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汽车用双相钢板成形性能及应变路径影响规律研究 摘要 能源危机、环境污染与低碳减排等对交通工具的轻量化提出了迫切要求， 近年来，汽车用钢板逐渐向高强度化的方向发展。研究证明，当钢板厚度降低 0 1 m m 时，车身减重达1 2 ，由此可见板材高强化对汽车轻量化的重要意义。 在已经开发的先进高强度钢板( a h s s ) 系列化产品中，先进高强度双相( d p ) 钢的综合成形性能优良，在汽车结构中应用面最宽，能够在维持整车强度的同 时有效降低车重。但由于其化学成分及组织结构的差异，双相钢的力学性能与 传统高强钢板差异很大。因此，双相钢冲压成形性能不同于普通高强钢板，并 且传统成形工艺成形双相钢零件更容易出现成形质量问题。 为解决上述问题，本文通过物理实验与数值模拟结合的方式，分别对双相 钢d p 6 0 0 、低合金高强钢h 3 4 0 l a 进行了拉伸试验、模拟杯突试验、自由折弯 试验，分析了双相钢板与传统低合金高强钢板基本力学性能、胀形性能、回弹 等方面的性能差异，并建立了两种材料的本构关系，验证了数值模拟对材料冲 压成形过程应变路径反映的准确度。 从板料冲压成形应变路径入手，通过数值模拟首先对部分典型汽车覆盖件 冲压成形过程中常见应变路径进行了提取、分类，分析了汽车覆盖件中所包含 的型面特征，总结了不同型面特征所对应的应变路径规律，并依此设计了能反 映常见的单拉、双拉、拉压、平面、双线性应变路径的特征冲压件。 以所设计特征件为研究对象，对不同材料及工艺参数条件下特征件的冲压 成形过程进行数值模拟，利用正交回归试验研究了工艺参数对其成形应变路径 的影响权重，讨论了各敏感因素对两种材料危险区域应变路径的影响规律，得 出了通过控制应变路径来提高双相钢板冲压成形质量的方法。通过对不同磨损 状态下的双相钢特征件进行冲压成形数值模拟，研究了模具磨损对双相钢冲压 成形过程中应变路径及成形安全裕度的影响规律。 本文提出了利用控制工艺参数来改变应变路径达到控制成形质量的一种思 路，并验证了方法的可行性，对双相钢的推广和应用具有重要意义。 关键词：双相钢，应变路径，冲压成形，成形性能 r e s e a r c ho nt h ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i co fd u a l - p h a s e s t e e lf o ra u t o m o b i l ea n di t se f f e c to i ls t r a i np a t h a b s t r a c t e n e r g yc r i s i s ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dl o w c a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o nh a v eu r g e n t r e q u i r e m e n t so nv e h i c l el i g h t w e i g h t r e c e n t l y ，s t e e ls h e e tf o ra u t o m o b i l eh a sg r a d u a l l y d e v e l o p e dt ot h ed i r e c t i o no fh i g hs t r e n g t h a c c o r d i n gt ot h es t u d y , t h ea u t o m o b i l eb o d y m a s sw i l ld e c r e a s eb y12 w h e nt h es t e e ls h e e tt h i c k n e s sr e d u c eb y0 1m m t h i ss h o w s t h a ts t e e ls h e e t 谢t 1 11 1 i g hs t r e n g t hi so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oa u t o m o b i l el i g h t w e i g h t i nas e r i e so fd e v e l o p e da d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e l s ( a h s s ) ，a d v a n c e dh i g hs t r e n g t h d ps t e e li sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l es t r u c t u r eb e c a u s eo fi t sg o o dc o m