TRIP高强度钢板组织与成形性能的实验研究_图文

1、第12卷第1期2005年2月塑性工程学报Vol 112No 11Feb 12005TRIP 高强度钢板组织与成形性能的实验研究3(上海交通大学机械学院, 上海200030 余海燕陈关龙林忠钦李淑慧摘要:TRIP 钢板是一种具有相变诱发塑性特点的新型高强度钢板。本文简要回顾了TRIP 钢板的研究进展, 重点对一种低碳硅锰系TRIP700钢板的强度极限、延伸率、成形极限曲线进行了试验研究, 并用扫描电镜方法分析了该TRIP 钢在变形过程中微观组织的变化。结果表明, 该低碳硅锰系TRIP 钢板兼有高强度和高韧性的特点, 其拉深成形性与深冲钢板St14相当, 其良好的成形性与变形中奥氏体相的相变现象是

2、密切相关的。关键词:相变诱发塑性; 成形性; 实验研究; 微观组织中图分类号:T G 142文献标识码:A 文章编号:100722012(2005 0120010205Carsten 7研究了工艺参数对TRIP700钢板回弹性1TRIP 高强度钢板的研究现状TRIP (Transformatio n Induced Plasticity 钢能的影响规律, 提出变压边力技术能有效减小TRIP 钢板冲压件的回弹。Yasuharu 8指出在平面应变状态下TRIP 钢板具有很好的拉伸性能, 在TZP 实验中表现出了良好的拉延性能。TRIP 钢的特点是奥氏体在塑性变形下会发生是近几年为满足汽车工业对高强

3、度、高塑性钢板的需求而开发研制的含有残余奥氏体的低碳、低合金高强度钢板。其原理是利用残余奥氏体的形变诱发相变、相变诱发塑性的特点, 来提高钢板的塑性, 从而改变钢板的成形性。自从Zackay 等人发现并命名相变诱发塑性的概念以来, 有关TRIP 钢的研究就开始了, 尤其是近几年汽车轻量化要求的提高, 有关TRIP 钢板的轧制工艺、力学性能和冲压成形性的研究也成为本学科研究的热点。在这方面日本学者Sugimoto 作了大量的工作, 他先后研究了热处理工艺对TRIP 钢板成形性的影响1, 残余奥氏体的稳定性和体积比对TRIP 的温成形性的内在规律2, 指出适于TRIP 拉相变, 相变又会诱发塑性,

4、 所以对TRIP 钢成形性的研究的另一方面就是对奥氏体性能的研究。在这方面学者们进行了大量深入的研究。Tomohisa 9研究发现, 初始奥氏体体积比为6%的TRIP 钢板具有与普通深冲钢DDQ 相类似的冲压成形性和定形性, 但TRIP 钢板的成形需要更高的压边力。Vasi 2lako s 10研究了普通化学组成的TRIP 钢和含Al 添加剂TRIP 钢中奥氏体稳定性与力学性能的关系, 得出奥氏体的含量决定TRIP 钢的力学性能, 奥氏体含量越多, 钢板的强度和延伸率也就越高。S 1T 1Oh11研究了TRIP 钢板在液压成形和单向拉伸的最佳温度范围是20225; 随后他又对TRIP 钢的冲孔

5、翻边性能、弯曲性能进行了研伸变形中奥氏体的稳定性, 结果表明, 奥氏体的稳定性在液压成形中比在单向拉伸变形中差, 奥氏体向马氏体的相变速度也较快。Perlade 12在Olson 2Cohen 模型的基础上, 建立了描述应力诱发相变和究3,4, 结果表明, TRIP 钢板具有优良的拉伸翻边性能和弯曲性能。Hyun 5也在实验的基础上研究了TRIP 钢和双相钢的冲孔翻边性能, 他认为TRIP 钢应变诱发相变的相变动力学模型, 该模型能较好地预测TRIP 钢的成形性。Tomita 13也基于Olson 2Cohen 模型, 考虑温度和应变率的影响, 对TRIP的冲孔翻边性能比双相钢差, 但拉伸成形

6、性比较好。Choi 6研究了TRIP 钢在高应变速率下的变形性能。3国家自然科学基金项目(50405015 。余海燕E 2mail :yuhaiyan sjtu1edu 1cn作者简介:余海燕, 女, 1976年出生, 上海交通大学机械学院车身研究所, 博士研究生, 主要从事车身覆盖件成形质量控制方面的研究收稿日期:2004204217钢单向拉伸变形过程进行了数值模拟。Yasuharu1415, J eong 16, Meyer 17, J acques18等人均对TRIP 钢板在单向拉伸变形中奥氏体相变量与应变的关系进行了研究, 得出相似的结论:随着应变的增加, 奥氏体的相变量也在增加。St

