杯突值(IE)[9]。

圖1 杯突裝置示意圖Fig.1 Schematic of cupping test device

國標(biāo)中杯突試驗(yàn)是采用液壓機(jī)在較低的恒定速度下進(jìn)行的,但實(shí)際沖壓生產(chǎn)時(shí),多采用曲柄壓力機(jī)。而曲柄壓力機(jī)的滑塊行程為正弦曲線,因此傳統(tǒng)杯突試驗(yàn)對實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義有限[10]。本實(shí)驗(yàn)采用上海工程技術(shù)大學(xué)自主開發(fā)的“沖壓成型性能測試系統(tǒng)”,該系統(tǒng)基于KOMATSU H1F60伺服壓力機(jī)開發(fā),具備滑塊可調(diào)節(jié)的特性,可隨意調(diào)整沖壓速度、滑塊位置下限等參數(shù)[11]。使用此設(shè)備進(jìn)行杯突試驗(yàn),對實(shí)際沖壓成型更具參考價(jià)值。與之配套的加熱系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)加熱,通過電磁感應(yīng)使板料中產(chǎn)生高頻電流進(jìn)行模內(nèi)加熱,具備加熱速度快、溫度可控等優(yōu)勢,避免了板料加熱后轉(zhuǎn)移至模具過程中的熱損耗。整套系統(tǒng)集成了載荷傳感器、溫度傳感器、位置傳感器等,可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度、壓邊力等條件下的各種沖壓成型試驗(yàn)。通過這些傳感器,可以記錄沖壓成型試驗(yàn)中凸模的行程曲線和載荷曲線等各種數(shù)據(jù)。因此,僅需根據(jù)試驗(yàn)中記錄的載荷曲線的突變點(diǎn),判斷凸模開始加載和卸載時(shí)滑塊的位置,可以精確讀取杯突值。圖2為根據(jù)系統(tǒng)中傳感器讀取的數(shù)據(jù)繪制的載荷—行程曲線圖,從圖2中可以看出,當(dāng)凸模接觸板料的瞬間產(chǎn)生載荷,隨著凸模下行,載荷不斷增大,直至出現(xiàn)裂紋的瞬間,載荷急劇下降。將接觸點(diǎn)與破裂點(diǎn)滑塊的行程作差,即可讀取杯突值IE。

圖2 載荷—行程圖Fig.2 Load-stroke diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 杯突試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)在沖壓速度40%、壓邊力15kN、無潤滑條件下進(jìn)行。從室溫條件開始,分別在20, 100, 200, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600℃下進(jìn)行。每個(gè)溫度下重復(fù)5組試驗(yàn),讀取IE值并取均值,得到各溫度下的IE值如圖3所示。從圖3中可以看出,DP1180鋼的IE值在室溫時(shí)為8.11mm,加熱到100℃時(shí)略有提升;繼續(xù)加熱至200～300℃時(shí),IE值提升明顯。但溫度在350～450℃區(qū)間時(shí),IE值急劇下降,低于室溫水平;繼續(xù)加熱至500℃以上后,IE值繼續(xù)升高,在500℃時(shí)達(dá)到最高水平,隨后呈降低趨勢。根據(jù)圖3判斷,DP1180鋼的IE值并不是隨著溫度的升高持續(xù)增強(qiáng),最佳的杯突性能溫度為500℃。

圖3 IE值隨溫度變化Fig.3 Change of IE value with temperature

2.2 溫度對杯突值的影響

在室溫到300℃范圍內(nèi),鋼板的表面無明顯變化。在溫度升高至300℃的過程中,IE值不斷提升。這是由于溫度的升高賦予原子更高的能量,提高原子的熱振動(dòng),使其更容易跳出平衡位置,原子跳離平衡位置后,位錯(cuò)更容易開動(dòng)[12]。另一方面,馬氏體組織在80℃以上時(shí)開始發(fā)生分解,在150～250℃時(shí),會(huì)產(chǎn)生回火馬氏體。在此過程中,馬氏體中的過飽和碳出現(xiàn)部分脫溶,晶格畸變程度減弱,材料的內(nèi)應(yīng)力降低。在這兩種因素下,板料的塑性得到增強(qiáng),試樣的IE值得到明顯提高。