p r e h e n s i v ef o r m i n g c h a r a c t e r i s t i c d u a l p h a s es t e e lh a sp e r f e c tc o m p r e h e n s i v ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c ，a n d d e c r e a s e st h em a s so fa u t o m o b i l eb o d ye f f e c t i v e l yw h i l em a i n t a i n i n gt h es t r e n g t h h o w e v e r , d u et ot h ed i f f e r e n c e so fc h e m i c a lc o n s t i t u e n ta n dm i c r o s t r u c t u r e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dt h e s t a m p i n gp e r f o r m a n c e o fd u a l - p h a s es t e e la r e g r e a t l y d i f f e r e n tf r o mt h e c o n v e n t i o n a lh i g hs t r e n g t hs t e e l t h e r e f o r e ，d u a l - p h a s es t e e li sp r o n et os o m ef o r m i n g q u a l i t i e sp r o b l e m sb yt r a d i t i o n a lf o r m i n gp r o c e s s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，f i r s to fa l l ，s o m ep h y s i c se x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s ，s u c ha st e n s i l et e s t ，s i m u l a t i o nc u p p i n gt e s ta n df r e eb e n d i n gt e s t ，w e r eu s e do n d u a l - p h a s e s t e e ld p 6 0 0a n dh i g h s t r e n g t hl o wa l l o ys t e e l t h e d i f f e r e n c e so fb a s i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，b u l g i n gp e r f o r m a n c ea n dr e s i l i e n c eb e t w e e nd u a l p h a s es t e e ls h e e t a n dc o n v e n t i o n a lh i g hs t r e n g t hl o wa l l o ys t e e ls h e e tw e r ea n a l y z e d t h e n ，t h ec o n s t i t u t i v e r e l a t i o n so ft h et w om a t e r i a l sa r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ea c c u r a t er e f l e c t i o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt ot h es t r a i np a t ho fs t a m p i n gp r o c e s sw a sv e r i f i e d f o c u so ns t r a i np a t ho fs t a m p i n gp r o c e s s ，s o m ec o m m o ns t r a i np a t h sw e r ec l a s s i f i e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n a l y z e dt h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a n e l s ，a n dt h el a wo f t h ed i f f e r e n ts