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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-08-21 12:07
摘 要：針對不同成分高強(qiáng)雙相鋼HC420/780 DPD+Z開展了性能對比分析。首先，在常規(guī)C-Si-Mn化學(xué)成分體系的基礎(chǔ)上，通過增加微合金元素或改變原有化學(xué)成分含量形成了3種同強(qiáng)度級別的材料，對3種材料的金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行了對比分析；基于液壓成形試驗(yàn)機(jī)對3種材料的成形極限曲線進(jìn)行了對比，并與3種理論預(yù)測模型進(jìn)行了對比；對3種材料的擴(kuò)孔性能和折彎性能進(jìn)行了對比；基于AutoForm搭建了某車型縱梁零件成形過程仿真模型，分析了3種材料的應(yīng)變分布；通過折彎性能驗(yàn)證材料是否滿足縱梁的成形需求。結(jié)果表明，對于增加微合金元素的材料，其組織得到明顯細(xì)化，馬氏體呈現(xiàn)出彌散細(xì)小的狀態(tài)，材料的拉延能力增強(qiáng)；對于高碳含量的材料，其C和Cr元素的含量提高，Si元素含量降低，有明顯的帶狀馬氏體組織，晶粒尺寸增大，材料的塑性應(yīng)變比r值增大；根據(jù)成形極限曲線可知，微合金成分材料的平面主應(yīng)變最大，約為0.175，擴(kuò)孔率最高，達(dá)到26.2%，90°折彎極限圓角半徑優(yōu)于其他兩種材料，應(yīng)用縱梁零件的開裂風(fēng)險(xiǎn)最?。桓咛己坎牧系钠矫嬷鲬?yīng)變最小，約為0.133；常規(guī)成分材料的擴(kuò)孔率最低，僅為13.0%，折彎性能也最差；微合金元素材料具有良好的拉延和彎曲綜合成形性能，而高碳含量可以明顯提升材料的折彎和擴(kuò)孔性能。
關(guān)鍵詞：化學(xué)成分；高強(qiáng)度雙相鋼；成形性能；成形極限曲線；擴(kuò)孔率
引言
高強(qiáng)雙相鋼是一種被廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)安全件上的材料，此類材料的基體組織以鐵素體和馬氏體為主，鐵素體作為軟相，可以使材料具有良好的延展性和斷后伸長率，而馬氏體又可以使材料具有較高的強(qiáng)度。此類材料整體表現(xiàn)出低屈強(qiáng)比、高加工硬化性能等特點(diǎn)，并且無室溫時(shí)效特性，因而被廣泛應(yīng)用于汽車白車身，如汽車縱梁和B柱內(nèi)板等[1]。高強(qiáng)雙相鋼最常采用的化學(xué)成分體系為C-Si-Mn，為了適應(yīng)不同造型零件的成形需求，各材料供應(yīng)商通過添加不同的微合金成分(如Nb、Ti和Mo等)，同時(shí)配合調(diào)控C、Si和Mn等成分的含量，保證材料在達(dá)到原有強(qiáng)度級別的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同的成形性能，如高伸長率、良好折彎性能及高擴(kuò)孔率等性能。通過研究不同化學(xué)成分對材料成形性能的影響，為材料研發(fā)和零件選材設(shè)計(jì)提供參考。
學(xué)者們對合金成分和工藝過程等對高強(qiáng)鋼材料的性能影響開展了一系列的研究，游建豪等[2]研究了Nb合金化對22MnB5熱成形鋼焊接性能的影響，發(fā)現(xiàn)Nb合金化可有效細(xì)化焊點(diǎn)區(qū)域的晶粒，降低拉伸載荷峰值，但不會(huì)改變失效模式和組織類型；申強(qiáng)等[3]研究了不同Ti含量對低合金高強(qiáng)鋼組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯增加，基體組織的晶粒度變??