張茜 劉宇 呂浩 牛星輝

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，唐山 063000）

1 前言

隨著能源環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，碰撞法規(guī)要求日益嚴(yán)苛，在保證安全的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是目前汽車工業(yè)的發(fā)展方向[1-2]，白車身占整車重量的50%左右，對車身骨架零件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的關(guān)鍵。

提高高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼在車身上的應(yīng)用比例，仍然是車身輕量化最經(jīng)濟(jì)、有效的方法。目前中高端車型中A 柱、B 柱、門檻、防撞梁等車身安全件均已廣泛采用雙相鋼DP、Trip鋼和MS等高強(qiáng)鋼[3-4]，但某些高強(qiáng)鋼由于成形性能限制，尚不能滿足一些對強(qiáng)度等級和復(fù)雜形狀兼顧的車身骨架零件的成形需求。

為滿足車身零件高強(qiáng)度等級和復(fù)雜形狀特性的雙重需求，唐鋼高強(qiáng)汽車板產(chǎn)線不斷完善，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷升級，目前已經(jīng)具備穩(wěn)定生產(chǎn)QP、DP、CP等不同系列980 MPa 及以上強(qiáng)度高強(qiáng)鋼產(chǎn)品，為了充分利用高強(qiáng)鋼板的強(qiáng)度、塑性、加工硬化等特性，對其應(yīng)用特性進(jìn)行解析是非常必要的。

以唐鋼自主研發(fā)的DP980 和QP980 為研究對象，從基礎(chǔ)力學(xué)特性、成形極限、擴(kuò)孔、翻邊、U 彎回彈5 個(gè)維度進(jìn)行對比分析，結(jié)合零件的成形特點(diǎn)，提供選材應(yīng)用參考依據(jù)。

2 材料和方法

試驗(yàn)所用的DP980 和QP980 材料均為唐鋼高強(qiáng)汽車板產(chǎn)線穩(wěn)定生產(chǎn)的1.2 mm 厚度產(chǎn)品，成分如表1 所示，金相組織如圖1 所示。

圖1 DP980和QP980顯微組織(4 000×)

DP980 為 C-Mn-Si-Ti-Cr-Mo 成分體系，以鐵素體和馬氏體兩相為主[5]，QP980為C-Mn-Si-Ti-Nb成分體系，組織中有鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體。

根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》[6]，在ZWICK 拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，采用80 mm 標(biāo)距。根據(jù)GB/T 15825.8—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法第8 部分：成形極限圖(FLD)測定指南》[7]，采用光學(xué)應(yīng)變分析技術(shù)，在BCS-50A 通用板材成形性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行成形極限曲線FLC 測定，采用2.5 mm×2.5 mm 的正方形網(wǎng)格，選取距開裂位置最近的完整網(wǎng)格應(yīng)變作為試樣的極限應(yīng)變點(diǎn)。根據(jù)GB/T 15825.4—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法第4 部分：擴(kuò)孔試驗(yàn)》[8]，在BCS-50A 通用板材成形性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖孔、擴(kuò)孔率的測試，采用ZEISS掃描電鏡對沖孔試樣邊緣形貌進(jìn)行表征分析。

直角翻邊和V形翻邊采用自制翻邊專用模具進(jìn)行測試，通過翻邊極限高度評價(jià)翻邊特性，模具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過改變料片尺寸來摸索材料極限翻邊高度，初始翻邊高度為0 mm，試樣尺寸如圖3所示，以0.5 mm 梯度往外偏置，將測量精度控制在0.5 mm，V 形翻邊時(shí)，首選對板料進(jìn)行預(yù)彎成120°，使其具備一定的應(yīng)變量，然后再進(jìn)行二次翻邊，測量極限翻邊高度，與生產(chǎn)實(shí)際更為接近。

圖2 翻邊模具結(jié)構(gòu)

