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dc04冷轧板化学成分
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冷轧深冲板成形性能研究
分类号 UDC密级学 位 论 文冷轧深冲板成形性能研究作 者 姓 名 ： 陈占杰 指 导 教 师 ： 邸洪双 教授东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 申请学位级别： 硕士 学 科 类 别 ： 工学学科专业名称： 材料加工工程 论文提交日期： 2010 年 6 月 论 文 答 辩 日 期 ： 2010 年 6 月 学位授予日期： 2010 年 7 月 答辩委员会主席： 刘相华 评 阅 人 ：东 北大 学2010 年 6 月 A Thesis in Materials Forming EngineeringResearch on Formability of Cold-Rolled Deep-Drawing Sheet MetalBy Chen ZhanjieSupervisor: Professor Di HongshuangNortheastern University June 2010 独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年 □ 一年□ 一年半□ 两年□ 导师签名： 签字日期：学位论文作者签名： 签字日期：i 东北大学硕士学位论文摘要冷轧深冲板成形性能研究摘 要随着汽车工业的发展， 给钢铁业带来机遇的同时对汽车所用材料―钢板的要求也越 来越严格。汽车用板要求高的深冲性能或者高强度，均要求高的成形性能，所以对深冲 板的成形性能研究是十分重要的。 本文以本钢深冲冷轧板 DC01、DC03、DC04 和 DC06 为研究对象，以实验室 BCS-50AR 万能薄板试验机为工具，进行了基本成形试验。结合材料的微观组织和力学 拉伸试验，简单分析其对材料成形性能的影响。并通过大量试验，研究试验条件对成形 试验的影响，总结规律，为实际零件生产提供指导。 主要内容包括以下几个方面： （1）分析了一般冲压钢 DC01、深冲钢板 DC03 和 DC04 及超深冲钢板 DC06 的显 微组织，测定了其应力应变曲线和 n 值、r 值。 （2）利用实验室的板成形实验机开发了板成形实验方法，并对冷轧深冲板进行了 杯突试验、锥杯试验、凸耳试验和扩孔试验，比较了不同牌号深冲板的成形性能，分析 了影响成形试验结果的主要因素。 （3）通过实验研究，确定了压边力、试验速度、控制载荷、试样尺寸、模具圆角 半径和润滑剂等工艺参数， 为成形性能评价实验的顺利进行提供了保障。 实验结果表明： 压边力对成形试验有影响，如杯突和凸耳试验；试验速度变化范围较小，对本材料本身 成形性能影响不大；控制载荷在本试样机上比较重要；试样尺寸小，杯突值增大；模具 圆角半径影响到试验拉深成筒时出现的凸耳；润滑剂均能提高材料的成形性能。 （4）成形极限图可以较全面的表征各种钢板在各种应力状态下的成形性，做出 DC06 的成形极限图，可以有效地评价钢板的成形性能，具有一定的实际意义。总结试 验方法和分析方法，用于指导再次试验。 关键词：冷轧深冲板，成形性能，金相组织，成形试验，成形极限图ii 东北大学硕士学位论文AbstractResearch on Formability of Cold-Rolled Deep-Drawing Sheet Metal AbstractAs the fast developing of the auto industry, it gives more opportunities to the steel industry than before, especially the demanding on the sheet steel. The steels which supply to auto industry have high strength value or high deep-drawing. These two points require the steel holding formability well. Research on formability of cold-rolled deep-drawing sheet metal is necessary. In this thesis the cold-rolled deep-drawing sheet metal DC01, DC03, DC04 and DC06, produced by Bengang Iron and Steel (Group) Company is studied. Using the BCS-50AR as a tool to analyze the formability of cold-rolled deep-drawing sheet metal. On the basis of microstructures and mechanical property, we study the influence of material formability. By way of lots of experiments, Research on test conditions influence of material formability summarizes disciplines. The contents of the study include the following main parts: (1) According to the microstructures and mechanical property of cold-rolled deep-drawing sheet metal, we can find out the affect of plastic forming. (2) The basic experiment includes the Erichsen test, Fukui test, earring test and KWI test. the factors which affect the formability of sheet metal were also referred in the research, especially the conditions of tests. Through many forming tests, we can get the best scheme. Using the best scheme can improve the success rate and get more accurate results. (3) The study of the conditions analyse affect to the formability of cold-rolled deep-drawing sheet steel. The test conditions contain blank-holding force, the speed of test, load-control, the side of specimen, the die radius, lubricant and so on. Identify the causes of the change of test value. As a result, the blank-holding force has a relationship to auxetic type test, for example Erichsen and earring so on. In the test, the speed is slow, so it can’t change the material formability. Through the test we know that the load-control is necessary to the forming test. The side of specimen also affect the value of test. When do deep drawing test, the die radius affect the earring. Through all the forming test, the lubricant can increase the specimen formability.iii 东北大学硕士学位论文Abstract(4) The forming limit diagram indicates the maximum strain limit of the material comprehensive. We get the FLD of DC06 through the test, it can evaluation the DC06 formability effective. Sum up experence and do a better job in the next test. Key words: Cold-Rolled Deep-Drawing Sheet M F FLDiv 东北大学硕士学位论文目录目录摘 要 ...........................................................................................................................................................ii