u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sc o r r e s p o n d i n gt ot h es t r a i np a t hw e r es u m m e du p t h e s t a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s w h i c hc o u l dr e f l e c tt h ec o m m o ns t a i np a t h si n c l u d i n g s i n g l e d r a w i n gs t a i np a t h ，d o u b l ed r a w i n gs t a i np a t h ，p l a n es t a i np a t ha n db i l i n e a rs t a i np a t hw e r e d e s i g n e d a u t h o rc a r r i e do u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t a m p i n gp r o c e s su n d e rt h e c o n d i t i o n so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ee f f e c t so fm a t e r i a l sa n d p r o c e s sp a r a m e t e r so ns t r a i np a t hw e r es t u d i e db yr e g r e s s i o no r t h o g o n a lt e s t ，a n dt h e s e n s i t i v ef a c t o r so fs t r a i np a t hc h a n g e sw e r ed i s c u s s e d ，t h ew a yo fi m p r o v i n gt h es t a m p i n g q u a l i t yo fd u a l p h a s es t e e ls h e e tb yc o n t r o l l i n gt h e s t r a i np a t hw a so b t a i n e df i n a l l y b y s i m u l a t i n gt w o p h a s es t e e ls t a m p i n gf o r m i n gp r o c e s so f t h ed i f f e r e n tw e a rs t a t e ，t h e e f f e c t so fw e a rs t a t eo nt w o p h a s es t e e ls t a m p i n gf o r m i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d t h ep a p e rp r e s e n t e da ni d e ao fc h a n g i n gt h es t r a i np a t ht oc o n t r o lt h ef o r m i n gq u a l i t y b yc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h em e t h o d t h i s r e s e a r c hh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ed u a l - p h a s e s t e e l k e y w o r d s ：d u a l - p h a s es t e e l ；s t r a i np a t h ；s t a m p i n g ；f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c ； 致谢 值此论文完成之际，首先对我敬爱的导师李萍教授表示衷心的感谢! 导师 严谨的治学态度、渊博的专业知识和执着的科研精神深深的激励和启迪了我； 导师追求真理、献身科学和宽以待人的崇高品质也时刻教育和鞭策着我。研究 生期间，不论课程学习、实验操作、论文写作，导师都倾注了大量心血予以指 导。在此，谨向导师致以崇高的敬意和诚挚的祝福。 同时，衷心感谢薛克敏教授在课题进展上给予我的悉心指导，并提出了很 多很好的建议。 在这里还要感谢同课题组唐勇师兄、曹婷婷师姐、张倩倩师姐、王晓溪师 姐提供的无私帮助，他们的热心指导和帮助大大促进了我的课题完成，以及同 年级的张翔、张超、姜华海、李晓冬、钱陈豪、徐迎强、周结魁、刘为、江政， 各位同学们相互关心相互支持，为研究生学习阶段留下了诸多难忘的回忆，也 要特别感谢陈龙、王雪、惠文、黄璞等师弟师妹给予的支持和理解。