圖3 試樣初始尺寸（翻邊高度為0 mm）

U 形彎曲回彈采用自主設(shè)計(jì)的回彈專用模具進(jìn)行測試，如圖5 所示，通過直臂和法蘭邊角度的變化進(jìn)行回彈大小評定，測量位置如圖6 所示，模具結(jié)構(gòu)可通過更換鑲塊實(shí)現(xiàn)拉延、翻邊、成形3 種成形方式，如圖7 所示。

圖4 V形翻邊工藝過程

試驗(yàn)采用360 mm×50 mm 的矩形試樣，進(jìn)行拉延、成形、翻邊3 種工藝下的回彈測試，每種工況進(jìn)行5 次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值作為材料的回彈量。

3 結(jié)果和討論

3.1 力學(xué)性能對比分析

DP980 和QP980 材料的力學(xué)性能如表2，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化指數(shù)見圖8，可以看出2 種材料均表現(xiàn)出連續(xù)屈服以及較長的均勻延伸區(qū)間。由于QP980 中殘余奧氏體的存在，使其在保證與DP980 同等強(qiáng)度的前提下具有更高的延伸率。QP980 在發(fā)生變形時(shí)，殘余奧氏體在應(yīng)力的作用下，會發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變，使QP 鋼在強(qiáng)度大幅提升的同時(shí)，仍具有較好的相變誘導(dǎo)塑性，進(jìn)而維持較高的瞬時(shí)應(yīng)變硬化指數(shù)n值。QP 鋼良好的強(qiáng)塑積和加工硬化特性，適合外形相對復(fù)雜、強(qiáng)度要求相對較高的沖壓件。

圖8 DP980和QP980材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線及瞬時(shí)n值

表2 DP980和QP980材料力學(xué)性能

3.2 成形極限對比分析

DP980 和 QP980 材料的成形極限曲線（FLC）如圖9 所示。成形極限是衡量板材在發(fā)生開裂之前達(dá)到的最大變形能力的重要標(biāo)志，采用成形極限圖可以簡便直觀判斷零件安全裕度及開裂風(fēng)險(xiǎn)。QP 鋼由于相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)，在成形時(shí)可以保持較高的瞬時(shí)應(yīng)變硬化指數(shù)n值，進(jìn)而提高了材料的成形極限。DP980 和QP980 在成形極限曲線最低點(diǎn)的平面應(yīng)變值分別是0.114 和0.203，QP 較DP 成形極限最低點(diǎn)優(yōu)9%左右。

圖9 DP980和QP980材料的實(shí)測成形極限FLC曲線

利用keeler 公式[9]對2 種材料的成形極限進(jìn)行預(yù)測，其平面狀態(tài)的FLD0點(diǎn)見公式（1）。

式中，t為板料厚度；n為均勻變形結(jié)時(shí)刻對應(yīng)的瞬時(shí)加工硬化指數(shù)n值。

通過對比可以看出，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量得到的結(jié)果趨勢是一致的。

3.3 擴(kuò)孔性能對比分析

DP980 和QP980 每種材料取4 片試樣進(jìn)行沖孔后的擴(kuò)孔率測試，如表3 所示。擴(kuò)孔至材料孔緣附近產(chǎn)生第1 條貫穿裂紋時(shí)的形貌如圖10 所示。DP980 的平均擴(kuò)孔率較QP980 高7%。

圖10 擴(kuò)孔后試樣形貌

表3 DP980和QP980材料擴(kuò)孔率

圖11 是DP980 和QP980 材料沖孔后的孔緣組織，比較發(fā)現(xiàn)，DP980 和QP980 沖孔過程中孔緣附近均產(chǎn)生了顯微裂紋。DP980 的顯微組織中裂紋尺寸短小且不連續(xù)，裂紋數(shù)量較少；而QP980 的顯微組織中裂紋尺寸長且連續(xù)，裂紋數(shù)量也多。在后續(xù)擴(kuò)孔過程中，微裂紋處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，惡化材料的擴(kuò)孔性能。此外，DP980 存在F+M 兩相，裂紋擴(kuò)展過程中塑性變形容易在F 中，從而降低裂紋處應(yīng)力集中趨勢，有利于獲得較高的擴(kuò)孔率，使其擴(kuò)孔性能優(yōu)于QP980。