Abstract ........................................................................................................................................................iii 目录.................................................................................................................................................................v 第 1 章 绪论 .............................................................................................................................................11.1 引言.....................................................................................................................................1 1.2 深冲板的发展.....................................................................................................................2 1.2.1 深冲板的发展历史 ......................................................................................................2 1.2.2 国外深冲板的发展状况 ..............................................................................................2 1.2.3 国内深冲板的发展状况 ..............................................................................................4 1.3 冷轧深冲板的成形性能.....................................................................................................5 1.3.1 板材成形性能研究的历史、现状及发展 ..................................................................6 1.3.2 板材成形性介绍 ..........................................................................................................9 1.3.3 深冲板材性能要求 ....................................................................................................10 1.4 成分对组织性能的影响...................................................................................................10 1.4.1 成分对 n 值的影响 ....................................................................................................11 1.4.2 强化机理 ....................................................................................................................11 1.4.3 成分对 r 值的影响.....................................................................................................12 1.5 提高板材成形性的方法...................................................................................................13 1.6 本课题研究的背景和研究内容.......................................................................................14 1.6.1 研究背景 ....................................................................................................................14 1.6.2 研究内容 ....................................................................................................................14第 2 章 试验材料及方法................................................................................................................162.1 试验材料...........................................................................................................................16 2.2 试验薄板金相组织试验...................................................................................................16 2.2.1 金相试验 ....................................................................................................................17 2.2.2 晶粒度计算 ................................................................................................................18v 东北大学硕士学位论文目录2.3 力学拉伸试验...................................................................................................................18 2.3.1 屈强比 ........................................................................................................................19 2.3.2 均匀延伸率 δ u 和延伸率 δ ........................................................................................19 2.3.3 应变硬化指数 n 值 ...................................................................................................19 2.3.4 塑性应变比 r 值.........................................................................................................19 2.4 成形试验...........................................................................................................................21 2.4.1 成形试验设备 ............................................................................................................21 2.4.2 杯突试验 ....................................................................................................................22 2.4.3 锥杯试验 ....................................................................................................................23 2.4.4 凸耳试验 ....................................................................................................................24 2.4.5 扩孔试验 ....................................................................................................................25 2.4.6 成形极限图 ................................................................................................................26第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究..........................................................................................303.1 杯突试验...........................................................................................................................30 3.1.1 试验结果 ....................................................................................................................31 3.1.2 分析与讨论 ................................................................................................................32 3.1.3 影响薄板 E r 值的因素 ...............................................................................................33 3.1.4 小结 ............................................................................................................................36 3.2 锥杯试验...........................................................................................................................37 3.2.1 试验结果 ....................................................................................................................38 3.2.2 分析与讨论 ................................................................................................................39 3.2.3 影响薄板 CCV 值的因素..........................................................................................40 3.2.4 小结 ............................................................................................................................42 3.3 凸耳试验...........................................................................................................................42 3.3.1 试验结果 ....................................................................................................................43 3.3.2 分析与讨论 ................................................................................................................45 3.3.3 影响薄板凸耳率的因素 ............................................................................................45 3.3.4 小结 ............................................................................................................................48vi 东北大学硕士学位论文目录3.4 扩孔试验...........................................................................................................................48 3.4.1 试验结果 ....................................................................................................................49 3.4.2 分析与讨论 ................................................................................................................50 3.4.3 影响薄板扩孔率的因素 ............................................................................................51 3.4.4 小结 ............................................................................................................................51第 4 章 成形极限图...........................................................................................................................524.1 试验结果...........................................................................................................................53 4.2 分析与讨论.......................................................................................................................58 4.2.1 DC06 钢板 FLD 与 n 值、r 值的相关性...................................................................58 4.2.2 成形极限图 FLD 的影响因素 ..................................................................................59 4.3 极限图的应用...................................................................................................................59 4.3.1 选用合适材料的依据 ................................................................................................59 4.3.2 合理利用变形可控因素，完善冲压成形 ................................................................60 4.3.3 用于提高复杂件成形质量 ........................................................................................61 