800mpa级dp钢的动态拉伸与稳机理

800mpa级dp钢的动态拉伸与稳机理

拉伸断裂分析节能、环保、安全、舒适、智能是世界汽车技术发展的总趋势。国际钢联多年的研究证明,车身上大量使用高强度钢是汽车“节能、环保和安全”的主要技术解决方案之一。在ULSAB-AVC概念车的车身上100%采用了高强度钢板,其中抗拉强度超过800MPa的超高强度钢板的使用比例达到了61%。由于先进高强度DP钢强度高,冲压成形后材料中的高残余应力使得零件回弹增大,造成产品容易产生扭曲、翘曲。为减少该类缺陷,设计模具时会采用较小的模具半径。这样的措施固然产生了明显的弯曲效应,但是在冲压过程中随着强度的增加也容易产生断裂。国外大量实验研究表明,在板料成形中应用成形极限图(FormingLimitDiagram,FLD)无法准确预测先进高强度DP钢断裂的发生。基于颈缩失稳理论建立的FLD高估了先进高强度DP钢在小半径拉弯条件下的成形极限,材料在破裂时极限应变并没有达到“颈缩”时的变形量。另外,也有研究表明,随着凹模和凸模半径的增大,失效位置也从凸模半径处转移至侧壁区域。失效模式转变对应的R/t值定义为R/t临界值,可用于判断材料的成形性能。其中,文献采用拉弯实验测量了在不同凸模半径下的R/t临界值;文献发现,钢板的拉弯成形性能不仅与材料厚度、弯曲半径和材料硬化指数n值相关,而且材料的微观组织对失效模式也有很大的影响;文献对两种DP600双相钢的单向拉伸变形行为进行了研究,发现其微孔洞的形成位置分别在马氏体块的破裂处、块间界面或铁素体/马氏体相界;文献使用带有原位拉伸的扫描电镜观察高马氏体量的双相钢,发现剪切行为发生在铁素体/马氏体界面,并向马氏体变形区域延伸。因此,由于双相钢中马氏体和铁素体两相强度相差较大,两相间的数量、分布和显微硬度等因素又会产生显著的交互影响,使双相钢变形中的应力、应变在铁素体和马氏体间的分配变得十分的复杂。目前,由于采用颈缩失稳理论无法预测成形剪切断裂现象,而且缺乏有效的手段对成形剪切断裂极限进行准确评价,限制了高强度DP钢的复杂产品成形工艺设计,增加了成形难度,以及由于超高强度DP钢薄板切向韧性断裂裂纹发展非常迅速,无法观测裂纹形成和扩展。而关于微观组织因素对断裂过程影响的研究有助于优化组织设计,制订热处理最佳工艺和提高使用性能,但目前进展迟缓。本文通过冲压弯曲模具,研究800MPa双相钢薄板拉伸弯曲成形结果与R/t临界值关系;在配备有拉压样品台的扫描电镜下进行直接动态观察,并据此探讨双相组织在形变过程中裂纹萌生与扩展的微观机制及显微组织参数的影响规律,为800MPa双相钢的冲压成形提供理论与工艺支持。1试样尺寸及制备实验用钢为2.0mm的DP800商业高强度钢,化学成分如表1。材料性能见表2。板料力学性能参数均由单向拉伸实验所得,拉伸实验在CMT5305型电子万能试验机上进行。依据Hollomon关系式拟合而得。冲压弯曲模具如图1所示,凹模圆角半径为10mm,而凸模圆角半径为1mm、2.5mm、5mm、7.5mm、10mm。实验过程中,将板料放置在压边圈上,凹模以5mm/s速度向下运动并接触板料,此时通过压边力及拉延筋的作用被板料固定在凹模与压边圈之间,之后凹模继续向下运动,借助固定不动的凸模将板料压入其型腔,当板料断裂时停止运动。实验试样尺寸为300mm×40mm×1.5mm。组织观察和动态断裂过程分析试样的制备采用常规金相试样制备方法,腐蚀剂为浓度4%的硝酸浸蚀液。