圖11 沖孔后孔緣組織

3.4 極限翻邊高度對比分析

翻邊高度為t-0.5 mm、tmm時(shí)，零件邊緣不出現(xiàn)開裂，翻邊高度為t+0.5 mm、t+1.0 mm時(shí)，零件邊緣均出現(xiàn)開裂，則認(rèn)為此零件的極限翻邊高度為tmm。DP980 和QP980 材料的極限翻邊高度對比結(jié)果如圖12 所示，翻邊零件如圖13 所示。結(jié)果顯示，DP980 的極限翻邊高度較QP980 高，其中直角翻邊要高3.5 mm，V 形翻邊高1.5 mm。說明DP980 更適用于翻邊、折彎類零件成形。

圖12 DP980和QP980材料的極限翻邊高度

2 種材料的V 形翻邊高度均較直角翻邊高度大。這是由于V 形翻邊預(yù)彎后圓角處有部分材料堆積，內(nèi)側(cè)具有一定壓應(yīng)力，再進(jìn)行翻邊時(shí)，預(yù)彎的內(nèi)側(cè)變成最終翻邊零件的外側(cè)，其受力狀態(tài)也由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力；而直角翻邊初始板料為平板，內(nèi)部不存在殘余應(yīng)力，翻邊時(shí)直接由自由狀態(tài)到拉應(yīng)力狀態(tài)，所以相對而言，其翻邊時(shí)也更容易開裂。

3.5 U彎回彈性能對比分析

凸?；貜椊嵌圈?回彈為θ1-90°，θ1為凸模角，表征了凸模圓角處的回彈；法蘭回彈角度θ2回彈為90-θ2，θ2為法蘭角，表征了凹模圓角處的回彈。θ1回彈越大，θ2回彈越大零件回彈越大，其中θ1回彈起主要作用。

DP980 和QP980 在不同工藝下的U 形彎曲回彈量對比如圖14 所示，不論哪種成形工藝，DP980的回彈量均大于QP980，拉延回彈回彈量大于翻邊回彈大于成形回彈。采用DP 鋼進(jìn)行沖壓成形時(shí)應(yīng)考慮比同級別的QP 鋼設(shè)計(jì)更大的回彈補(bǔ)償量。

圖14 DP980和QP980回彈量對比

3.6 典型應(yīng)用案例

目前唐鋼DP980 和QP980 產(chǎn)品均已具備批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力，在多家主機(jī)廠及零部件配套廠評估應(yīng)用，反饋良好。

DP980 具有良好的翻邊、擴(kuò)孔性能，適合以折彎、翻邊變形為主的局部成形特征較多的零件，目前已經(jīng)在門檻、下邊梁等零件中成功試用，如圖15所示，效果良好。QP980 具有較高的強(qiáng)度和延伸率，良好的強(qiáng)塑積，特別適合外形相對復(fù)雜、強(qiáng)度要求較高的沖壓件，目前已經(jīng)在B 柱、座椅墊板等零件廠上成功應(yīng)用，如圖16 所示。

圖15 采用唐鋼DP980沖制的下邊梁

圖16 采用唐鋼QP980沖制的B柱

4 結(jié)論

a.唐鋼 QP980 的A80延伸率可高達(dá) 18.5%，與DP980 相比，具有更高的強(qiáng)塑積，在變形過程中可維持較高的瞬時(shí)n值。

b.唐鋼QP980 較DP980 成形極限性能高，成形極限的最低點(diǎn)處平面應(yīng)變高于DP980 約9%。

c.唐鋼DP980 的擴(kuò)孔率和極限翻邊高度均優(yōu)于QP980，其中V 形翻邊優(yōu)于直角翻邊。

d.唐鋼 DP980 的 U 彎回彈大于 QP980，進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)計(jì)更大的回彈補(bǔ)償量。

e.唐鋼QP980 成形性較好，適用于強(qiáng)度要求較高、形狀較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，DP980 的翻邊、擴(kuò)孔性能較好，適用于以彎曲變形為主的高強(qiáng)鋼梁類件。