4.4 提高极限图的路径...........................................................................................................61 4.4.1 材料组织方面 ............................................................................................................61 4.4.2 材料工艺方面 ............................................................................................................61 4.4.3 试验条件方面 ............................................................................................................61 4.5 小结...................................................................................................................................62第 5 章 结 论.........................................................................................................................................63 参考文献....................................................................................................................................................64 致谢...............................................................................................................................................................66vii 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 引言随着社会经济的快速发展，汽车已成为人类社会活动中不可缺少的工具，汽车工业 已成为许多工业发达国家的支柱产业。我国的汽车工业也在迅猛发展。2009 年 10 月 20 日随着第 1000 万辆汽车的下线，中国已经迈进千万辆级汽车生产大国的行列。据统计 2009 年中国以 1379 万辆的产量超越日本，首次成为全球第一大汽车生产国。根据中国 汽车技术研究中心数据显示，我国汽车今年至 5 月底的产量达到了 717.8 万辆，同比累 计增长 32.18%。从数据中可以看出，汽车工业的蓬勃发展是成倍数增加的。而汽车工 业的发展又与原料工业，特别是钢铁工业密不可分的，根据德国联邦统计局计，生产一 辆汽车所需的原料大约有 70%是钢铁材料：钢铁材料中的薄板，特别是深冲板，是汽车 原料用的最为广泛和最重要的材料， 可以说一辆汽车质量的好坏和它所用到深冲性能的 好坏是息息相关的。面对汽车工业诱人的发展前景，国内的钢铁企业纷纷加大和快了各 自深冲板的研制力度和研究步伐，都在改进和提高自己深冲板的性能与质量。力在汽车 原料市场上抢占更大的市场、获得最大的利润。 随着汽车工业的迅猛发展， 使新型冲压材料的开发、 新的冲压材料性能参数的研究、 汽车覆盖件冲压成形理论与成形技术的研究、 新型冲压成形设备的开发以及冲压过程的 计算机模拟等方面都得到了很大的发展， 从而使板材冲压成形理论与成形技术得到了进 一步的丰富与完善。 汽车车身是一个形状复杂的空间薄壁壳体。它的主要零部件的成形问题均由钢板 冲压成形而成。所以汽车工业的发展，对钢铁工业，特别是深冲薄板产业的发展至关重 要。目前，我国各大钢厂均加大了在深冲薄板的投入，力争在汽车工业用薄板方面占有 一席之地。 由于汽车覆盖件大都是空间曲面结构、形状复杂，从而决定了在冲压成形中的变形 复杂性。对于深冲薄板来说，其成形性能的好坏是决定其价值的标准。研究薄板钢的成 形性能是十分必要的。通过研究，更能深入了解薄板钢的成形过程、成形性能及成形极 限，对指导薄板的生产是至关重要[1]。 本文主要包括两部分，第一部分，对薄板进行基本的成形试验，其中包括杯突试 验、锥杯试验、凸耳试验和扩孔试验。比较四种不同牌号钢板的成形能力，总结规律 性问题。通过不同条件下试验方案，对影响成形性能指标的因素进行比较。第二部分 做出深冲钢的成形极限图，分析影响钢板成形极限图的因素，具体来指导生产，提高 钢板的成形性能。-1- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论1.2 深冲板的发展1.2.1 深冲板的发展历史深冲板发展的历史也是其深冲性能提高的历史； 根据深冲性能可以大体将其分为三 个阶段： 第一阶段：是以沸腾钢(F)为代表的第一代产品，时间在 20 世纪 50~60 年代。在炼 钢时充分进行沸腾，沸腾钢外侧杂质含量较少，其表面形状良好。其特点是塑性应变比 (r)值不高，一般在 1.0 和 1.2 之间，由于含有较多的氧和固溶氮，所以应变时效明显。 只能用于普通深冲件。 第二阶段：以铝镇定钢(AK)为代表的第二代产品，时间在 20 世纪 60~80 年代。在 炼钢时添加铝、硅等元素进行充分脱氧，得到偏析甚少而质量均匀。镇静钢板虽比沸腾 钢板要较均质，但钢板的表面形状较差。特点是通过向钢中加铝脱氧并控制氮化铝的固 溶的析出，从而有良好的深冲性；同时，由于氮被固溶在氮化铝，在罩式退火或连续式 退火加上过时效处理中，绝大部分碳析出成为 Fe3C，所以平整后比较稳定。 第三阶段：IF(Interstitial Free Steel)钢，又叫无间隙原子钢。它的发现出现了第三代 深冲产品，在 20 世纪 80 年代以后，它是在超低碳钢的基础上(C≤0.005%，N≤0.003%) 加入足够量的钛或镍，使钢中的碳、氮原子完全被固定为碳氮化合物(TiCN，NbCN)， 从而使钢中无间隙固溶原子存在，其特点是纯净的钢质和较为粗大的铁素体晶粒，可得 到超深冲的性能。 三代冲压用钢板的性能比较见表 1.1[2]。表 1.1 三代冲压用钢板的性能比较 Table1.1 The capability of three stages forming sheet steel 钢种 沸腾钢（第一代） 铝镇静钢 （第二代） IF 钢（第三代） 屈服强度/MPa 180~190 160~180 100~150 拉伸强度/MPa 290~310 290~300 250~300 总延伸率/% 44~48 44~50 45~55 r 1.0~1.2 1.4~1.8 1.8~2.8 n ~0.22 ~0.22 0.23~0.281.2.2 国外深冲板的发展状况为了达到轿车减重、节能、耐蚀性和安全性的要求，各国的轿车工业广泛地采用了 高强度和超深冲钢板以及表面处理钢板，开发了许多新的深冲板的品种。随着深冲及超 深冲钢板的发展，又开发了超高深冲级钢板。该类钢板的 r 值为 2.5，延伸率为 51%， 时效指数相当好。 日本已成功开发生产出 r 值达到 3.0 的超高深冲级钢板。 从近 40 年国 内外汽车板发展的过程来看，超深冲钢板是向高洁净、超低碳和微合金方向发展[3-5]。-2- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论超低碳钢的脱碳必须开发并大规模生产碳含量小于 0.001%-0.0015%的超低碳钢技术， 为此开发了 RH 中超低碳钢高速脱碳工艺。 日本 2000 年钢中碳含量平均己达到 0.0016% 的水平。韩国 POSCO 公司利用极低磷生产技术(利用转炉吹炼技术将磷含量降低到 0.0064%)和改善炼钢、连铸、轧钢等生产流程的情况下，可生产最大宽度达 1970mm 的 超宽幅汽车钢板。目前，这种超宽度汽车板在日本等先进钢铁企业也难以生产。采用宽 幅钢板生产汽车外板时， 由于不需焊接就可以直接使用， 因此颇受汽车生产厂家的欢迎。 钢液中的磷含量是影响钢板延展性能的重要因素，要想生产汽车用宽幅钢板，应将钢液 中的磷含量控制在 0.008%以下。 汽车用高强度钢的开发始于 20 世纪 70 年代石油危机前后，首先是微合金钢，然后 是磷合金钢； 世纪 80 年代前期是 DP 钢和 BH 钢和 IF 钢； 20 1990 年前后又开发出了强 度更高微合金钢―各向同性钢， 接着又开发出了 TRIP(相变诱发塑性)钢、 多相超高强度 抗拉强度已达到 1000MPa，最高的甚至达到 1200MPa 以上[6]。 韩国浦项钢铁公司于 2001 年 3 月成功开发出轻量型汽车钢板。该钢板具有比目前 所使用的钢板薄、强度高和抗疲劳强度高等特点。其方法是通过向钢中加入 Nb，开发 出屈服强度可达到 800MPa 级的热轧 TRIP 钢。该钢材加工成冷轧板后，成形性能非常 好，可以加工成具有复杂形状的汽车部件。 日本神户钢铁公司通过研究 590MPa 以上级别的高强度钢板―适用于驾驶室周围 主要结构部件，开发出各种高强度钢板。开发的高延性 980MPa 级超高强度复合组织冷 轧钢板，其延伸率为 20%，能承受复杂冲压成形[5]。