感谢我的 朋友，在多年的共同生活和学习中，你们给予手足之情让我难忘。 最后，把最真挚的感谢献给我的父母和家人，父母的谆谆教诲和言传身教 教会了我怎样为人。养育之恩铭记在心! 深深地感谢所有关心和帮助我的老师、亲人和朋友! 作者：徐珂 2 0 1 2 年2 月2 9 日 插图清单 图1 1u l s a b a v c 车体结构用钢种类示意图2 图1 2 各种高强度钢的使用比例2 图2 1 冲压性能试验方法9 图2 2d p 6 0 0 拉伸试样1 3 图2 。3d p 6 0 0 应力应变曲线1 4 图2 - 4h 3 4 0 l a 应力应变曲线1 4 图2 5 瞬时n 值对比15 图2 - 6 杯突试验装置各部分尺寸1 5 图2 7 杯突试验有限元模型15 图2 8 杯突试验零件网格1 6 图2 - 9 杯突试验成形极限图1 6 图2 - 1 0v 形自由弯曲模具工装1 7 图2 1 1 冲头几何尺寸1 7 图2 1 2v 形自由弯曲试样1 7 图2 1 3 折弯有限元模型1 8 图2 1 4 折弯后结果示意图1 8 图2 1 5 回弹限制点选取示意1 8 图2 1 6v 型自由弯曲回弹结果1 9 图3 1 各零件成形极限图及危险区域应变路径2 0 图3 2 盒形件模型2 9 图3 3 拉延筋布置及参数3 0 图3 4d p 6 0 0 成形极限图3 0 图3 5h 3 4 0 l a 成形极限图3 0 图4 1 危险区域特征点应变路径3 5 图4 2 压边力对凸模圆角( 2 7 0 1 9 单元) 应变路径影响4 0 图4 3 摩擦系数对内凹区域( 3 5 4 5 0 单元) 应变路径影响一4 2 图5 1 成形裕度计算方法示意图一4 4 图5 2 零件原始成形极限图4 5 图5 3 特征点应变状态4 5 图5 4 三种磨损状态零件成形极限图4 5 图5 5 三种磨损状态特征点应变状态一4 6 图5 - 6 三种磨损状态特征点应变路径一4 7 表格清单 表2 1 成形性能与成形试验、性能指标对应关系表1 0 表2 2 材料力学性能参数1 4 表2 3 杯突如值模拟结果1 6 表2 4 两种材料试验与模拟回弹结果对比1 8 表3 1 应变路径零件几何特征对应关系一2 1 表3 2 汽车覆盖件特征元素分类及变形特点2 3 表4 1l 9 ( 3 3 ) 正交表3 2 表4 2 编码变换后正交表3 3 表4 3d p 6 0 0 正交试验因素水平表3 4 表4 4d p 6 0 0 正交表l 9 ( 3 3 ) 3 5 表4 - 5a 区2 7 0 1 9 单元回归分析表3 6 表4 - 6a 区2 7 0 1 9 单元回归分析相关性分析3 6 表4 - 7b 区3 5 4 5 0 单元回归分析表3 6 表4 8a 区2 7 0 1 9 单元回归分析相关性分析3 7 表4 - 9h 3 4 0 l a 正交试验因素水平表3 7 表4 - 1 0h 3 4 0 l a 正交表l 9 ( 3 ) 3 8 表4 - 1 1h 3 4 0 l a 材料2 7 0 1 9 单元回归分析表3 8 表4 1 2h 3 4 0 l a 材料2 7 0 1 9 单元回归分析相关性分析3 8 表4 13h 3 4 0 l a 材料3 5 4 5 0 单元回归分析表3 9 表4 1 4h 3 4 0 l a 材料3 5 4 5 0 单元回归分析相关性分析3 9 表4 - 1 5 压边力对凸模圆角( 2 7 0 1 9 单元) 应变路径影响4 0 表4 1 6 摩擦系数对d p 6 0 0 内凹区域( 3 5 4 5 0 单元) 应变路径影响4 1 表5 1 圆角磨损状态4 4 表5 2 三种磨损状态特征点成形安全裕度4 6 表5 3 三种磨损状态特征点应变曲线夹角4 7 第一章绪论 1 1课题的背景及意义 能源危机、环境污染与低碳减排等对交通工具的轻量化提出了迫切要求， 这些已成为人类共同面临的严峻问题。能源所面临的突出问题决定了环保、节 能型交通工具将是未来交通运输业的发展趋势，而轻量化则是达到节能、环保 的重要途径，研究表明，汽车重量每减轻1 0 ，可节省燃油3 - 7 【l j 。 在提高汽车轻量化的同时必须也要满足乘车人员的安全性，这就需要汽车 用钢板具有高的强度、高的塑性及良好的焊接性能等，所以高塑性和低屈强比 的高强度钢板是必然的选择。虽然，汽车轻量化过程中可以采用比重小的铝合 金、塑料以及纤维复合材料，但研究证明这些材料和高强度钢板相比，不仅制 造过程能耗多，工艺复杂，而且生产成本高，根据我国及美国有关部门进行的 德尔菲预测，汽车工业近期仍将以钢材为主【2 j 。 目前，高强度钢板将发展为最主要的汽车用板材已经成为全球共识。正如 n i t t o 等人指出：“现在可以毫不夸张的说，如何利用高强度钢板已成为影响汽 车制造全局的关键问题，【引。发达国家汽车制造中使用高强度钢板的数量已经 达到车身钢板总量的3 0 ，使用的高强度钢板已形成不同强度级别的品种系列 3 - 7 1 。