预拉伸对高强钢DP590扩孔性能的影响

文／王秋雨，王晓华，吕浩，刘淑影，张赛娟·唐山钢铁集团有限公司

为减轻汽车整车重量，降低能耗，提高汽车碰撞时的安全性，高强度钢板材料在汽车制造中应用越来越广泛。双相钢除了具有高强度外，还具有低的屈强比、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能等优点，而且没有屈服延伸和室温时效，是理想的汽车轻量化材料，因此被广泛应用在汽车的前纵梁、后纵梁、防护板等结构件和加强件上。

目前，汽车高强钢板中双相钢的使用比例高达74%，是汽车中使用占比最高的钢种，而DP590 是双相钢中使用最为广泛的钢种。然而，由于汽车零部件形状的不规则性，高强钢在冲压时会由于拉延胀形与翻边扩孔混合作用而产生开裂，这是普通冲杯、扩孔等单一试验方法无法评价的，本文采用预拉伸与扩孔试验相结合的方式，研究预拉伸对材料扩孔率的影响。

试验材料及方法

试验采用的DP590 钢为C-Si-Mn 成分体系，化学成分如表1 所示。Mn 和Si 起到固溶强化的作用，同时起到稳定奥氏体的作用。

表1 DP590 的化学成分(%)

根 据GB/T 228.1-2010 进 行DP590 的0 °、45°、90°三个方向单轴拉伸试验，得到的基本力学性能如表2 所示。DP590 三方向的屈服强度、抗拉强度相差不大，各向异性Δr 为0.15，因此DP590 的各向异性不显著。

表2 DP590 三个方向的力学性能

DP590 的金相组织如图1 所示，白色为铁素体，黑色为马氏体，铁素体是双相钢的主要组织，一般情况下，马氏体含量不高，通常在10%～20%之间，起第二相强化作用。双相钢以铁素体为基体、马氏体呈岛状孤立的分布在铁素体的晶界处，通过合理分配两相含量，利用它们之间的相互作用得到良好的力学性能。

图1 DP590 的组织照片

预拉伸的试样尺寸为300mm×75mm×1.5mm，纵向取样，板面印制2.5mm×2.5mm 方形网格，在300kN 液压拉伸试验机上进行拉伸试验，拉力分别为50kN、60kN、65kN 时停止试验，试样均出现缩颈；另一组试验将试样拉断后停止。在拉伸后的试样上取扩孔样，扩孔试验采用锥头凸模，前三种未出现缩颈的扩孔取样位置如图2 所示，拉裂试样的扩孔取样位置如图3 所示。测量扩孔前试样的应变量和扩孔后孔边缘应变及各位置的扩孔率。

图2 小变形量的拉伸试样和扩孔试样

图3 断裂的拉伸试样和扩孔试样

结果与讨论

对拉力为50kN、60kN、65kN 的预拉伸后的试样进行网格应变分析，在三个拉力状态下，材料未出现缩颈，网格的最大主应变分别为2%、2.5%、3.3%，如图4 所示，且周围网格应变相差不大，因此认为当拉力为50kN、60kN、65kN 时，网格位置处于均匀应变状态。

图4 拉力分别为50kN、60kN、65kN 时的网格应变分布

对第二种拉断后试样进行网格应变分析，如图5所示。在拉断后所取得三个扩孔前试样的最大应变分布分别为0.26、0.204、0.08，拉断后试样的应变分布比较离散，离断口越远，应变呈减小趋势。

图5 由左到右拉断试样的网格应变分布

按照上述方法，在每个拉伸试样上取三个扩孔试样进行扩孔试验，扩孔试验的结果如表3 所示。在50kN、60kN、65kN 预拉伸试样上取得的三个试样扩孔率非常接近，这也表明三种预拉伸力下的试样接近于均匀变形状态，未出现缩颈。为了保证数据的准确性，扩孔率取每种拉伸状态下三个扩孔率的平均值。

表3 扩孔试验结果

根据表3 绘制扩孔率与预应变的关系曲线，如图6 所示，可以看出，DP590 原始板材的扩孔率为54%，预应变会降低材料的扩孔率，并且预应变量越大，材料扩孔率呈指数下降得越低，拟合的平方差为0.9395，由此可见，当DP590 在拉延工序出现很大应变量时，该位置在后序中不适宜再进行翻边成形，一般来讲，DP590 的扩孔率在35%以上时具有良好的翻边性能，因此当材料局部应变小于7%时，该位置后续可进行翻边。该拟合公式为典型汽车零部件的曲线设计和成形工序设计提供重要的参考。

图6 预应变与扩孔率的关系

结束语

双相钢DP590 由于其具有良好的成形性和耐撞性能被广泛应用于汽车典型零部件中。本文采用预拉伸与扩孔试验相结合的方式，研究预拉伸对DP590 材料扩孔率的影响。研究结果表明，随着材料预应变的增加，材料的扩孔率呈指数降低。一般要求材料扩孔率不低于35%时，DP590 具有良好的扩孔性能，观察预应变-扩孔率图发现，DP590 的预应变小于7%时仍具有良好的翻边性能。

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