该钢种的开发主要采用了四项新技 术；防止含 Si 高的连铸板坯裂纹技术；防止含 Si 高的钢发生晶界氧化的特有技术；开 发提高高强度板形状和尺寸精度技术； 建立了将材料实验信息迅速传输到退火条件的信 息反馈体制[7]。 冷轧高强度钢板主要用于车体内外板，板厚范围通常为 0.5～1.2mm，强度级别为 340~1470MPa。主要包括：含 P 铝镇静高强度钢、IF 高强度钢(IF 钢中加入 Si、Mn、P 等元素以提高强度)、高残留奥氏体的相变诱导塑性高强度钢(TRIP 钢)、烘烤硬化高强 度钢板和汽车结构件用超高强度钢板等。 由于高强度钢板的采用， 汽车用钢板厚度减薄， 从而对钢板的防腐蚀性提出更高要求，促进了高强度表面处理钢板的发展。20 世纪 80 年代，汽车制造业已大量使用镀锌板制作汽车的内板和外板。最初主要使用电镀锌板， 由于热镀锌板成本比电镀锌板低，20 世纪 90 年代中期以后，国外很少新建电镀锌板生 产线，同期热镀锌板生产量增加很快，投产了大量汽车板热镀锌机组。汽车板热镀锌机 组以生产外板为重点，生产规格板厚为 0.6～1.2mm，板宽为 800～1850mm，最宽可达 2000mm。产品级别相当复杂，从 CQ、DQ、DDQ、EDDQ 到 BH、DP、TRIP 等汽车 用高强度钢板。通过采用多种先进技，使镀层形貌、厚度精度等得到精确控制，如锌层 厚度误差小于 2～3g?m-2。通过采用无铅镀锌可生产无锌花钢板，该镀层不易产生晶间-3- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论腐蚀，使用寿命长，适用于汽车和电器行业。日本几乎每套热镀锌机组都设置了锌铁合 金化炉， 锌铁合金化镀层板(Galvaneal)标准镀层厚度为双面 160～180g?m-2， 合金镀层含 Fe8%～12%[8,9]。1.2.3 国内深冲板的发展状况国内汽车钢板的发展是随着国内汽车工业的发展而发展的。 目前已经能够生产全部 普通强度 σs&180MPa 的 CQ 级、冲压 DQ 级和深冲 DDQ 级钢板，并试制了超深冲级 EDDQ 级、SEDDQ 级以及一些高强度 BH 钢、含磷 RP 钢等，生产的汽车钢板基本上 可以满足生产货车的需要，并且可部分用于对钢板的成形性能、表面质量和涂饰性能等 要求更高的轿车生产[10] 鞍钢是我国最早生产汽车钢板的企业， 年代开发成功的深冲 08Al 冷轧汽车钢板， 60 使部分汽车难冲压件的冲压破损率低于 3%；1998 年鞍钢与一汽车共同研制出 A220BH 烘烤硬化板，具有良好的成形性能及适中的烘烤硬化值[11]。2000 年 5 月鞍钢 1780mm 热带钢机组竣 3 工投产，具有年产 350 万吨高质量热轧板卷的生产能力，并预留了热轧 无头轧制设备建设场地。引进日本三菱集团的轧机成套技术，集纳了美国、德国、加拿 大等在计算机、液压、仪表方面之所长，采用了热装、大侧压、全液压带自动跳步控制 系统卷取机和板形控制等先进技术，为进一步研究生产无锌化热镀锌钢板、厚镀层电镀 锌钢板、 高强度镀锌板和烘烤硬化镀锌板等汽车用镀层钢板的热轧原料生产做好了充分 的硬件准备[12]。 武钢自 1700mm 轧机工程投产以来，就致力于汽车钢板开发和生产，成功生产了 08Al 系列冷轧钢板、含磷高强度冷轧钢板和含钛高强度热轧钢板等汽车钢板品种。为 进一步满足汽车工业发展需求，提高钢板尺寸精度、稳定产品质量，武钢在“八五”其间 先后对 1700mm 机组进行系统技术改造，生产汽车钢板的能力和产品质量均有较大提 高。“九五”其间成功开发了 320～540MPa 的热轧专用钢系列和超深冲冷轧板、烘烤硬 化钢板等 22 个产品，实现了汽车用钢板系列化[13]。其中超深冲冷轧板 WIF 实物性能指 标达到国外同类产品先进水平[14]。现计划兴建 2250mm 冷轧机组及配套镀层机组，届 时将形成 100 万吨汽车钢板生产能力，并且以轿车用钢板品种为主。 宝钢生产汽车钢板的条件较好，是目前国内生产汽车钢板数量最大、品种最多的企 业。宝钢冷轧汽车板的发展可划分为四个阶段： 第一阶段：以生产低碳铝镇静钢为主的普板软钢系列阶段，成品生产工艺以罩式炉 为主，代表牌号如 Stl2～Stl4。 第二阶段：在二期 2030mm 冷轧设备基础上，开发并大力发展 IF 钢，具备批量生 产 IF 钢和 O5 板的能力阶段。开始一些镀锌和高强度汽车板的研究，但仍以冷轧普板 为主。-4- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论第三阶段： 标志是 1550mm 冷轧的连续退火、 热镀锌和电镀锌三条生产线相继投产， 从硬件上进一步奠定了汽车板生产的基础。产品特点是可批量生产镀锌(热镀锌、热镀 锌合金化、电镀锌和电镀锌镍)和高强度钢板。 第四阶段：在三期 1550mm 冷轧设备基础上，开发以 TRIP 和 DP 为主的先进高强 度及其镀锌钢板系列，开发热镀锌外板。 经过四个阶段的发展，除 800MPa 以上由于设备不具备生产能力外，宝钢冷轧汽车 板的品种已经比较齐全[15]。生产的 St14 和 SPCE 牌号冷轧钢板，实物质量已达到国外 同类钢板水平，批量供给一汽、二汽、上海和北京等主要汽车制造厂，替代进口钢板使 用。IF 钢性能不逊于日本 IF 钢商业板 KTUX。 本钢在 1987 年 9 月得到国家计委批复开始建设本钢冷轧薄板厂，1992 年 8 月奠基 开始基础建设，1995 年开始调试。是引进比利时“考克里尔”公司 1678mm 四辊四机架 冷轧机组、单机架四辊平整机一套，横切机组二条。新设备有酸洗机组生产线、罩式生 产线、热镀锌机组和重卷机机组四条生产线，以及辅助配套设备。总投资 25 亿元，具 有年产 70 万吨冷轧板能力。 通过这几年发展，又新添加生产线是由日本三菱―日立公司设计的五机架六辊 UCM 轧机，整体装备达到当今国际先进水平，主要生产高质量的汽车板和家电面板。 本钢冷轧薄板厂现具有年产冷轧材 350 万吨的生产能力。 现在建设的第三条生产线是冷 轧超薄板生产线，是由德国 SMS―DEMAC 公司设计和建造的两台单机 6 辊轧机，可 以轧硅钢、高强钢等先进钢种，具有世界最先进的冷轧控制技术水平。本钢的发展目标 是：精品板材基地和具有国际竞争力的现代化企业是本钢的战略目标。 目前国内大宗生产的汽车钢板，主要是用于货车制造的热轧钢板和冷轧钢板，以及 部分用于轿车内板的冷轧板。小批量生产用于轿车外板的高级精整表面钢板、用于轿车 复杂部件的高成形性钢板，由于质量不够稳定，尚不能完全满足市场的需要。轿车用的 镀层钢板，现在还处于试验阶段[16]。 与国外主要汽车板生产国的产品实物相比， 国内在薄板生产技术方面还存在以下主 要差距[17]： （1）在高技术含量的新型汽车板生产中，如高强度系列、超深冲系列和高强度镀层板， 尚未形成系列化产品。 （2）现有产品在使用性能、板厚精度和表面质量等方面存在较大波动。 日前我国汽车工业已进入快速发展时期，汽车产量自 2001 年的 234.2 万辆猛增到 2002 年的 325.1 万辆，2009 年的 1379 万辆，已经成为世界第一。预计冷轧薄钢板的年 需求量将达到 1000 万吨以上[18]。因此，开发研制汽车用高附加值深冲压冷轧薄钢板及 钢带，市场需求非常巨大，前景十分良好。1.3 冷轧深冲板的成形性能-5- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论冷轧深冲板是指经过冷轧后具有深冲性能的冲压板。 钢板的冲压性能一般指在冲制 成形时，钢板耐冲压的程度，即成形性能的好坏，亦即钢板能在其平面方向上获得最大 的塑性流变，同时在厚度方向上对流变产生最大的阻力。 具有最佳的成形性能的薄板材料应是[19]： (1)具有高的均匀应变能力。 (2)保证深冲性能的垂直各向异性和平面各向同性。 (3)可达较高应变而无颈缩和断裂。 (4)具有较高平面内剪切应力而无断裂。 (5)高的形状稳定性。 (6)保持表面光洁、减少表面损伤。 板材冲压性能是指板材对各种冲压加工方法的适应能力，如便于加工，容易得到高 质量和高精度的冲压件，生产率高，不易产生废品等。冲压性能所包含的内容可用表 1.2 说明[20]。表 1.2 冲压性能的内容 Table1.2 The content of forming 伸长类成形 压缩类成形 传力区的承载能力 冲 压 性 能 受拉的传力区 受压的传力区 均匀拉应力下的贴膜性能 形状与尺 寸精度 贴膜性能 不均匀拉应力作用下的贴膜性能 面外正压力作用下的贴膜性能 形状冻结性能 塑性变形中表面粗糙度的变化 表面质量 冲压过程中的表面粘结与划伤 冲压毛坯与模具表面间的接触压力 塑性 塑性变形稳定性 抗压失稳性能变形区成形极限 成形极限本试验主要研究的是薄板的冲压成形性能，也就是从成形极限出发，研究深冲薄板 钢的各种成形指标。1.3.1 板材成形性能研究的历史、现状及发展Root 在 1850 年设计制造了第一台曲柄压力机，从这以后便开始快速、大批地生产 板金属制品，开始了板金属加工由手工工艺向经验技术的过渡。 薄板成形的最大突破应归功于汽车的发明。 亨利?福特在 1896 年生产出第一台汽车，-6- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论1903 年建立了他的汽车公司。 到了二十世纪，金属板材实验得到很快发展。一次世界大战后曾出现二十多种模拟 实验方法。三十年代和四十年代进行了大量的薄板塑性学理论研究。 1949 年 5 月，出现了板材成形性研究历史上最重要的事件。Landford、Synder 和 Bausecher(LSB)向美国金属学会提交了“预报板金属成形性能的新判据”的论文，提出了 反映材料硬化能力的 n 值，指出它是胀形成形中的关键指标。