在国际钢铁协会组织的全世界3 4 家钢铁公司和相关汽车行业的轻量化项 目u l s a b a v c ( u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t ) 推出的 新概念车型中，高强钢板用量已达整车板材用量的9 0 以上，先进高强钢板 ( a h s s ) 在整个车身用材的比例将超过6 0 ，其中包括：双相钢( d p ) 、相变诱导 塑性钢( t r i p ) 、复相钢( c p ) 、低碳马氏体钢( m a i 汀) 等【黔1 1 】。以通用汽车、福特 汽车和克莱斯勒汽车三大汽车厂商为代表的美国汽车用高强钢板也出现同样的 使用、发展趋势，现在车身制造中大量采用的软钢系列将逐渐被性能优异的高 强度钢板系列所替代，而已有的高强低合金钢板将逐渐被双相钢以及部分超高 强度钢板所替代。因此，对先进高强度钢板( a d v a n c e dh i g hs t r e n g t h s t e e l s a h s s ) 的开发与应用已引起国内外各企业的充分重视【1 2 - l5 1 。 在已经开发的先进高强度钢板( a h s s ) 系列化产品中，先进高强度d p 钢在 汽车结构中的应用面最宽。在u l s a b a v c 项目中，各种高强度钢的用量如图 l 所示，高强度钢板使用的部位如图2 所示，图中可以看出d p 钢所占比重最大， 高达7 4 ，应用范围也最为广泛p 。j 。双相钢属于低合金钢，其组织特征为良好 塑性的低强度铁素体基体上分布着作为少量强化相的1 5 - - 一3 0 马氏体或贝氏 体，屈服强度低、初始加工强化率高，具有连续屈服、较好的强度一塑性组合、 大的延伸率等优点。d p 钢的低屈服强度特点使双相钢冲压件易于成形，模具磨 损小；无屈服延伸，能避免成形起皱；高抗拉强度可使结构件具有较高的抗压 溃力、撞击能量吸收能力和疲劳强度；其应力应变曲线的最大载荷附近有平坦 区，且覆盖了较宽的应变范围，使成形时的应力集中易于扩散，由于d p 钢具 有优良的综合力学性能，因此被美国、日本、德国等国家的汽车制造业广泛采 用【1 6 - 2 0 。d p 薄钢板且强度级别低钢板主要用于车盖板、车身外部面板、门外 部面板、行李盖板、车顶内板等，以用来改善零件冲压成形性和其压痕抗力； 强度级别高钢板用于保险杠加强体、撞击横梁、车轮的轮辐以及轮盘，以用来 减轻汽车重量并降低车内噪声，可见d p 钢在汽车制造业及其它方面有广泛的 应用前景【2 1 _ 30 1 。 ”一 图1 1u l s a b a v c 车体结构用钢种类示意图图1 2 各种高强度钢的使用比例 相比之下，我国汽车车身高强度钢板所占比例明显不足，仅为8 1 0 左右。 随着车型的不断更新换代，车身制造要求不断提高以及国内汽车燃油价格的逐 渐攀升，国内汽车用高强度钢板的需求将会越来越强烈。尤其是综合成形性能 优异的先进高强度d p 钢板，正逐步得到越来越广泛的应用。目前，国内高强 度钢板品种开发取得了快速进步，d p 钢等先进高强钢板日趋系列化。但是，与 国外先进钢厂相比，国内先进高强度钢板的推广明显缓慢，这既与国内市场需 求较小、市场推广起步较晚有关，也与国内钢铁企业不能提供较为系统、详尽 的高强度钢板成形特性和质量控制指南有关，成形特性以及质量控制指南的缺 失致使汽车制造厂商在高强度钢板的使用上有所顾虑。江淮汽车、奇瑞汽车等 汽车厂都有强烈的推广应用6 0 0 m p a 以上高强度钢板的意愿，但正是由于高强 度钢板冲压模具的开发及冲压工艺的制定方面经验缺乏，只能尝试性的在部分 零件上应用 3 1 - 3 3 。因此，协助汽车生产厂家制定合理的高强度钢板模具、工艺 设计及成形质量控制的对策已成为亟待解决的重大问题。未来，国内对于高强 度双相钢板的研究及应用力度将越来越大。 本课题旨在深入研究先进高强度d p 钢成形特性，包含基本力学性能、胀 形性能、折弯回弹性能等，对比分析d p 钢与传统高强钢成形性能差异。在此 基础上系统的建立复杂零件，特别是复杂高强度钢板覆盖件变形趋向和关键因 素影响规律，研究基于应变路径的高强度钢板覆盖件成形质量控制技术，对于 先进高强度钢板的生产、推广及应用具有重大的意义。 1 2双相钢板的简介及研究现状 双相钢( d p 钢) 在1 9 6 8 年便已经出现。它是有由低碳钢和低碳合金钢经临 界区处理或者控制轧制得到的，主要由马氏体和铁素体组成，因此也称马氏体 双相钢【3 4 - 36 1 。 7 0 年代中期，r a y i m i 和f u r u k a w 比较了含磷钢、s i m n 固溶强化的铝镇静 钢和t i 、n b 微量合金化的沉淀强化钢以及板厚2 m m 的s i m n 冷轧双相钢的拉 伸性能和深拉延成形性。发现在上述几类钢中，双相钢的屈服强度最低，抗拉 强度和延性的结合最佳，成形性最好【l 引。 此后，r a y i m i 和f u r u k a w 对双相钢的微观组织、化学成分以及机械性能进 行系统的研究。