；熊維亮等[4]研究了合金含量降低后，控冷工藝對組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)弛豫時(shí)間減少和卷取溫度降低時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度增加，斷后伸長率降低；鄭笑芳等[5]研究了退火工藝對780 MPa級微合金化雙相鋼擴(kuò)孔性能的影響，發(fā)現(xiàn)快冷溫度、加熱溫度、過時(shí)效溫度和緩冷溫度對擴(kuò)孔率的影響依次減弱，貝氏體含量對擴(kuò)孔率的影響最大；張金城等[6]分析了冷卻速度對Ti-Mo-Nb復(fù)合微合金化低碳鋼組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)降低冷卻速度可在提升材料強(qiáng)度的同時(shí)改善成形性能；賀孟強(qiáng)等[7]對奧氏體化溫度和保溫時(shí)間對高強(qiáng)鋼回彈特性的影響開展研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，奧氏體化溫度和保溫時(shí)間通過影響馬氏體相變從而影響回彈，回彈隨著相轉(zhuǎn)變程度的增大而增大；馮毅等[8]研究發(fā)現(xiàn)，含 Nb 雙相鋼板具有更加優(yōu)異的成形性能，通過細(xì)化鋼板組織進(jìn)而促進(jìn)成形過程中基體中的應(yīng)力分布均勻化、增強(qiáng)裂紋擴(kuò)展阻力、強(qiáng)化纖維織構(gòu)，起到了抑制成形缺陷萌生及發(fā)展的作用。對上述研究成果分析發(fā)現(xiàn)，通過增加微量元素和工藝調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對材料基體組織的調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)對力學(xué)性能和成形性能的優(yōu)化，這里的研究重點(diǎn)是如何通過調(diào)整材料的化學(xué)成分，在滿足材料強(qiáng)度保持不變的前提下，提升材料的整體成形和局部成形性能。
本文針對車身最常用的HC420/780DPD+Z高強(qiáng)雙相鋼開展研究，在現(xiàn)有C-Si-Mn化學(xué)成分體系的基礎(chǔ)上，通過增加微合金元素和改變原有化學(xué)成分含量實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控，獲取3種化學(xué)成分的材料。對3種材料的金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行對比分析；基于液壓成形試驗(yàn)機(jī)對3種材料的成形極限曲線進(jìn)行對比，并與3種理論預(yù)測模型進(jìn)行對比；對3種材料的擴(kuò)孔性能進(jìn)行對比測試；基于AutoForm搭建某車型縱梁的零件成形過程仿真模型，分析3種材料的應(yīng)變分布；對3種材料的折彎性能進(jìn)行對比，以驗(yàn)證材料是否滿足縱梁的成形需求；通過以上分析，獲取化學(xué)成分變化對材料成形性能的影響。
1、試驗(yàn)材料及方法
HC420/780 DPD+Z是最常用的高強(qiáng)雙相鋼材料之一，被廣泛應(yīng)用于車身梁類零件，選取3種成分的材料開展分析，表1所示為3種材料的主要化學(xué)成分對比。
表1 材料的化學(xué)成分(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))
Tab.1 Chemical component of materials(%，mass fraction)
通過表1可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)成分材料為常規(guī)的C-Si-Mn成分體系，其他微合金元素含量較低，相對于常規(guī)成分材料，高碳含量材料中的C和Cr含量增加，Si含量降低；而微合金成分在常規(guī)成分的基礎(chǔ)上降低了Si的含量，同時(shí)提高了Cr的含量，增加了微合金元素Mo、Nb和Ti等的含量。
對3種不同成分材料的力學(xué)性能進(jìn)行對比，根據(jù)國標(biāo)GB/T 228.1—2021[9]，均選用1.2 mm厚度的材料加工A80拉伸試樣，采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)獲取每種材料3個(gè)方向的力學(xué)性能。
成形極限曲線(Forming Limit Curves，F(xiàn)LC)是材料成形能力的重要體現(xiàn)，表現(xiàn)為材料在不同的成形方式下抵抗頸縮和破裂的能力[10]。將零件成形過程中應(yīng)變分布與FLC曲線組合，用于判斷零件各個(gè)位置的變形情況，即構(gòu)成了成形極限圖(Forming Limit Diagrams，F(xiàn)LD)。