动态断裂过程的观察是在备有拉伸装置的HITACHIS-570型扫描电子显微镜上进行,其形状与尺寸如图2所示。2结果与分析2.1dp400在不同凸模圆角的断口分析实验中板料在模具上被拉深直至断裂,图3所示为试样在不同凸模圆角半径下的成形结果。由图可见,随着凸模圆角半径的增大,板料的拉伸深度也随之增大;试样的断裂位置在极小圆角半径下(R=1)是靠近凸模圆角,随着凸模圆角半径增大到中等半径时(R=2.5和5),断裂位置均靠近于凹模圆角;在大的凸模圆角下(R=7.5和10),断裂位置则是在靠近凹模圆角处的直壁。在实验的5种凸模半径下,断裂的试样断口处均显示为45°剪切唇,未见明显的减薄,颈缩微小,为典型的剪切型断裂。图4所示为DP800在不同R/t值时破裂成形极限深度。初始,在凸模圆角半径较小时,其极限拉弯深度非常浅;随着凸模圆角的增加,其极限拉伸深度变化较大;之后,随着凸模圆角的增加,其极限拉伸深度变化较小。这可能是由于在凸模圆角极小时,板料在凸模圆角处由于过小折弯角在拉伸初期折弯断裂;随着凸模圆角增大,板材在凸模圆角处能够成功弯曲,进而在拉伸成形过程中,板材从凹模圆角进行流动补充,受板材塑性极限延伸率限制,板料最终断裂位于流动受限制的凹模圆角附近。2.2铁素体-马氏体相界面微裂解机理DP800钢板组织形貌的SEM照片如图5所示。可见,凸出且呈灰色的部分为马氏体,下凹的暗黑色部分为铁素体。DP800的马氏体含量为32%。拉伸过程中,由于铁素体与马氏体两相强度的差异,两相的应力-应变行为亦不相同。滑移线主要在铁素体相中产生,马氏体相虽未观察到明显的变形,却严重阻碍着铁素体相中的滑移。因此,相界面附近的铁素体,由于滑移面上位错的塞积而导致应力集中,当应力达到铁素体相的剪切强度时,在界面的铁素体一侧将产生微孔,若相界面的切变应力首先达到马氏体/铁素体相界面的结合强度时,必然会导致界面拉脱而萌生微裂纹。随着外力增大,微孔增多并扩展,连接而缓慢延伸。主裂纹沿两相界面或贯穿铁素体而继续扩展,如图6所示。2.3断口及断口分析小凸模圆角半径和大凸模圆角半径下剪切断裂断口形貌如图7所示,图8所示为动态拉伸断裂断口形貌。由图可见,3种情况下的断口度布满了韧窝。其中,小凸模圆角半径下剪切断裂断口凹凸起伏,而大凸模圆角半径下剪切断裂断口和动态拉伸断裂断口较为平整。小凸模圆角半径下剪切断裂断口的韧窝大小不均匀,大韧窝周围布满了小韧窝,主要是由于凸模圆角较小,折弯处变形剧烈,导致形核后的部分韧窝在塑性变形阶段得到充分长大和聚合,材料发生韧性失效。而大凸模圆角半径下剪切断裂由于凸模圆角半径较大,板料流动性增加,法兰边上的板料在侧壁被拉伸过程中能够得到补充;另外,由于双相钢中铁素体和马氏体相的强度差异,尽管在塑性变形过程中大量的微孔洞出现形核,但并未能充分长大,材料最终在流动受限的凹模圆角附近发生韧窝断裂,因此,最后断口表面出现大小比较均匀的微孔洞。对于动态拉伸过程中,由于拉伸的速度很慢,铁素体的塑性得到充分展现,形核后的韧窝在塑性变形阶段得到充分长大,形成较均匀韧窝,且韧窝深度较大的韧性失效。3dp400中微裂纹产生机理1)DP800钢拉伸弯曲失效模式为典型的剪切型断裂。2)在冲压弯曲实验中,凸模圆角半径较小时,拉弯深度较浅,这是由于板料在凸模圆角处过小的折弯角导致拉伸初期折弯断裂;随着凸模圆角半径增加,其拉伸深度增加明显,这是由于板料流动受到限制减少所致;当板料流动性限制变小,其拉伸深度随着凸