研究发现，双相钢纤维组织具有第二相弥散强化、晶界强化、 细化晶粒、残留奥氏体利用及亚晶结构等强韧化手段，而使双相钢的综合成形 性能优良，具体表现在其具有较高的强度同时又具有很好的韧塑性，即意味着双 相钢具有十分优异的强度以及韧性配合。除此之外，双相钢还具有较高的强屈 比( o b o 。) ，较高的延伸率以及相对于其他低合金来说很高的加工硬化指数，而 且成形过程中不存在不连续屈服的现象。这些使其具有了良好的成形加工性能， 尤其是避免了深度拉伸和深冲压加工时的局部颈缩及断裂现象。并且，双相钢 板材顺板面纵向和横向力学性能差异小，即具较小的各向异性，同时具有良好 的抗疲劳性能及抗应力腐蚀性能，高硬度的第二相组织提高了其冲击韧性，至 此，双相钢巨大的潜力被人们所认识，国内外众多机构纷纷对双相钢的生产及 应用展开了深入研究 3 4 - 3 6 j 。 1 9 7 6 年b a i l e y 发表了t m t - 5 5 0 含n 双相钢的研究结果。该钢含n 量比普 通的s a e l 0 10 钢含n 量高4 倍，经热处理后零件的屈服强度与s a e 9 8 0 x 相当， 但其冲压性能和回弹则比s a e 9 8 0 x 好得多，一些较为复杂的零件已用这种双 相钢制造【1 8 , 3 7 - 3 8 】。 由于当时美国尚未采用计算机控制的连续退火生产线，因此，需要寻求经 临界区退火后空冷可得到双相组织的方法，根据这一设想，r a s h i d 研究了含有 微量元素的低碳- 锰双相钢，m o r r o w 及其同事研究了含有少量钼元素的双相钢， 随后美国的詹姆斯拉古林钢公司生产了一组不同强度级别的含钒双相钢【1 引。 1 9 7 8 年，c o l a r e n 和t i t h e r 研制了名为“a r d p ”的新的双相钢，这种双相 钢可以通过控制终轧温度和盘卷前的冷却速度而获得，不需要临界区退火处理 1 1 8 】 o 目前，美国已有两个大型汽车公司( 福特汽车公司、通用汽车公司) ，一些 钢铁公司( 伯利恒钢铁公司、国家钢铁公司、美国钢铁公司、詹姆斯拉古林钢 铁公司) ，和几个著名大学( 加利福尼亚大学、麻省理工学院、匹兹堡大学) 从 事双相钢方面的基础理论及应用方面的研究工作。美国已开发出的 “d u a l - t e n 5 9 0 ”双相钢与高强度低合金钢相比，在屈服强度相同的条件下， 抗拉强度提高约2 0 ，疲劳强度可以提高3 5 ，并且冲击吸收z h l 匕l - , 力增加2 0 。 加州大学的托马斯教授关于双相钢线材、棒材成形以及后续冷加工工序等多个 方面作了大量的研究，并将研究成果用于汽车轮胎钢丝，其表现出的韧性和强 度均能满足应用要求【2 博j 。 日本对双相钢的相关研究以及应用进行了大量的工作，其在双相钢的生产 以及应用方面处于世界领先地位。最初日本生产双相钢基本上多采用在临界区 进行退火的生产方式。在1 9 7 8 年前后，其国内几个较大的钢铁公司建成并且投 产了采用计算机来控制生产轧制的连续退火处理生产线，所采用钢种多为普通 的低碳锰钢或普通低碳钢，经过计算机严格控制的退火处理以及水淬处理后再 对其经行进行回火处理，以用来改善双相钢的延展性并使其组织性能稳定。随 后日本在世界潮流的影响下也逐渐展开了对热轧双相钢的生产及应用研究，但 日本的热轧双相钢以低温卷取为主，大大减少了c r 、m o 、v 等合金元素的加 入量，用其制造的车轮成形性好，构件的疲劳寿命也大幅提高。代表有新日铁 的s a f h ，川崎制铁研发的h h l y ，住友金属的s h x d ，以及日本钢管开发的 n k h a 热轧双相钢。近年来，镀锌双相钢也得到迅速发展，日本j f e 钢铁公司 已经成功开发了强度为7 8 0 m p a 及9 8 0 m p a 高强度级别低合金化热镀锌双相钢 【3 1 - 3 2 ，3 9 1 o 英国钢铁公司以及英国剑桥大学也进行了大量双相钢的性能研究工作， b a l l i g e r 和g l a d m a 研究了某些微量合金元素，如n b 、t i 、v 等分别对热轧双相 钢性能的影响。欧洲的法国、意大利、瑞典等已经试制了热轧和热处理双相钢， 不仅交付于相关汽车厂进行了成形性试验，还对其成形零件进行了构件的疲劳 寿命分析对比试验。意大利的特柯赛德公司用其开发的热轧双相钢板制成菲亚 特1 3 1 汽车轮毂，用热处理双相钢制成a i f a 汽车加强体构件和汽车挡风板， 其车轮疲软分析试验报告表明，热轧双相钢板的疲劳寿命通常是普通低合金钢 板的1 倍2 倍。德国对热轧高磷双相钢进行了大量的研究【1 8 】。 我国从1 9 7 8 年开始起对双相钢的变形特征，强化原理、轧制变形模式及断 裂特性进行了大量研究【1 8 】，“七五”期间国家将双相钢的开发以及应用研究加 入到了国家科委所主持的重点攻关项目当中。国内大型钢铁公司和一些钢铁研 究所已经研制了热轧双相钢和热处理双相钢。