根據(jù)國標(biāo)GB/T 15825.8—2008[11]，基于Zwick/Roll BUP液壓成形試驗(yàn)機(jī)對3種材料的FLC進(jìn)行測試，利用線切割加工測試試樣，這里統(tǒng)一采用矩形試樣，所有試樣的長度均為180 mm，而試樣的寬度范圍為20～180 mm，相鄰尺寸寬度的間隔為20 mm；采用酒精對試樣表面進(jìn)行清洗，并在其表面均勻的噴涂黑白散斑。測試過程中，利用液壓成形試驗(yàn)機(jī)和GOM在線應(yīng)變測試系統(tǒng)對每個(gè)試樣的變形過程進(jìn)行測試，測試試樣如圖1所示。
圖1 測試試樣
Fig.1 Test samples
利用GOM在線應(yīng)變測試系統(tǒng)，獲取開始時(shí)刻至試樣破裂前塑性應(yīng)變達(dá)到最大時(shí)的圖像，如圖2所示。由圖中結(jié)果可知，開裂位置符合標(biāo)準(zhǔn)要求，在試樣的中間區(qū)域，由圖中斷裂前應(yīng)變可知試樣的最大應(yīng)變?yōu)?.508。
圖2 試樣破裂前的應(yīng)變分布
Fig.2 Strain distribution of sample before fracture
根據(jù)國標(biāo)GB/T 15825.4—2008[12]，對材料的擴(kuò)孔率進(jìn)行測量，擴(kuò)孔率λ的計(jì)算公式為：
(1)式中：dt為孔破斷時(shí)的孔徑(mm)；d0為初始孔徑(mm)。
擴(kuò)孔試驗(yàn)采用Zwick/Roll BUP液壓成形試驗(yàn)機(jī)開展，采用100 mm×100 mm的方形試樣，在中心位置預(yù)制Φ10 mm直徑的圓孔。擴(kuò)孔測試前，將試樣的圓孔撕裂帶位于靠近凸模的一側(cè)；擴(kuò)孔測試時(shí)，當(dāng)中心孔的邊緣位置出現(xiàn)第1條貫穿裂紋時(shí)即停止試驗(yàn)；每種材料重復(fù)測試5次，每個(gè)試樣選取3個(gè)不同位置測量開裂后孔徑尺寸，如圖3所示。
圖3 擴(kuò)孔試驗(yàn)結(jié)果
Fig.3 Hole expansion test results
根據(jù)成形性綜合評價(jià)方法，采用折彎試驗(yàn)進(jìn)行評估[13]。針對3種材料分別進(jìn)行90°折彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和表2所示。
圖4 折彎試驗(yàn)結(jié)果
Fig.4 Bending test results
表2 3種材料折彎試驗(yàn)結(jié)果
Tab.2 Bending test results of three kinds of materials
2、分析與討論
2.1 材料組織
利用掃描電鏡對3種成分材料的金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，常規(guī)成分體系材料的組織為常見的鐵素體和馬氏體組織，其中馬氏體呈島狀分布。由于微合金成分中增加了微合金元素，基體組織與常規(guī)成分和高碳成分的組織相比得到明顯細(xì)化，條帶狀的馬氏體組織得到明顯改善，呈現(xiàn)出彌散細(xì)小的狀態(tài)，分布在鐵素體的基體上；而在高碳成分的基體組織中，呈某一方向分布著很明顯的帶狀馬氏體組織，晶粒尺寸明顯大于微合金成分和常規(guī)成分。
圖5 不同材料的金相組織
(a)微合金成分 (b)常規(guī)成分 (c)高碳成分
Fig.5 Metallographic structure of different materials
(a)Microalloy component (b)Conventional component (c)High carbon component
2.2 材料力學(xué)性能