7、reicher 19从实验的角度研究了不同应变路径下奥氏体的相变规律。Sakuma 14等人比较了单向拉伸、平面应变、等向第1期余海燕等:TRIP 高强度钢板组织与成形性能的实验研究213圆柱杯的拉深成形实验11双拉、收缩型翻边4种变形方式下奥氏体相变量与塑性应变的关系, 结果表明, 在相同应变下, 奥氏体相变量随着双拉变形、平面应变、单向拉伸、收缩型翻边的次序依次减小。总体说来, TRIP 钢独特的相变诱发塑性的特点, 使得TRIP 钢的冲压成形性明显好于其它高强度钢板, 其使用特性也引起了人们的关注。在这方面, 一场国际性的激烈竞争正在展开。日本已走在前面, 西欧各大公司正在努力追赶, 而

8、我国目前在这方面的研究还处于起步阶段。所以, 对TRIP 钢的成形性进行研究显得尤为重要, 也是大力推广TRIP 钢应用领域所必须的。为此本文在单向拉伸实验、成形极限实验和圆柱杯的拉深实验的基础上, 对TRIP 的基本力学性能、冲压成形性进行了研究和分析。为了进一步研究TRIP 钢板的冲压成形性能, 本文对TRIP 钢板在实际冲压过程中的性能表现进行了分析。拉深实验在多点变压液压拉深机上进行, 凸模直径为100mm , 凹模直径104mm , 毛坯直径200mm , 板厚110mm , 应变的测定采用通用的网格腐蚀法。3实验结果分析和讨论图1是TRIP 钢板的单向拉伸应力应变曲线, 由图可见,

9、 该曲线具有明显的屈服平台, 属于典型的非均匀屈服类型, 与普通高强度钢的连续过渡型屈服不同, 究其原因, 屈服平台的产生可能与应变诱发马氏体相变有关, 当变形超过弹性极限时, TRIP 钢板内的奥氏体开始发生相变, 这时的总体2实验211单向拉伸实验单向拉伸实验按G B/T22822002标准在Zwick Roell 拉伸试验机上进行, 实验材料为宝钢生产的冷轧TRIP 高强度钢板, 厚度110mm , 材料拉伸方向与轧制方向平行, 实验中弹性阶段和弹塑性阶段的拉伸速率均为1mm/s , 完全进入塑性屈服后的拉伸速率3mm/s , 整个实验在室温下进行。拉伸完毕后, 对拉伸试样进行了金相分析

10、和残余奥氏体体积比的测量, 其中残余奥氏体体积比的测定在D/MAX 2III 型X 射线衍射仪上进行, 通过所测得220A 和311A 的X 射线积分强度来计算奥氏体图1TRIP 钢板的应力2应变曲线Fig 11The stress 2strain curve for TRIPsheet steel的体积比。212成形极限实验TRIP 钢板的成形极限实验按照标准G B/T158251821995金属薄板成形性能与试验方法:成形极限图(FLD 试验进行。应变路径的改变通过改变试样宽度和润滑条件来实现, 以使获得的成形极限数据点分布均匀。试样为矩形试样, 试样长度180mm , 宽度分别取180m

11、m 、160mm 、140mm 、120mm 、100mm 、80mm 、60mm 、40mm 、20mm 共9种。润滑采用橡皮摩擦、干摩应变能用于两部分:一部分用于产生变形所需的宏观应变能; 另一部分就是供给相变消耗能量。宏观变形会导致软化作用, 而相变会产生硬化作用, 因为奥氏体本身要发生相变硬化以及新相马氏体作为第二相阻碍位错的运动而引起硬化。当软化与硬化作用在一定应变范围内达到动态平衡时, 就产生了应变增加, 而应力基本不变的现象, 导致了屈服平台的产生。由应力应变曲线可知, TRIP 钢不仅具有很高的强度, 其屈服强度和抗拉强度可达到472MPa 和658MPa , 同时也具有较高的