其中鞍山钢铁公司完成了强度级 别为6 4 0 m p a 级热轧双相钢的产品开发与应用研究项目，本溪钢铁公司完成了 5 9 0 m p a 强度级别的热轧双相钢的研发和生产项目，武汉钢铁公司完成了 5 4 0 m p a 强度级别的热轧双相钢的研制【”】。此外，宝钢、马钢也开发了多个系 列、较多品种的双相钢产品，并且将其产品成功应用于部分汽车关键零部件的 堆寓 3 2 - 3 3 】 l ，o 目前，双相钢的生产和应用已经进入了一个全新的时代，双相钢发展迅速 并在汽车工业中被广泛应用。在已经开发的先进高强度钢板( a h s s ) 系列化产品 4 中，高强度双相钢板是汽车中应用面最宽的品种之一。在国际钢铁协会超轻钢 车体计划先进车概念( u l s a b a v c ) 以及美国新一代汽车伙伴计划( p n g v ) 项目 中，d p 钢的单车用量为1 6 2 2 5 k g ，约占整车用先进高强度钢板总质量的 7 4 3 【2 ，9 】；北美也计划到2 0 12 年使双相钢用量占到汽车用钢总量的4 5 1 0 - 1 1 。 总之，双相钢以其低屈强比、高初始加工硬化速率、良好强度和延性的配 合等优点，现已发展成为一种成形性良好的高强度新型冲压用钢，成为现代汽 车用钢的重要组成部分【3 _ 7 1 。 1 3高强度双相钢成形性能研究现状概述 钢板的成形性是指为生产一个满意的最终产品，在冲压过程中，钢板承受 形状变化的能力。它是冲压用钢的重要工艺性能。 钢板的成形性可以通过成形性试验进行评定。一般成形性试验可以分为两 种类型：一类为无几何约束的成形性试验( 或成形操作) ，例如单轴拉伸、剪边 延展、延展弯曲和杯突试验等。在这类试验中，变形材料的各组元并不受相邻 组元的拘束，材料的实效模式是断裂。钢的纯洁度、夹杂物的形态、剪边损伤、 试样的取向都会影响失效前材料可承受的应变。然而许多比较典型的冲压件生 产工艺是在几何约束下的变形过程。第二类成形试验是有几何约束的成形试验。 在这类试验中，板材各组元的变形受相邻组元的约束，变形材料的失效模式是 局部减薄或缩颈( 塑性失稳) ，例如，半圆冲头延展试验、液压鼓胀试验等，极 限应变可用成形极限图( f l d ) 、极限冲头高度( l d h ) 来表征，极限应变值受 板材厚度、材料n 值、钢的纯洁度、夹杂物形态和取样方向等因素影响【1 8 】。 成形性试验不仅用于评价材料在复杂成形工艺下的变形能力，而且对设计 和改进零件的成形工艺也有重要的意义。同时，成形性试验的结果也为使用者 预测构件在使用状态下的行为，设计者正确选材提供依据【1 8 】。 高强度双相钢板虽然具有低屈强比，具有连续屈服、较好的强度塑性组合， 大延伸率，减重效果明显等优点。但由于化学成分及组织结构的差异，双相钢 的成形性能与传统高强钢板差异很大，因此传统成形工艺成形双相钢零件容易 出现成形质量问题【4 肌4 2 1 。车身覆盖件生产中最常见的问题主要为三个方面：破 裂问题、起皱问题、回弹问题。以上三种成形质量问题都与板料成形性能以及 成形应变路径具有重大的联系，因此国内外学者对其展开了广泛深入的研究。 1 3 1 成形性能研究现状 近年来，国外对双相钢、高强度低合金钢、t r i p 钢等钢种已先后开展了针 对性的研究，发布了高强钢产品系列中相关基本力学性能和成形极限曲线( f l c l 等，并给出了使用的建议和应用方法。h a y a m i 和f u r u k a w a 首先对双相钢单轴 拉伸试验下的变形特性进行了测定和研究，并与其他低合金高强钢的变形特性 进行了对比；随后r a s h i d 和d a v i e s 详细研究了含钒双相钢的变形特性和影响 因素，对其成形性做出了初步评价，并对含钒双相钢零件的性能做了初步预测 【1 8 】 o j o d ys h a w 等比较了包括传统高强钢、普通低碳钢以及d p 5 9 0 在内的多种 不同钢板的能量吸收性能，而后进一步研究了材料加工硬化能力和烘烤硬化能 力对其能量吸收性能的具体影响【4 孓4 7 1 。x m c h e n 等人对3 种屈服强度相似的 t r i p 钢、双相钢进行了t 形件分析试验，得到了这三种钢板的部分成形特性【4 引。 随后，k o n i e c z n y 等人对不同厚度和强度级别的热镀锌双相钢进行了成形性能 评价，得到了d p 5 9 0 和d p 7 8 0 两种强度级别双相钢的成形极限图，并在后续试 验中测定了几乎所有试验用双向钢位于典型烘烤温度下的涂漆烘烤能力【46 。有 关成形性方面的研究，m i n gf s h i 利用扩孔实验测试分析了d p 7 8 0 以及 h s l a 3 5 0 的机械性能，从试验结果中可以看出钢材的碰撞吸收能力并不仅仅取 决于钢材的屈服强度，随后m i n gf s h i 通过了实验室物理实验的验证，在两个 汽车零部件上成功的验证了这一准则的完全正确1 7 j 。m a t t h e ws w a l p 通过分析 t r i p 、d p 等双相钢及多相钢的微观组织以及其对固有性能的影响，利用钢材 等级测试，研究了他们在材料碰撞过程中的性能【4 。