不同材料的力學(xué)性能如表3所示，其中，0°為材料的軋制方向，90°為垂直于軋制的方向，45°為與軋制方向成45°夾角方向。由表中結(jié)果可知，3種材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足HC420/780DPD+Z的強(qiáng)度要求，常規(guī)成分的屈強(qiáng)比最大，達(dá)到了0.606，而微合金成分的屈強(qiáng)比最低，為0.564，微合金成分的斷后伸長率最大，達(dá)到22.5%，同時(shí)應(yīng)變硬化指數(shù)n值也最大，為0.219，表明材料的拉延能力優(yōu)于常規(guī)成分和高碳成分，材料的沖壓性能更好。高碳成分的應(yīng)變硬化指數(shù)大于常規(guī)成分，但斷后伸長率明顯小于常規(guī)成分。對比3種材料的塑性應(yīng)變比r值，高碳成分的r值最大，為1.363，而微合金成分的r值則最小，僅為1.103。
表3 3種材料力學(xué)性能對比
Tab.3 Comparison of mechanical properties of three kinds of materials
2.3 成形極限曲線對比
根據(jù)成形極限測試結(jié)果進(jìn)行圖像處理，獲取不同尺寸試樣的主應(yīng)變和次應(yīng)變測試結(jié)果，擬合獲得3種材料的成形極限曲線，如圖6所示。由圖可知，HC420/780DPD+Z材料的成形極限曲線與斷后伸長率呈正相關(guān)，對比3種材料的FLC可以發(fā)現(xiàn)，隨著斷后伸長率的增加，成形極限的平面主應(yīng)變逐漸增大，微合金成分的斷后伸長率最大，對應(yīng)的平面主應(yīng)變最大，約為0.175，高碳成分的斷后伸長率最低，對應(yīng)的平面主應(yīng)變約為0.133。
圖6 3種材料的成形極限曲線
Fig.6 Forming limit curves of three kinds of materials
材料成形極限曲線通常應(yīng)用于仿真分析軟件[14-15]，其中嵌入了曲線預(yù)測模型，經(jīng)典模型如Keeler模型、Arcelor V9模型及Tata steel 模型等，根據(jù)力學(xué)性能測試結(jié)果制作仿真用材料卡片，并輸出經(jīng)典模型預(yù)測的成形極限曲線，如圖7所示。對比圖中結(jié)果可知，對于所研究的3種材料，Keeler模型預(yù)測的成形極限最高，預(yù)測結(jié)果整體偏大，且預(yù)測精度較低，Arcelor V9模型及Tata steel模型預(yù)測的整體幅值相差不大，且與試驗(yàn)值貼合度較高，尤其在平面點(diǎn)及雙向拉伸區(qū)域，兩種模型的預(yù)測精度較高，且Tata steel模型在數(shù)值上更靠近試驗(yàn)結(jié)果。在單向拉伸區(qū)域的預(yù)測精度二者有著明顯的區(qū)別，Tata steel模型預(yù)測結(jié)果更靠近主應(yīng)變軸，同時(shí)預(yù)測精度也稍高于Arcelor V9模型。綜上可知，對于所研究材料而言，雙向區(qū)的成形極限可選用Arcelor V9模型或者Tata steel模型進(jìn)行預(yù)測，而平面區(qū)及單拉區(qū)的成形極限可選用Tata steel模型進(jìn)行預(yù)測。
圖7 成形極限理論預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比
(a)微合金成分 (b)常規(guī)成分 (c)高碳成分
Fig.7 Comparison between theoretical prediction results and experiment results of FLC
(a)Microalloy component (b)Conventional component (c)High carbon component
2.4 擴(kuò)孔性能對比
3次測試的平均值即為該試樣的最終結(jié)果，利用式(1)獲得各試樣的擴(kuò)孔率，結(jié)果如表4所示。由表中擴(kuò)孔率對比結(jié)果可知，由于3種材料的成分體系存在明顯的差異，材料的擴(kuò)孔性能也出現(xiàn)了明顯的區(qū)別。微合金成分的擴(kuò)孔率最高，達(dá)到了26.2%，常規(guī)成分的擴(kuò)孔率最低，僅為13.0%，究其原因與材料本身的微觀組織存在一定的關(guān)系，由于微合金元素的加入，微合金成分的組織較為細(xì)小且均勻，而其他兩種材料的組織則相對粗大且相對不均勻。
表4 3種材料擴(kuò)孔率對比
Tab.4 Comparison of hole expansion rate of three kinds of materials
2.5 基于縱梁零件成形分析對比