同时，在 1925 年 Philips 和 Dunklel 工作的基础上，他们还提出用表示厚向异性级别的 r 值来反映材料抵抗变薄 和承受深压延的能力。 成形性研究的第二个里程碑是 60 年代 Keeler 和 Goodwin 分别用实验方法确定评价 成形性能的成形极限图(FLD)。 Keeler 在分析板料拉伸成形极限时提出了 FLD 的右半部 分曲线(应变状态为拉-拉部分)。Goodwin 又根据实验结果补充了 FLD 的左半部(应变状 态为拉-压部分)。 至今 FLD 仍广泛应用于薄板成形性分析中， 成为板材成形工艺和实验 研究的主要工具。 后来， Marciniak 和 Kuczynski(M-K)根据 Hill 在 1952 年发表的失稳理论提出了理论 成形极限的概念。随后于 1975 年发展为著名的 FLD/MK 模型，开始了理论成形极限图 的研究，从而构成了板材成形性研究的第三个里程碑[21~24]。 现在人们正在应用各种数值模拟软件(如板料成形专用软件 eta/Dynaform 等)对板料 成形性能进行研究，使得对成形极限图的研究也进入了崭新的阶段，如 Dynaform 软件 在板料成形模拟后会自动生成成形极限图。通过材料的本构方程来预报成形极限，使板 材成形进入了由经验技术向工程科学的过渡阶段。 从五十年代起，尤其是近十几年来，薄板成形性研究的发展十分迅速，在美国、日 本、加拿大和德国等国取得的进步尤为突出。主要有以下几个方面[25]： (1)成形极限的研究： FLD 的理论研究基础是拉伸失稳理论。20 世纪 50 年代 Swift 提出的分散失稳理论 和 Hill 提出的集中失稳理论为板料成形和板料成形极限图的研究提供了理论基础。 后来 在板料研究理论方面又先后出现了各种理论或模型，如考虑材质不均的 M-K 沟槽理论 (M-K 模型)，考虑颈缩区内外速度不连续的 S-R 理论以及后腾理论。国内近些年来也有 很多学者对板料成形及板料成形极限图进行了较为深入的理论研究， 并通过实验进行了 验证，由此提出了不少的失稳理论模型和判据。如对现有的 FLD 理论计算中左右部分 理论基础不统一的问题进行研究，建立了两部分统一的 FLD 理论模型。 (2)成形力学分析及过程模拟优化： 成形过程的应力-应变分布的计算和测定，润滑、摩擦、温度、速度等成形条件的 作用，采用数值法(有限元法、差分法)对成形过程进行模拟计算、优化以及计算成形 极限。-7- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论(3)成分、组织结构、板材表面状态对成形性的影响： 化学成分、杂质含量、形状及分布、金相组织、晶粒度、织构等因素对各成形性指 标的影响机理，对表面状态的影响。 (4)特种薄板成形性的研究： 研究不锈钢板、低合金高强度钢板、有色金属、各种镀层板、合金板及复合板等特 种薄板的特殊成形性能。 (5)计算机辅助设计及制造(CAD/CAM)： 发展计算机在板材成形性能的研究、 成形工艺设计及成形件制造和模具设计制造中 的地位和作用，是现代薄板成形领域中的一个重要标志。随着有限元理论和技术的发展 以及计算机运算能力的提高， 近年来板料成形中开始广泛使用数值模拟技术来分析板料 成形中的起皱、破裂等问题，有限元模拟也在一定程度上代替实验和理论计算来得到成 形极限曲线。但是有限元模拟精度是能否获得精确可靠的 FLD 的关键问题，这就使得 模拟中工作单元的划分、硬化曲线的描述、本构关系和各向异性以及边界条件的确定成 为模拟中的重要问题。 现在用来模拟板料成形的软件主要有动态显式和静力隐式两种，动态显式的有 Dynaform、Pamstamp 等，静力隐式的有 Marc 等[26]。 其中国内的著名高校如上海交通大学和华中科技大学等都应用 eta/Dynaform 软件 来模拟板料成形问题并获得了较好的效果，尤其在复杂的汽车覆盖件的成形模拟中 Dynaform 发挥了很大的作用，Dynaform 软件是专业的板料成形数值模拟软件，它能在 板料成形模拟后处理时可以绘制出板料的成形极限图。 (6)薄板成形性科学评定的测试方法的研究： 板材的单向拉伸、双向拉伸、对角拉伸实验测试，各种模拟成形性实验测试、成形 极限图的实验测试等。 当前成形极限图的研究大多数仍然通过采用电蚀法在试样的表面印制网格， 用半球 凸模胀形法进行实验，然后用网格分析装置得到临界网格圆的极限应变，最后绘出成形 极限图。如何精确测出临界网格的极限应变，成为当前成形极限图研究的主要内容。由 于圆形网格在测量非比例变形时存在不足之处， 现在已有学者应用方形网格来代替圆形 网格进行极限应变的测量，如 M.P.Sklad 用方形网格来测量主次极限应变[27]。 进入九十年代以来，随着计算机技术的发展和成熟，板料成形的数值模拟得到了飞 速发展。板料成形的数值模拟涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性、边界条 件非线性等非线性问题的计算，难度很大。随着非线性连续介质力学理论、有限元方法 和计算机技术的发展，通过高精度的数值计算来模拟板料的成形过程已成为可能。 应变路径是成形极限图的主要影响之一， 很多学者从应力与应变两方面研究了应变 路径对板料成形极限的影响。Arrieux 等通过实验和转换计算，得出板料失稳时应力状-8- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论态与应变路径无关，进而提出了成形极限应力图 FLSD(Forming limit stressdiagram)[28]。 M.P.Sklad 也用成形极限应力图分析了板料成形中的非比例变形情况。尽管将成形极限 曲线按照塑性应力应变关系转换成成形极限应力图，曲线形状与加载路径无关，但仍需 获得板料的极限应变。 所以能否找到一种从本质上更能反映板料成形性能而且减少对外 部条件依赖的研究方法，已经成为将来研究板料成形极限图的一个重要的研究课题。 (7)板料成形性研究的趋势 近年来，板料成形性研究经历较快的发展，并且有着广阔的发展前景。归纳起来有 以下几点： (a)在成形极限图方面，由于实际条件中板料受材料参数、实验条件等复杂因素的 影响，能够避开复杂应变路径的成形极限应力图(FLSD)会成为研究方向和研究重点。 (b)十字形试件可实现复杂加载路径，但中心区域应力应变测量与计算方法是目前 要解决的问题。 (c)目前剪应力起皱方面的研究较少，考虑到板料的抗皱性，这方面将成为学者需 要解决的问题。 (d)板料回弹问题体现着板料的抗弹复性，有着越来越重要的研究价值，目前专家 学者渐渐倾向于有限元模拟回弹的研究。由于回弹是板料成形中的最后一步，再加上板 料回弹问题的影响因素太多，所以其模拟精度是一个严峻的挑战，将成为研究的重点和 难点[29]。1.3.2 板材成形性介绍对板材冲压性能的研究， 已由过去单纯的试验方法研究阶段发展为金属学变形力学 等方面的系统理论研究的全新阶段。主要研究内容为[20]： 1.金属组织结构与冲压性能关系； 2.板材生产方法对冲压性能的影响； 3.各种冲压变形对冲压性能的要求； 4.冲压性能的表示方法与鉴定方法。 板材冲压性能的试验方法很多，概括起来分为直接试验和间接试验两大类，如表 1.3 所示。直接试验中，板材的应力状态和变形情况与真实冲压时基本相同，所得结果 也比较准确；而间接试验时板材的受力情况与变形特点都与实际冲压时有一定的差别。 所以，所得的结果也只能间接地反映板材的冲压性能，有时还要借助于一定的分析方法 才能做到。-9- 东北大学硕士学位论文 表 1.3 冲压性能试验方法 Table1.3 The test method of forming 拉伸试验 间接试验 金相试验 硬度试验 杯突试验(Er) 板材冲压性能 试验方法 直接试验 模拟试验 扩孔试验(KWI) 锥杯试验(CCV) 拉深成形试验(LDR) 凸耳试验(earring) 成形极限图(FLD) 实物试验和模型试验第 1 章 绪论1.3.3 深冲板材性能要求随着汽车制造技术的发展， 包括计算机综合制造技术的应用以及汽车品种的升级换 代，汽车对深冲板的品质要求不断提高以便在汽车制造中可减少废品，利于操作和提高 效率，并可在使用过程中达到美观、安全、耐用和高效能，为满足现代汽车制造和使用 要求，深冲板必须具备的基本品质是[30]： (1)良好的板面平直度和板形，严格的尺寸精度和性能均匀性。 (2)优良的成形性能，即：高的塑性应变比 r，高的伸长率 δ，低的屈服强度 σs，低 的时效指数。 (3)良好的焊接性能。 (4)部分零件用钢板应具有吸声减震效果。 (5)优良的表面形貌和光洁度。 (6)高的耐腐蚀性能。 (7)良好的抗凹能力和足够的抗变形强度。1.4 成分对组织性能的影响冶炼是提供汽车板“洁净”钢质的关键工序，目前生产汽车板冶炼工艺普遍采用(1) 铁水预处理，(2)顶底复合吹转炉，(3)挡渣出钢，(4)真空精炼，(5)保护浇注，(6)电磁搅 拌，(7)防止增碳等技术，调节影响钢质的化学元素，控制钢的化学成分，获取洁净的 优质汽车钢板。我国汽车板的冶炼取得了不少成绩，但在钢质纯净度方面尚达不到国际 先进水平。-10- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论1.4.1 成分对 n 值的影响一定的成分是获得一定的组织和性能的基础。一般认为，只要溶解于铁素体的合金 元素和过剩相都降低 n 值；凡是能得到无畸变铁素体的措施都提高 n 值。表 1.4 为 1％ 重量比的合金元素对 n 值的影响。可以看出，合金元索溶解度越小，降低 n 值的作用越 强烈[31]。