温成形温度对双相钢B340/590DP拉深性能的影响

邓俊彦，吴恺威，邓沛然

(1,东莞理工学院城市学院实验中心，广东东莞523419;2,上海工程技术大学材料工程学院，上海201620)



温成形温度对双相钢B340/590DP拉深性能的影响

邓俊彦1，吴恺威2，邓沛然2

(1,东莞理工学院城市学院实验中心，广东东莞523419;2,上海工程技术大学材料工程学院，上海201620)

研究了再结晶温度以下不同温度的双相钢B340/590DP的拉深性能.数值模拟显示B340/590DP钢随着温度的上升拉深过程中材料的等效应力是下降的，但材料的实际拉深性能在300 ℃以内并未随温度的升高而改善，在温度超过400 ℃以后材料的拉深性能明显改善，在500 ℃时材料的拉深极限系数由常温的0.52降为0.5.实验结果表明，当温度加热至400 ℃以上时，板料的实际成形性能提高，拉深试样的厚度分布更加均匀.

双相钢，拉深，成形性能

轻量化、环保、节能和安全已成为汽车工业发展的主要趋势，先进高强度钢是实现这一目标的有效途径之一，其中， DP双相钢是汽车上运用最广的品种之一[1].双相钢属于相变强化高强度钢，显微组织为铁素体和马氏体，由低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷得到，马氏体组织以岛状均匀分布在铁素体基体上[2-5]，具有屈服比低、无屈服延伸、应变强化指数高和良好的抗碰撞性能等特点.

双相钢板在室温成形时塑性差、回弹严重，高强度双相钢的成形范围更窄[6]，当成形程度太大时容易破裂，而用热成形又存在产品脱碳和工艺控制不当时的晶粒粗大现象.就钢材热加工工艺而言，在温度低于材料的再结晶温度的热加工称为温成形，温成形工艺能提高金属材料的成形性能[7-8]，温成形既具有冷成形的效率高、节省原材料的优点，也有热成形的成形力小、设备吨位需求小的优点.温成形与冷成形相比，提高了材料的变形极限，成形质量又比热成形好，对高强度钢板的成形研究有积极的意义.

数值模拟在冲压成形的应用越来越广泛，能提供有效的参考[9]，我们结合数值模拟，在伺服压力机上，利用冲压成形测试系统对B340/590DP板料进行温拉深实验，研究了不同温度下B340/590DP板料的成形性能，找出该类材料温拉深成形的温度范围，为超高强钢板的温成形研究提供有效的参考.

1 实验材料及方法

本研究所用的实验材料为宝钢双相钢B340/590DP冷轧板，其中，340表示标准试样的屈服强度不低于340 MPa，590表示抗拉强度不低于 590 MPa，而DP则代表双相钢(Dual Phase)，其化学成分如下表1.

表1 B340/590DP化学成分(质量分数)

具体的实验步骤如下：

(1) 建立有限元模型.

凸凹模的直径分别为24.2和25.9 mm，拉深模拟的板料厚度为0.8 mm，将图形和不同温度下真实应力-应变值及其它材料参数导入Dynaform 软件完成数值模型，对板料的成形加工进行模拟.

(2) 冲压设备为H1F60小松伺服压力机开发的“冲压成形测试系统”，在伺服压力机的冲压模架内设置加热组件，能在冲压过程对板料进行加热.对板料在伺服压力机上进行热拉深实验，探究板料在不同温度下的成形性能.

2 实验结果及分析

2.1 B340/590DP材料的力学性能

本研究需要对较高温度下的板料进行模拟和试验，为此对不同温度下的B340/590DP材料的力学性能进行了测验.图1为拉伸试样的几何尺寸；图2是在Zwick万能拉伸试验机上测不同温度的真实应力应变图，由图2可以看出，在大部分的应变阶段，300 ℃时材料的变形应力大于200 ℃的变形应力.观察300 ℃下拉伸试样(见图3)，其表面呈蓝色，200和400 ℃拉伸试样表面则为灰色氧化物，这种现象应是材料的蓝脆现象所导致[10]，并在拉深实验时影响到成形性能.400、500和600 ℃下拉伸时，随着温度的升高，B340/590DP的屈服强度和抗拉强度都有所降低，在应变较小时，应力应变曲线斜率较大，在应力达到峰值后，随着应变的增加，在保持水平一段时间后，缓慢下降.

图1 拉伸试样几何尺寸/mm

图2 B340/590DP试样不同温度下的真实应力-应变图

图3 拉伸试样照片

2.2 拉深成形模拟结果

2.2.1 板料尺寸对冷拉深模拟结果的影响

在成形极限图FLD中，根据不同的应变状态分为破裂区、破裂趋势区、安全区(Safe)、起皱趋势区、起皱区、严重起皱区和成形不充分区一共7种区域，分别用不同的颜色在模拟后的试样上标出.其中红色的破裂区用来判断板料发生破裂，深紫色的严重起皱区用来判断起皱，其他颜色的状态一般均可视为没有缺陷的正常成形.

