低碳钢轧制板材成形性能的实验研究

肖 弦，唐卫东

低碳钢轧制板材成形性能的实验研究

肖 弦，唐卫东

（长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124）

对一批国产和进口的低碳钢板材进行拉伸和胀形试验，研究具有各向异性的轧制板材的冲压成形性能。结果表明，对于具有各向异性的低碳钢材料，各向异性程度越低，成形性能越好；冲压成形时破裂较易在应变比小的方位发生；等双拉应力状态与等双拉应变状态一般是不对应的，但在极值方位θ=45o处相互对应。

各向异性；成形极限；塑性应变比

板材成形问题是塑性成形理论在板材冲压中的一个重要研究方向，不仅具有重要的理论与学术意义，而且与冲压生产的发展紧密相关。20世纪初，美国福特汽车的工业化生产大大推动了板材成形技术的研究和发展。研究工作基本上在板材成形技术和成形性能两方面同时展开，关键问题是破裂、起皱与回弹，涉及可成形性预估、成形方法的创新，以及成形过程的分析与控制。60年代是板材成形技术发展的重要时期，各种新的成形技术相继出现，尤其是成形极限图（FLD）的提出，推动了极限性能、成形理论、成形工艺和质量控制的协调发展，成为板材成形技术发展史上的一个里程碑。

60年代，Keeler[1,2]通过胀形试验得出了双向拉应变区域的临界成形极限，提出成形极限图（FLD）的概念。不久后，Goodwin，Venter及Malherbe，提出了Keeler-Goodwin成形极限理论曲线[3,4]。70年代，Vladmir Hasek与Peter Metzger根据Hill的各向异性理论，进一步获得了正交各向异性材料的成形极限理论曲线[5]。近来，越来越多的国内外学者也在此领域开展了更多、更深入的研究[6-9]。

然而，大多数各向异性材料成形理论的研究都是建立在应力主轴与各向异性轴相互重合的假设条件上的，而在实际生产中却不一定如此，所以，必须根据实际情况来研究各向异性材料的成形特点，建立具有普遍意义的板材成形极限理论，以便更好地指导实际冲压生产。本文通过对两种不同的低碳钢轧制板材作拉伸和胀形实验，分析典型的具有一定各向异性特性板材的冲压成形性能，希望能在一定程度上为理论研究提供数据，并为冲压生产工艺的的制定提供依据。

1 实验部分

本文所用的两种试验材料，一种是国产的冷强度σs和屈强比（σs/σb）明显低于国产材料，而伸长率δ和塑性应变比r则明显高于国产材料。

从实验结果可以看出，进口材料塑性比国产材料塑性好，材料拉伸断裂时的表面应变比r值高于国产材料拉伸断裂时的表面应变比r值，而且极限应变方位比较离散，比较接近各向同性材料的成形情况，由此可以说明材料各向异性程度越低、塑性越好，则成形性能越好。

两种材料胀形实验结果见表2。从表2可以看出，国产低碳钢材料胀形时颈缩或破裂的方位轧低碳钢板材，另一种是进口的冷轧低碳钢板材。对两批板材分别在不同方位进行取样进行实验，首先通过静载拉伸试验分别测定了两种不同材料在不同方位的屈服强度、抗拉强度、伸长率及塑性应变比等力学参数。然后进行纯胀形试验测出各材料在胀形时颈缩或破裂方位与轧制方向的夹角。胀形试验的半球头凸模直径d=49.7mm，试验在60吨材料实验机上进行；试样是形状为八角形，厚度为1.5mm的钢板，胀形模具周边设有压边筋。

2 结果与分析

静载拉伸试验结果见表1。从表1可以看出，进口材料的抗拉强度值σb略低于国产材料，屈服大部分集中在0o和45o附近，数据比较集中；而进口材料的数据则较为分散，但在45o附近的值较多。