某車型縱梁零件采用HC420/780DPD+Z材料，為典型拉延工藝成形零件，基于AutoForm軟件針對該零件成形過程建立仿真模型，如圖8所示。設(shè)置初始壓邊力、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、r值及成形極限曲線等[16]，應(yīng)變分布結(jié)果和該零件的成形極限圖如圖9所示。由圖可知，由于所研究縱梁零件的結(jié)構(gòu)相對簡單，局部無凸起和較大的脹形等特征，3種材料均滿足拉延工序的要求，未出現(xiàn)明顯的開裂狀況，材料整體的安全裕度比較高；但部分材料在折彎部位出現(xiàn)了較大的損傷值(圖9a中圓圈區(qū)域)，開裂風(fēng)險(xiǎn)加大(圖9c和圖9d)，常規(guī)成分的折彎區(qū)域安全裕度最低。根據(jù)零件特征可知，該處為明顯的折彎特征，由測試結(jié)果可知，微合金成分和高碳成分的極限折彎圓角半徑達(dá)到2.5 mm，常規(guī)成分為3.0 mm。根據(jù)零件數(shù)?？芍摿慵恼蹚潏A角設(shè)計(jì)為3 mm，但實(shí)際零件極限彎曲半徑只有約2.3 mm，如圖10所示。
圖8 縱梁拉延工藝建模
Fig.8 Longitudinal beam drawing process modeling
圖9 零件成形極限圖
(a)微合金成分 (b)常規(guī)成分 (c)高碳成分
Fig.9 Forming limit diagrams of parts
(a)Microalloy component (b)Conventional component (c)High carbon component
圖10 實(shí)際掃描圓角
Fig.10 Actual scanning fillet
因此，對比3種材料的折彎測試結(jié)果可知，常規(guī)成分成形該零件具有一定風(fēng)險(xiǎn)，高碳成分接近臨界折彎性能，而微合金成分的成形安全裕度最高。
綜上，相較于原始的材料成分，微合金成分材料具有良好的拉延和彎曲綜合成形性能；而高碳成分材料則對材料的折彎和擴(kuò)孔具有明顯的提升。微合金成分材料中加入了一定量的微合金成分，使得材料的成本提升，而高碳成分材料則未明顯提升。因此，可以根據(jù)實(shí)際零件的成形需求進(jìn)行有針對性的性能提升優(yōu)化研究。
3、結(jié)論
(1)微合金成分在常規(guī)C-Si-Mn化學(xué)成分體系的基礎(chǔ)上，增加了微合金元素Mo、Nb和Ti，組織得到明顯細(xì)化，馬氏體呈現(xiàn)出彌散細(xì)小狀態(tài)；高碳成分在常規(guī)成分基礎(chǔ)上提高了C和Cr的含量，降低了Si含量，分布有明顯的帶狀馬氏體組織，晶粒尺寸增大。
(2)微合金成分的斷后伸長率最大，達(dá)到22.5%，同時(shí)應(yīng)變硬化指數(shù)n值也最大，為0.219，表明材料的拉延能力增強(qiáng)；高碳成分的應(yīng)變硬化指數(shù)大于常規(guī)成分，但斷后伸長率明顯小于常規(guī)成分，而塑性應(yīng)變比r值最大，局部成形性能得到一定提升。
(3)隨著斷后伸長率的增加，成形極限的平面主應(yīng)變逐漸增大，微合金成分的斷后伸長率最大，對應(yīng)的平面主應(yīng)變最大，約為0.175，高碳成分的斷后伸長率最低，對應(yīng)的平面主應(yīng)變約為0.133。
(4)3種材料的擴(kuò)孔性能出現(xiàn)明顯的區(qū)別，微合金成分的擴(kuò)孔率最高，達(dá)到26.2%，常規(guī)成分的擴(kuò)孔率最低，僅為13.0%；微合金成分的90°折彎極限圓角半徑優(yōu)于其他兩種材料，應(yīng)用于縱梁零件的開裂風(fēng)險(xiǎn)最小。
(5)相較于原始的材料成分，微合金成分具有良好的拉延和彎曲綜合成形性能，而高碳成分則對材料的折彎和擴(kuò)孔具有明顯的提升；因此，可以根據(jù)實(shí)際零件的成形需求，有針對性地開展性能提升優(yōu)化。
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來源：《塑性工程學(xué)報(bào)》 ；作者： 張 偉1，劉華賽1，桑 賀1，李春光1，陳洪生2，何 朗1，邱木生1
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