凸模移动速度v=60 mm/s，B340/590DP板料的拉深比约为1.85，对应拉深系数值为0.54[11]，所以材料直径设为44、46和48 mm，持续时间设为位移控制，46、48 mm板料的模拟结果见图4和图5.

图4 直径为46 mm板料成形极限的模拟结果

图5 直径为48 mm板料成形极限的模拟结果

从模拟结果来看，在相同的工艺参数下，44 mm 和46 mm板料可成形，从46 mm板料的FLD曲线(图4)上看，板料上并没有点进入破裂区，可以认为板料并没有发生破裂.而直径为48 mm的板料，从成形极限图5中就可以看出，在拉深还没结束，筒壁区还未完全成形时，板料就已发生破裂，且破裂就发生在凸模圆角区.

2.2.2 温拉深模拟的温度场和等效应力场分布

速度设置为60 mm/s，压边力设置为20 kN，由于本研究使用的加热系统为自主研发的电磁感应加热系统，根据实际的试验效果，在数值模拟参数设置的过程中，工具温度设置为试验实际的加热温度，板料温度则设置比工具温度低50 ℃，不同温度模拟结果见图6和图7.

从图6和图7中的温度场的分布可以看出，在拉深完成的工件上，筒底区的温度最低，沿直壁区网上温度逐渐升高，而杯口部分温度最高，杯口部分温度平均温度比初始工具温度低50 ℃左右，但局部地区的最高温度大于初始工具温度.这是因为中心部位和空气进行热量传递与热辐射，温度略有降低.在拉深成形阶段，随着凸模的不断下行，板料与模具的接触情况在不断的变化，板料的变形程度也随之变大，当凸模下降到最低点，板料得到成分拉深，传热则更加充分.而筒壁中上部出现局部温度过高的情况，经过分析可知，板料在流过凹模圆角的过程中，一是发生形变，产生变形功，二是由于摩擦产生一定的热量，并且不断的积聚，最终使得筒形件中上部分温度偏高.

图6 初始温度为200 ℃时工件模拟结果

图7 初始温度为600 ℃时工件模拟结果

图8 不同温度下的最大等效应力

等效应力场分布图显示，筒壁上部的等效应力场最大，图8为不同温度下的最大等效应力图.随着初始温度的升高，成形件的最大等效应力减小，从200 ℃的780 MPa减小到600 ℃的488 MPa.等效应力是基于剪切应变能的Von Mises 应力，它遵循材料力学第四强度理论(形状改变比能理论).其主要含义是：当点应力状态的等效应力达到某一与应力状态无关的定值时，材料就屈服；或者说材料处于塑性状态时，等效应力始终是一不变的定值.因此，等效应力的大小可以衡量板料成形的难易程度.上述模拟结果表明随着温度的升高，在变形过程中的等效应力下降，抗形变力降低，板料的成形性能得到提高.

2.3 板料拉深实验结果

用线切割切出直径分别44、46和48 mm的圆形板料，板料厚度为0.8 mm，每组6片，并用砂纸打磨板料边缘.冲压速度设置为60 mm/s，压边力设置为 20 kN 的参数条件下，拉深结果见表2，成形代表6个试样拉深均完好.

表2 不同尺寸的试样拉深试验结果

在加热温度为200 ℃和300 ℃条件下，相比冷成形条件下，其成形性能并没有得到了提高，且观察加热状态下的破裂拉深试样，其拉深深度较比常温下的破裂试样反而有所降低(图9).相比常温条件的拉深试验结果，板料在加热温度为400 ℃以上时板料的成形性能明显提升，按“3好3破”的国家标准，当加热温度为500 ℃时板料的拉深极限尺寸由常温下的46 mm提高到48 mm.

图9 48 mm试样在常温(a)、 200 ℃(b)、 300 ℃(c)温度下的破裂试样

对48 mm常温、400 ℃和500 ℃拉深成功的试样进行厚度测量，测量点见图10，1为筒底部分中心，2为筒底部分边缘，3为凸模圆角区，4为筒壁区下端，5为筒壁区中心，6为筒壁区上沿，结果如图11.筒壁区上沿区域最厚，凸模圆角区最薄，凸模圆角区常温、400 ℃和500 ℃的厚度分别为0.649、0.667和0.674 mm，筒壁区上沿的分别为1.01、0.938和0.95 mm，两者的差值分别为0.361、0.271和0.275 mm，400 ℃和500 ℃的拉深试样凸模圆角区的厚度都大于常温下的拉深试样，筒壁区上沿的厚度小于常温下的，厚度分布更加均匀.

图10 工件上的厚度测量点

图11 不同温度下的拉深试样厚度分布

2.4 板料拉深实验结果分析

板料在拉深过程中存在5个部分：筒底部分、凸模圆角部分、筒壁部分、凹模圆角部分、凸缘部分[12-13].其厚度最小值出现在凸模圆角部分，筒壁部分厚度逐渐增加，靠近凸缘部分厚度最大.