表 1.4 合金元素对 n 的影响 Table1-4 The Alloying elements effect to the n 合金元素 Cu Si Mn Ni Cr △n -0.06 -0.06 -0.04 -0.04 -0.02 铁素体中固溶(wt%) 1 15 3 10 100表中未列出碳对 n 值的影响， 但我们知道当碳含量从普通深冲钢的 0.05％减小到超 深冲钢的 0.003%时 n 值可从 0.22 提高到 0.26，这样看来碳的作用可名列榜首。另外碳 的固溶度远比表中各元素的固溶度小，这也完全符合固溶度越小时 n 值影晌越大的趋 势。对高的 n 值来说，超低碳是十分必要的。1.4.2 强化机理1.4.2.1 固溶强化 塑性变形是凭借位错运动(即由滑移)而发生，限制其可动性的一种办法是引入溶质 原子或沉淀物之类的非均匀物，或在延性基体中添加硬粒子，当固体的力学性能因引入 溶质原子而改变时，所导致的强化就称为固溶强化[32]；在固溶强化的情况下，位错和 壁垒的交互能使溶质原子向位错迁移，形成围绕位错的气团(如 Cottrell 气团)，具有钉 扎位错的作用；这种交互能与多种因素有关(错配交互作用，静电交互作用，化学交互 作用等)。 关于固溶强化的机理大体上可以分为三类，即(1)位错钉机制。位错被可运动的溶 质原子钉扎而造成强化。这种钉扎主要是在合金开始屈服时起作用；(2)摩擦机制。运 动的位错受到相对不动的溶质原子所引起的内应力场的阻碍，而增加了位错运动的阻 力；(3)结构机制。溶质原子通过影响合金中的位错结构，而间接地影响使位错运动所 需应力的大小。 1.4.2.2 分散强化 当在合金组织中含有一定数量的分散的异相粒子时，可使其强度有很大的提高。这 种由第二相分散质点造成的强化过程统称为分散强化。-11- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论当晶体中的位错在运动的前方遇到第二相质点的阻碍时， 它可以不同的方式通过质 点。(1)位错切过第二相质点。(2)位错绕过第二相质点。当质点的尺寸长大到使位错难 以借切过的方式通过的时候，位错就用绕过的方式前进。 1.4.2.3 位错强化 金属的变形主要是通过原有位错的运动和许多附加位错的产生而进行。 金属中的位 错密度越高，则位错运动时容易发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的 障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。这种用增加位错密度提高金属 强度的方式称为位错强化。 1.4.2.4 细晶强化 关于晶粒尺寸强化理论即有许多， 其中较为重要的有 Hall-Petah 理论、 Corell 理论、 Li 理论和 Conrade 理论； 晶粒大小是影响材料的强度和塑性的重要因素。 细晶强化是一 为此可向钢种加入 Al、 V、 Ti、 种能够同时提高强度而不损失韧性的有效的强化手段[33]。 Nb 等元素，形成难容的第二相粒子，这些粒子越弥散细小，数量越多，则晶界迁移阻 力越大，从而细化了晶粒，强化了金属。1.4.3 成分对 r 值的影响成分对 r 值的影响就是成分对织构的影响， 在深冲钢成分含量范围内成分对冷轧织 构影响不大，主要是通过各种弥散析出物影响再结品过程来影响最终织构的 r 值。 1.4.3.1 间隙原子影响 固溶 C 的影响：试验一般趋势都是随含碳量增加，r 值下降。另外，取得最大 r 值 的压下量随着碳含量的降低，向冷轧高压下率方向移动。关于 C 对织构影响的机理， 众说纷纭，比较一般的看法是 C 含量高时，变形后形成不均匀变形区，在再结晶过程， 这些变形区使{hkl}&001&组分容易形核。 有利织构{111}&uvw&相应减少。 相同压下量下， 碳越多形变越多。为减少变形带，最佳压下量只有降低。从另一角度来说，也可以把最 佳压下率低看成是钢中碳过多，碳当量高的原因。 N 的影响：处在固溶态时与 C 作用相似。当在超低 C 钢中 N 含量极低时，形变织 构主要发生同位再结晶，因此使有利形变织构在退火时得到保留和加强。 1.4.3.2 置换原子影响 Mn 的作用：Mn 可以与 C、O、S、N、P 等交互作用。它在冶炼中的作用是脱 O 和消除 S 的影响。 锰能提高钢的强度， 但不降低钢的韧性元素。 锰因能减少晶界碳化物， 细化了铁素体晶粒，故能提高韧性，尤其是当 Mn/C 为 3 以上时，其作用更显著，对低 温用钢来说，对形成铁素体-珠光体组织的碳钢只要碳量增加，冲击转变温度就升高， 韧性便恶化，所以多数钢都提高 Mn/C 的含量。胡郁等在低碳中测了不同的 Mn 量 (0.005～0.56)对(111)织构的影响。关于 Mn 含量高时的不利作用的流行解释为 Lucke 提 出的杂质拖拽模型。再结晶初期成核的{111}晶粒成长中的晶界受到溶质原子拖拽时，-12- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论一些杂乱方位的晶粒将有时间形核，从而削弱了{111}织构[34]。 Al 的作用：Al 一般是作为脱氧剂加入的，作用是去除钢液中的氧；另外，它还可 以以第二相的形态来控制成品钢板的组织和间隙原子的位置来改善钢板冲压性能， 减少 时效，防止在冲压过程中产生滑移线，它的含量少起不到作用；含量多使成品钢板的晶 粒变细，强度增高，冶炼时应按加入量进行适当控制。 P 的作用：P 强化效果好，能促进有利织构，但使塑性有所降低，关于 P 在低碳钢 再结晶中的作用机制有以下观点：(1)P 在钢中以 Fe3P 析出，有类似 AIN 的有利作用。 (2)P 改变了 C 的析出行为。(3)P 影响了固溶 C 原子的状态及作用。Ohaski 报道间隙固 溶 C 极少时，加 P 使{111}组分减弱，当固溶 C 较多时（10－24ppm）对 p 反而有促进 {111}组分的作用[35]。 1.4.3.3 析出物和原子对的作用 AIN 原子集团的作用：再结晶温度高时 AIN 析出。极微细的原子集团阻碍了再结 晶，使再结晶温度升高。如果冷轧前 AIN 己析出，AIN 较粗大则再结晶温度降低，晶 粒不易呈饼形，r 值和沸腾钢差不多。不同取向晶粒储能不同，其大小顺序为： {011}&{111}&{112}&{001}， 储能大则再结晶驱动力大， 亚晶成核长大容易进行[36]。 {011} 是不稳定织构，数量很少，所以{111}晶粒先形核。相比之下，AIN 对高储能{111}晶粒 的形核阻力小于对低储能{001)晶粒的形核阻力。AIN 粗化越慢，对{001}晶粒长大的阻 碍作用越大。AIN 的析出有偏聚，冷轧退火后等轴晶粒成为饼形。 原子对作用：C、Mn 共存使 r 值下降，这种影响与造成再结晶杂乱形核长大有关。 C、Mn 的相互作用使有利织构的选择性形核减弱。1.5 提高板材成形性的方法提高板材成形极限所需的材料特性表示在表 1.5 中。通过提高材料一些特性，对板 材的成形性能有直接的影响[37]。表 1.5 提高板材成形极限途径 Table1.5 The method of improve the forming Ability 不良成形 成形方式 拉胀 破裂 深冲 翻边 起皱，形状固定不良 冲压 提高成形极限所需要的材料的特性的变化 塑性 δ↑、n↑ r↑ 扩孔值↑ 杨氏模量↑，σs↑、σb↑而为了达到提高材料成形极限所要求的材料的特性， 在深冲板的生产中要注意在不 同生产阶段的影响程度如表 1.6。-13- 东北大学硕士学位论文 表 1.6 深冲板生产中不同生产阶段的影响程度 Table1.6 The influence of the producing deep steels 材料特性 冶金学方法 炼钢 n值 r值 调整化学成分 调整结晶组织 改善组织 控制结晶组织 扩孔性 减少二相粒子 提高 r 值 σs、σb 调整化学成分 控制结晶组织 △ △ △ △ ▲ △ ▲ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ 相关生产工艺的影响 热轧 冷轧第 1 章 绪论退火▲ ▲ ▲ △ ▲▲注：△―影响小，▲―影响大1.6 本课题研究的背景和研究内容1.6.1 研究背景汽车工业的迅猛发展，2009 年我国年产 1379 万辆，已经成为世界第一大产量国。 而对汽车的相关行业也充满了机遇。 汽车的 70%是由钢铁组成， 所以对钢铁业来说―― 特别是薄钢板业是不可奢求的机遇。随着汽车工业的发展，对冲压薄板的要求会更加苛 求，所以研究深冲薄板的成形性能是十分必要的。 本试验主要所有仪器是“985”资金购买的万能薄板试验机(BCS50-AR)，该试验机基 本涵盖了冲压成形的基本试验。包括在室温和高温下进行的冲压试验。它能进行刚性模 胀形试验、扩孔试验、拉深试验、杯突试验、液压涨形试验、凸耳试验、锥杯试验和成 形极限图。 本钢冷轧薄板厂生产的汽车用钢，以冷轧板和涂镀板为主，实物质量达到国内先进 水平，产品覆盖各种汽车零部件。品种涵盖 CQ、DQ、DDQ、EDDQ、SEDDQ、HSS 等冷轧板和涂镀板，以及汽车桥壳钢等，具有优良的力学性能和工艺性能，以及良好的 延展性能，均质性能和焊接性能。产品的尺寸轮廓及表面质量高，加工成形性能高。本 试验所用钢板来自于本钢。1.6.2 研究内容本试验所用冷轧钢板主要有 DC01、DC03、DC04 和 DC06，DC01 主要用于一般冲 压成形，DC03 和 DC04 用于深冲件，DC06 用于超深冲件。首先对四种钢种进行简单-14- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论的金相和基本力学性能测试。总结影响冲压成形的力学性能指标，比如 n 值、r 值、屈 强比等。 在进行冲压成形试验时，主要分两大部分： 第一部分主要是冲压成形的基本试验：包括杯突试验、锥杯试验、凸耳试验和扩孔 试验。 (1)杯突试验：通过相同条件下试验，比较一般冲压用钢和深冲钢的区别，分析影 响成形影响因素。