由静载拉伸实验和胀形实验结果可以看出，材料的塑性应变比r对冷轧钢冲压成形有很大的影响。因为r等于宽度方向的真实应变/厚度方向的真实应变，r值越大，说明材料宽度方向应变大，而厚度方向应变相对小，表明材料越难变薄，则颈缩和开裂的可能性就越小。表1中的两种材料都是在45o方位的r值最小，表2中的胀形实验结果是两种材料的颈缩或破裂都主要集中在45o方位，由此说明颈缩或破裂比较容易发生在应变比小的方位。此结果成立的前提是各向异性材料，对于各向同性材料，极限应变应与r无关[7,9]。

根据Hill理论[10]，当应力主轴与各向异性轴夹角为θ=45o时，各向异性材料的等双拉应力状态与双向等拉应变状态相互对应，而其他方位并不总是对应的，因此，45o是各向异性材料的一个极值方位，材料破裂出现在这个方位的机率最大，其次是0o和90o方位，低碳钢的冷轧钢板一般表现为正交各向异性。在进行胀形实验时，材料承受的应力为双向等拉应力状态，所以表2中的胀形试验结果与理论预测基本上是一致的，数据存在一定的离散性，应该与实验时的材料及实验过程有关。

3 结论

对于具有各向异性的低碳钢轧制材料，各向异性程度越低、塑性越好，则成形性能越好；等双拉应力状态与等双拉应变状态一般是不对应的，只有在θ=45o处相互对应；冲压成形时破坏容易发生在塑性应变比r小的方位。

表2 胀形实验颈缩或破裂方位

[1] Keeler,S.P. Determination of Forming Limits in Automotive Stampings[J].Society of Automotive Engineers,1965,(4):135-145.

[2] Keeler, S.P. Understanding Sheet Metal Formability[J].Sheet Metal Industries,1971,48(10): 124-130.

[3] Goodwin, G. M. Application of Strain Analysis to Sheet Metal Forming Problems in the Press Shop[J].Society of Automotive Engineers, 1968,45(12): 250-256.

[4] Venter, R. D. & M. C. Malherbe. Theoretical Estimate of the Keeler-Goodwin Formability Curve[J].Sheet Metal Industries, Sept., 1971,(9): 36-45.

[5] Hasek V. & P. Metzger. Usefulness of the theories of necking and in-homogeneity of the Material in the description of the forming limit diagram[J].Sheet Metal Industries.1977,(9):221-234.

[6] 李志刚. 对各向异性材料成形极限曲线的研究[D]. 武汉：华中工学院，1981.

[7] 姜奎华.冲压成形破裂极限的实验研究[J].锻压技术，1982,（3）:19-25.

[8] 邓涉.金属薄板成形技术[M]. 北京：兵器工业出版社，1993.

[9] 卢险峰. 拉伸类冲压成形性能非线性关系评定[J]. 金属成形工艺，1996,（3）：46-48.

[10] Hill, R. 塑性数学原理[M]. 北京：科学出版社，1966.

Experimental Study on the Formability of Low-carbon Steel Sheets

XIAO Xian, TANG Wei-dong
(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha Hunan410124)

The present paper conducts a stretching and expansion test of a batch of domestic and imported low-carbon steel sheets and studies the stamping formability of low-carbon steel sheets with an-isotropic mechanical properties. The results showed that, for an-isotropic materials, the less degree of an-isotropy is, the better the formality is; fractures may be easier to take place at the orientation of lower plastic strain ratio when the stamping limits are reached. The equal two-directional stress state is not always corresponding to the equal two-directional strain state for an-isotropic materials except for the extreme orientation ofθ=45o.

an-isotropy; forming limit; plastic strain ratio

TG386.41

A

1671-9654(2017)04-0060-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.015

2017-10-12

肖弦（1971- ），女，湖南沅江人，副教授，工程硕士，研究方向为材料成型、材料与热处理。

唐卫东（1973- ），男，湖南沅江人，高级经济师，工程硕士，研究方向为工业工程。

［编校：杨 琴］