12、均匀延伸率(25% 和断裂延伸率(37% , 是一种韧性较好的擦、油润滑和薄膜润滑等4种方式。随着宽度从180mm 减小到20mm , 应变状态也实现了从等向双拉到平面应变再到单向拉伸的转变。实验中厚度的测量采用超声波测厚仪来测量, 精度可达到01001mm 。高强度钢。为了进一步分析TRIP 钢的力学性能, 本文对TRIP 钢单向拉伸试样进行了显微分析。图2是TRIP 钢板变形前和断口处同一位置点的扫描电镜金相组织, 图2a 和图2b 中黑色多边形为铁素体, 分布在晶间的白色条状或块状的是奥氏体和马氏体。比较两图可见, 变形后图2b 中分布在晶间的12塑性工程学报第12卷白色条状马氏体显著增

13、多, X 2ray 衍射实测结果也证明了这一点, 变形前奥氏体的体积比为1311%, 拉伸断裂后, 断口附近的残余奥氏体体积比已经降到216%, 也就是说在拉伸变形过程中有1015%的奥氏体转变成了马氏体, 变形导致了相变, 而相变的产物马氏体的硬化性能比较好, 所以相变又实现了钢板塑性的增加 。图3TRIP 钢的单向拉伸试样断口形貌Fig 13Morphology of f racture surface for TRIPsteel under uniaxial tensilel1=46%52%, 拉延区2=-29%32%, 1=60%75% 相当, 尤其是胀形性能非常接近。其它力学性能的比

14、较见表1所示。可以说TRIP 钢既具有与St14钢相当的成形性能, 又具有高强度钢板的高强度、高抗凹性的特点, 是今后汽车用板的发展趋势 。图2TRIP 钢变形前后的扫描电镜照片a 未变形; b 断口附近图4TRIP 冷轧钢板的成形极限图Fig 14The forming limit diagram for coldrolled TRIP sheet steelFig 12Scanning electron micrograph for undeformed and deformed TRIP sheet steel图3是拉伸试样断口形貌的扫描电镜图。由图可见, 拉伸断口处存在大量的韧窝, 体

15、现出良好的韧性断裂特征。从整体形貌看, 断口的韧窝排列均按一定方向, 呈现明显带状分布。韧窝直径大小分布不均匀, 大韧窝的数量比小韧窝少, 其原因可能是由于试样为冷轧材, 尽管热处理后显微组织的带状结构减弱, 但仍存在明显的组织遗传性, 体现在断口形貌上则为带状脊。个别韧窝内还可看到硬质点, 说明钢中夹杂(或碳化物 对韧窝的形成也起着重要作用。图4是板厚为110mm 的TRIP 冷轧钢板的成形极限图。图中数据表明, TRIP 钢在平面应变状态下的成形极限FLD 0=36%, 胀形区的极限应变2=17%, 1=47%, 拉延区的极值2=-20%, 1=62%, 与常用的深冲钢板St14(相应极限

16、应变分表1TRIP 钢板和St14钢板的力学性能参数Tab 11Material parameters of TRIP steel and St14steel材料厚度屈服强度抗拉强度均匀断裂37%42%硬化塑性延伸率延伸率指数01322110260121811262TRIP 125%St14123%图5是材料为TRIP 钢的圆柱杯成形后的厚度和厚向应变的分布图, 实际零件形状见图6。实验过程中厚度的测量采用数字式超声波测厚仪进行测量, 以确保测量的精度和可靠性。经测得钢板初始平均厚度为11068mm , 误差±01001mm 。成形后, 沿着圆筒底部中心到法兰处按不等间隔取了21点,

17、 各点的相对位置如图5所示。由图可见, 零件底部厚度减薄很小而且分布均匀, 减薄量都在5%左右; 相比较而言, 在侧壁与底部圆角相邻的区域减薄量最大, 但减薄量仍然只有8%; 侧壁部分自下而上别为FLD 0=35%41%, 胀形区2=23%25% ,第1期余海燕等:TRIP 高强度钢板组织与成形性能的实验研究13厚度增加, 到法兰处最大, 最大厚向应变15%, 仍然在起皱极限20%内, 这再次说明了TRIP 钢具有较好的成形性, 尤其是抗破裂性能好 。formability of newly developed high strength low al 2loy TRIP 2aided she

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26、的力学性能与奥氏体的稳定性以及初始奥氏体的含量密切相关。奥氏体的体积比随着变形量的增加而不断减少。3 TRIP 钢兼有St14深冲钢的冲压成形性和高强度钢板的高强度、高抗凹性的优点, 减重潜力巨大。TRIP 钢的开发以及相关工艺和成形性的研究将成为今后研究的热点, 我国应加强这方面的研究。参考文献1K 2i Sugimoto , A Kanda , R Kikuchi. Ductility and14lation of deformation behavior of塑性工程学报TRIP steels ,第12卷bainite 2austenite structure , Mater 1Sci

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