i n l a n d 实验研究中心的 s r i r a ms a d a g o p a n 借助实验室模拟仿真方法分析了不同变形条件下烘烤硬化钢、 低合金高强钢、双相钢、t r i p 钢等钢种的成形极限，并通过对仿真数据的分析， 得到了这些钢材的机械性能指标值。美国福特汽车公司的r a js o h m s h e t t y 等人 综合的考虑了零件几何形状、生产以及装配多种因素，分析了d p 6 0 0 的成形性 能。s t e p h e ny u e 等人研究了d p 钢、冷轧退火处理的t r i p 钢、铝合金t r i p 钢的 屈服强度、抗拉强度以及变形柔顺性。日本国家钢铁公司的h i r o s h iy o s h i d a 等 人对比了双相钢高速拉深条件下的仿真结果以及试验结果，证明了利用单杆方 法所取得的材料应力应变曲线与利用经过修改的霍普金斯压杆法取得的应力应 变曲线是基本一致的。同时他也证明了在有限元模拟分析过程中，利用单杆方 法所取得的应力应变曲线能够用来定义高应变速率状态下的材料本构关系【4 7 1 。 1 3 2应变路径研究进展 自2 0 世纪6 0 年代s p k e e l e r 【4 9 】和g m g o o d w i n 5 0 】提出并以试验方法建 立了评价薄板成形性能的成形极限图( f l d ) 以来，成形极限图被广泛应用于 薄板成形性分析，成为判断和评定板料成形性能最为有效直观的方法，一直以 来是板材制造领域和成形领域研究的重点。到目前为止，国内外对f l d 进行了 大量的理论与试验研究，试验确定的f l d 都是由线性或者近似线性的应变路 径组成的，然而在生产实际中，由于几何边界及摩擦条件的限制，应变路径往 往偏离为非线性应变路径。因而对于高强度钢板的应变路径的研究也同样是汽 车钢板领域研究的热点之一。 y o s h i d a ，m a t s u o k a 和k o b a y a s h i 响进行了较多的理论分析及实验研究， 等就多种双线性应变路径对于f l d 的影 认为板材最后的成形极限与其应变路径 6 状态有着极其紧密的联系。g r a f 和h o s f o r d 重点研究了非线性应变路径对于f l d 的影响，得到了简单预应变状态对于板材成形极限的影响规律p 1 | 。d u r r e n b e r g e r 首先利用盒形件为研究对象，研究了在动态载荷条件下，应变路径对于低合金 高强钢板成形性能的影响，从而进一步研究了在撞击这一复杂应变条件下，低 合金高强钢板的力学特性【5 2 1 。国内方面，吉林大学的徐兆东教授等人通过试验 证明，当应变路径状态改变时，可以有效地降低应变峰值，进一步提高了板料 的利用率，从而达到充分利用钢板潜在塑性的目的【5 引。 1 4 论文研究内容 本文选用马鞍山钢铁股份公司生产的h 3 4 0 l a 、d p 6 0 0 这两种屈服强度近 似的高强钢板为研究对象，对比分析双相钢与传统低合金钢力学性能及成形性 能；借助数值模拟，研究高强钢板冲压成形过程中成形工艺参数、材料、模具 对成形件危险区域应变路径的影响规律，分析双相钢冲压成形应变路径对工艺 参数的敏感性，得到有效控制成形件危险区域应变路径的可行方法，为双相钢 的实际生产提供有力指导。 论文的主要工作分为以下几个方面： 一、板料成形性能分析 1 、针对h 3 4 0 l a 、d p 6 0 0 两种高强钢板，对其进行拉伸试验，通过分析各 项力学性能指标研究双相钢与传统低合金高强钢力学性能的差异，包括两种材 料的屈服强度，抗拉强度，硬化指数，瞬时硬化指数等。并通过试验得到的应 力应变曲线建立材料力学本构关系，为下一步的模拟及试验提供依据。 2 、借助有限元模拟软件d y n a f o r m 对两种材料进行模拟杯突试验，分析在 胀形成形过程中即典型双拉应变路径下，双相钢与低合金高强钢的成形性能， 得到两种材料的胀形性能指标对比，为后续试验提供指导。 3 、进行v 形自由折弯试验，通过测量两种材料的回弹角度，研究双相钢 在回弹性能方面与传统低合金高强钢之间的区别。 二、特征冲压件设计 1 、分析常见汽车覆盖件危险区域的应变路径，并对此些应变路径进行提取 归类，总结不同型面特征所对应的应变路径状态。 2 、根据所总结的“型面特征一应变路径”对应规律，设计一特征冲压件，使 此特征冲压件包含常见的典型应变路径，为下一步应变路径的影响规律分析提 供研究对象。 三、应变路径影响规律分析 1 、借助有限元分析软件d y n a f o r m 对所设计的特征冲压件进行有限元仿真， 采用正交回归试验方法，分别分析工艺参数( 压边力、摩擦系数、冲压速度) 对h 3 4 0 l a 、d p 6 0 0 特征冲压件危险区域应变路径的影响规律，得到应变路径 的显著影响因素及控制方法。 2 、分析模具磨损程度对应变路径的影响规律，研究模具圆角磨损