當(dāng)溫度繼續(xù)升高(350～450℃)時(shí),IE值出現(xiàn)異常降低。此時(shí)試樣表面出現(xiàn)了明顯的藍(lán)色氧化膜,350℃時(shí)最為明顯,呈現(xiàn)深藍(lán)色,如圖4所示。這種現(xiàn)象稱為藍(lán)脆現(xiàn)象,是動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的一種表現(xiàn)。藍(lán)脆現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是C、 N原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),在室溫及室溫以上,C、 N原子擴(kuò)散較慢,無法對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)造成影響;但溫度的升高大大加快了它們的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),在材料產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),擴(kuò)散速度可以接近位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度,在位錯(cuò)周圍形成凝聚態(tài)柯氏氣團(tuán),對位錯(cuò)產(chǎn)生較強(qiáng)的釘扎和阻礙作用[13],因此材料的變形抗力增大,塑性降低。在此溫度范圍內(nèi),材料的強(qiáng)度提高,易產(chǎn)生脆性斷裂,因此在藍(lán)脆區(qū)內(nèi),杯突性能表現(xiàn)不如室溫水平。

圖4 藍(lán)脆溫度下的失效試樣Fig.4 Failed specimens at blue brittle temperatures

當(dāng)溫度繼續(xù)上升至500℃時(shí),鋼板表面氧化膜顏色變淡。由于溫度的提高,對C、 N原子的熱激活增強(qiáng),擴(kuò)散速度繼續(xù)升高,其與位錯(cuò)交互作用的氣團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)橄♂尃顟B(tài),對位錯(cuò)的釘扎作用明顯減弱。在此溫度下板料發(fā)生應(yīng)變,位錯(cuò)較容易開動(dòng)。在板料發(fā)生應(yīng)變的過程中,位錯(cuò)密度不斷增加,產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象;同時(shí)由于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象產(chǎn)生的軟化機(jī)制。這兩種矛盾的過程相互抵消,使得杯突值相較于室溫下得到提升,提升幅度達(dá)51.7%。

繼續(xù)升高溫度,IE值出現(xiàn)下降趨勢。此時(shí)材料受到軟化機(jī)制的影響,抗拉強(qiáng)度大幅下降。對于薄板成型,板料處于拉應(yīng)力狀態(tài),因此必須具備一定的抗拉強(qiáng)度,否則容易破裂。此外,隨著溫度的升高,材料的加工硬化率明顯降低,已變形部分不能發(fā)生足夠的加工硬化,將變形轉(zhuǎn)移至未變形區(qū)域。這種情況下,板料更易破裂。

2.3 顯微組織

為了探究不同溫度下杯突試驗(yàn)后板料組織發(fā)生的變化,取杯突試樣中裂紋附近位置的板料進(jìn)行顯微組織分析。室溫下板料的初始顯微組織如圖5(a)所示,在淺色的鐵素體基體上彌散分布著深色的島狀馬氏體。由于感應(yīng)加熱速度快,試驗(yàn)完成后立刻取出,因此組織變化不大。取300, 500, 600℃的金相組織進(jìn)行分析,可以看出,300, 500, 600℃下杯突試樣的顯微組織與室溫下板料的初始狀態(tài)總體類似,保持了鐵素體基體中彌散分布馬氏體島的結(jié)構(gòu)。600℃下的試樣馬氏體含量下降,晶粒明顯更為細(xì)小,可以看出在應(yīng)變時(shí)發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

(a) 20℃

3 結(jié) 論

(1) 升高溫度可以明顯降低DP1180鋼板的變形抗力,達(dá)到再結(jié)晶溫度后板料產(chǎn)生應(yīng)變所引起的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,可以有效抵消加工硬化現(xiàn)象,使板料的塑性提升;

(2) DP1180的藍(lán)脆溫度為350～450℃,在此溫度范圍內(nèi),板料塑性急劇降低,易發(fā)生脆性斷裂,因此在熱成型時(shí)需避開藍(lán)脆溫度區(qū);

(3) 薄板成型需要一定的抗拉強(qiáng)度,當(dāng)溫度過高時(shí)塑性的提升有限,而抗拉強(qiáng)度大幅下降,會(huì)降低板料的成型性能,因此薄板熱成型需要根據(jù)實(shí)際情況確定最適宜的溫度;

(4) DP1180薄板的熱成型最佳溫度為500℃,此時(shí)IE值相較于室溫時(shí)提升了51.7%。