拉深拉裂主要取决于两个方面：筒壁传力区中的拉应力和筒壁传力区的抗拉强度.当筒壁拉应力超过材料的抗拉强度时，就会产生破裂.凸模圆角部分的材料一直承受筒壁传束的拉应力，并且受到凸模的压力和弯曲作用.在拉、压力综合作用下，使这部分材料变薄严重，因此该部分是拉深变形时最脆弱的部分，容易发生拉裂破坏，该处的承受能力决定了拉深变形的成形极限.

在数值模拟中，凸模圆角处的温度最低，凹模口处的温度最高.凹模圆角区域较高的温度使该处材料更易进入凹模，有利于凸缘部分材料的减薄和消除拉深过程中的起皱.

从模拟结果来看，室温拉深时，48 mm的凸缘部分较46 mm的大，图3深紫色区显示筒壁区上沿和凸缘区域起皱，表明凸缘区的金属不能顺利进入凹凸模之间的间隙，板料在凹模端面起皱.起皱的板料难以通过凹凸模间隙，从而进入强行拉入状态，在凹模口区域堆积的板料不能及时拉入间隙的情况下，筒壁区材料将会由于拉应力增大而产生断裂现象，这与实际拉深的结果基本是一致的，室温下直径为48 mm的板料板料拉深结果为1好5破，数值模拟的结果有良好的参考作用.

随着温度的升高，等效应力减小，变形抗力降低，拉深时凸模的载荷也降低，改善了拉深件的壁厚分布，增大了凸模圆角部分厚度，减少了筒壁区上沿部分的厚度，避免了由此导致的相应区域材料在拉深过程中的断裂，从而提高了拉深变形的成形极限；较比冷成形的工艺条件，温度越高金属的流动性能相对较好，有利于拉深的进行.

在300 ℃进行拉深时，由于在该温度区域，双相钢发生蓝脆[14-15]，板料有抗拉强度、硬度升高，而延伸率、断面收缩率下降的现象，材料变形能力变差导致板料更难进入凹凸模间隙，拉深性能更差.温成形温度为300 ℃时，直径为48 mm的板料的拉深结果为6破，相对室温下，拉深性能有所降低，这是低碳合金钢的蓝脆导致的，该温度区域不利于B340/590DP板料温拉深加工.

在温度超过400 ℃条件下，B340/DP590双相钢的成形极限相对冷成形有所提高，凸模圆角区的厚度都大于常温下的，筒壁区上沿的厚度小于常温下的，减少由此导致的破裂，厚度分布更加均匀，成形性能越好.温成形对深拉深冲压工艺有明显意义.

在冲压过程中，一般将板料在出现拉深失稳前，毛坯所能承受的最大变形程度称为成形极限，此时的凸模直径与板料直径的比值称为板料的极限拉深系数，mc=d凸/Dmax.

由GB/T 15825.3-2008中公式计算可得，常温下 0.8 mm 厚度板料B340/590DP双相钢板最大试样直径D0max=46.33 mm，则常温下拉深极限系数为0.52.

超过400 ℃，拉深性能提高，当加热温度为500 ℃时板料的拉深极限尺寸由常温下的 46.33 mm 提高到48 mm，拉深极限系数减小至0.50，板料的成形性能提高了.

3 结 论

(1)数值模拟显示，室温下，拉深速度v=60 mm/s时，直径44 mm 和46 mm板料可成形，而直径为48 mm的板料则出现破裂现象，实际拉深直径44、46和48 mm板料的结果分别为6好、4好2破和1好6破，数值模拟与实际拉深结果一致；随着温度的升高，板料变形抗力降低，流动性和成形性能变好，其拉深的极限尺寸也随之增大，数值模拟为实际拉深提供了较好的参考.

(2)300 ℃时，由于蓝脆现象的发生，板料的成形性能比常温时反而有所下降，该温度区间不适宜B340/590DP板料温拉深加工.

(3)在400 ℃及以上温拉深时，板料的成形性能有所提高，拉深极限尺寸从常温的46.33 mm提高到500 ℃的48 mm，拉深极限系数减小至0.50，拉深试样的厚度分布更加均匀.温拉深工艺可以使板料的成形性能提高，对超高强钢板温成形研究有积极的参考作用.

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Effect of warm forming temperature on drawing properties of dual phase steel B340/590DP

Deng Junyan1，Wu Kaiwei2，Deng Peiran2

(1. Lab Center, City College, Dongguan University of Technology, Dongguan, 523419,China; 2.School of Materials and Technology Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai,201620, China)

The drawing property of the dual phase steel B340/590DP below recrystallization temperature was studied. A numerical simulation showed that the equivalent stress decreases with rise of temperature in drawing, however the actual deep drawing properties within 300 ℃ do not improve with rise of the temperature, while the drawing properties are improved significantly when temperatures are over 400 ℃. The drawing limit coefficient at 500 ℃ drops to 0.5 from 0.52. The experimental results showed that the actual forming property is improved above 400 ℃.The drawing sample thickness distribution is more uniform.

dual-phase steel; drawing; forming performance

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.014

TG 142.1

A

1671-6620(2016)03-0230-07