同时分析影响结果的因素，对不同条件下进行对比，分析各种因素对 杯突试验值的影响，比如压边力、凸模速度、润滑条件等。 (2)锥杯试验：通过对钢 CCV 值的测量，分析影响钢板锥杯值的因素。通过试验结 果找到提高钢板锥杯值的路径。进而做横向试验研究，在不同冲击速度、润滑条件下、 比较锥杯值的变化。 (3)凸耳试验：凸耳是影响薄板成形的一个重要指标，通过比较，总结影响凸耳率 的因素，指导生产过程中，减小凸耳率。改变冲压润滑条件，总结变化规律，分析影响 变化的因素。 (4)扩孔试验：对钢种进行扩孔试验，并对扩孔结果进行分析，对不同钢种进行对 比，研究影响钢种扩孔的因素。 第二部分主要是对 DC06 的研究。作为超深冲钢板，其成形性能是值得进一步研 究的。对其做出了成形极限图，可以用以指导冲压生产过程中，作为冲压极限的参考。 另一方面可以分析影响成形极限图的因素，进一步指导生产，为提高其性能提供可行性 指导。-15- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法第 2 章 试验材料及方法本章主要介绍试验过程中所使用材料的成分、组织结构及力学性能等。主要试验方 法包括杯突试验、凸耳试验、锥杯试验、扩孔试验和成形极限图等。2.1 试验材料本论文主要研究对象为冷轧深冲板，试验用料来于本钢冷轧薄板厂，其基本化学成 分如表 2.1 所示。表 2.1 试验用钢的化学成分(质量分数，%) Table2.1 Chemical compositions of experimental steels (mass%) 钢种 DC01 DC03 DC04 DC06 C 0.019 0.8 0.0018 Si 0.001 0.01 0.01 0.01 Mn 0.15 0.16 0.15 0.11 P 0.011 0.008 0.011 0.008 S 0.008 0.006 0.004 0.004 Al 0.04 0.04 0.03 0.03 Nb 0 0.004 0.004 0.005 Ti 0 0.054 0.055 0.062 N 0.3 0.3 O 0.8 0.2注：“D”代表冲压用钢板，“C”代表轧制条件为冷轧。DC 一般是欧盟标准，国内宝钢和本钢等钢厂都在用，均有稍微改动。碳一般增加 钢强度的同时降低塑韧性。现在深冲钢板要求高的延伸率，因此深冲用钢均是低碳含量 钢，甚至超低碳钢。氮的作用和碳一样，主要是造成屈服效应和应变时效，深冲钢板中 要控制 C、N 含量。微量元素 Nb 和 Ti 的加入，Ti 和 Nb 为强碳化物形成元素，易与碳 形成稳定碳化物，使钢中的 C、N 间隙原子得以消除，得到纯净的铁素体基体，从而消 除间隙原子的不利影响，使钢具有高塑韧性值。DC01 是一般冷轧钢板，对碳含量相对 要求不高，没有加入 Nb 和 Ti 元素，影响到薄板的各项性能指标，一般做用于弯曲浅冲 成形用钢板，不用于复杂拉伸。DC03 冲压用钢，可以用于拉伸，DC04 是深冲压钢板， 性能比较接近于 08Al。DC06 超低碳深冲压钢板。金属化学成分的含量将对其力学性能 产生影响。 从表中可以看出， 除了 DC01 碳含量较高外， 其余 3 中都保证在较低的水平。 DC03 和 DC04 成分比较接近，如果相同工艺下，组织和性能比较接近。标准中对 DC03 和 DC04 的强度要求仅差 10MPa，所以成分基本没有差别。而对超深冲钢板 DC06，要 求较高，其成分和 DC03 和 DC04 基本相同，为得到较高的成形性能，对其后期轧制要 求较高。2.2 试验薄板金相组织试验任何结构材料的性能总是和它的显微组织密切相关， 深冲钢板成形性能也是有它组-16- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法织所决定的。因此，研究和建立组织和性能的关系是十分重要的。2.2.1 金相试验沿轧向在薄板上切取金相试样， 镶样后研磨， 无划痕后用 4%的硝酸酒精溶液腐蚀， 再进行观察金相组织观察。 冷轧深冲钢相对强度比较低，金相容易出现划痕，所以研磨过程中要多次水磨，而 且抛光要干净，腐蚀时间稍微比其他钢种腐蚀时间长。 得到其组织如图 2.1。DC01 DC03DC04DC06图 2.1 试验钢金相显微组织 Fig3.1 Optical microstructures of different steel图 2.1 为四种冷轧薄板退火后试样沿轧向纵截面中心处的光学显微组织照片。由照 片可见，铁素体晶粒都已发生了完全的再结晶，晶粒比较粗大均匀。DC01 晶粒六边形 形状较为明显，但部分晶粒粗大，不利于成形。DC03 和 DC04 晶粒大小均比 DC01 明 显增大，它们之间比较接近，成分和工艺相差不大，DC06 晶粒最大，深冲性能就比较 好。是因为[38]铁素体晶粒尺寸影响到塑性应变比，塑性应变比与板材的深冲性能有直-17- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法接联系。铁素体晶粒尺寸大，塑性应变比大，深冲成形性能就比较好，并不是所有钢种 都是这样的。2.2.2 晶粒度计算晶粒度的计算方法： 首先在金相图上取与长边平行且等间距均匀分布于金相图上的 十条平行线，令直线长度为 L，以直线与晶界相交的位置来计算晶粒个数 n 则晶粒的平 均尺寸为 d，以同样的方法计算十条平行线上的晶粒尺寸，然后再计算这些晶粒尺寸的 平均值，以该平均值作为对应截面上的晶粒度。 按照国标 GB/T
要求测量其晶粒度，采取截点法，平均晶粒度级别数 G 可按式 2.1 进行计算，所得结果如表 2.2。G = (?6.643856 lg l ) ? 3.288其中 l 为试样检验面上晶粒截距的平均值,mm。表 2.2 金相组织检测结果 Table2.2 The result of microstructures of steel 钢种 放大倍数 晶粒/?m 晶粒度级别 13.4 9.1 20.5 7.8 DC01 DC03 200 21.2 7.5 25.2 7.1 DC04 DC06(2.1)晶粒大小对金属的机械性能有很大影响，常温下晶粒越细小，强度和硬度越高，同 时塑性和韧性也越好。一般能满足 Hall-Petch 公式。但铁素体晶粒尺寸对深冲性能的影 响不同[38]，晶粒越大深冲性能越好。2.3 力学拉伸试验通过力学拉伸实验，可以取得冷轧深冲钢板在强度和塑性等方面的力学性能信息， 如屈服强度、抗拉强度、屈强比、弹性模量、断后延伸率、断面收缩率、细颈点应变(或 称均匀延伸率)、 值和 r 值等， n 通过这些性能指标可以定性地分析评估钢板的成形性能。 力学拉伸实验能清楚地反映出材料受外力时表现出的弹性、弹塑性、断裂三个过程。本 文采用的是金属静拉伸实验，即在常温、静载和轴向拉伸载荷作用下材料所表现出来的 力学行为。 与薄板轧制方向成0°、45°和90°方向截取标准力学拉伸试样和n，r值测定拉伸试样(图2.2)，利用CMT5105型微机控制电子万能实验机测定实验钢的力学性能(强塑性指标)，每个方向试样至少取2个试样的平均值。通过力学拉伸实验，可以得出实验钢的抗 拉强度和屈服强度、屈强比、断后延伸率、均匀延伸率(拉伸试验开始产生分散失稳变-18- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法形时的延伸率)、应变硬化指数n值以及塑性应变比r值。其中抗拉强度、屈服强度和屈 强比可以通过应力应变曲线得到，断后延伸率、断面收缩率通过简单的数据处理也可以 得到，n，r值和均匀延伸率(拉伸试验开始产生分散失稳变形时的延伸率)可以通过引伸 计采集，通过计算机软件计算得出。图 2.2 拉伸试样尺寸（mm） Fig2.2 The dimension of tensile specimen2.3.1 屈强比无论是延伸类或压缩类变形，其屈强比愈小，则成形极限愈高，成形性能愈好。例 如在杯突时，如果薄板的屈服强度低，则变形区的切向应力就小，材料失稳起皱的趋势 也就小，杯突值就较高。2.3.2 均匀延伸率 δ u 和延伸率 δδ u 是均匀延伸率也称最大力( Fm )非比例延伸率，是拉伸试验开始产生分散失稳变形(细颈)时的延伸率；δ是断后延伸率，是拉伸试验破坏时的延伸率，与试样相对长度 有关。一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行，所以 δ u 对成形性能有 着更为直接的意义。2.3.3 应变硬化指数 n 值n 金属薄板硬化规律接近于幂函数 σ = Kε 的关系，它是形变强化能力的一种度量，本试验采用两点法，即测量并计算出拉伸过程中某两点的真应力σ与应变ε，即可计算出n值，当然，取值点必须是在均匀变形范围内。因此，通常取为 δ 1 = 0.05 和 δ 1 = δ u 。2.3.4 塑性应变比 r 值塑性应变比也就是各向异性系数，一般以宽度方向的应变量 ε b = ln(b / b0 ) 与厚度应 变 ε t = ln(t / t0 ) 的比值r来表示这种差异(其中t-拉伸变形后试样厚度； t0 -试样原始厚度；-19- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法b-拉伸变形后试样宽度；b0 -试样原始宽度)。本试验r值是将深冲薄板钢板试样单轴拉伸到产生均匀塑性变形，取 ε =15%时的宽、厚向应变比值进行计算的。 r = εb /εt(2.2)r值的大小反映了板材成形时厚向变形发展的难易程度。r值大时，表明板材在厚度方向上的变形比较困难， 比板平面方向上的变形小， 在伸长类成形中， 板材的变薄量小， 有利于这类冲压成形。 由于板材的r值常具有方向性，在板平面不同方向上的r值常不一样。可以按平均值 计算：r = 1 / 4(r0 + 2r45 + r90 )(2.3)式中， r0 、 r45 与 r90 分别是与板材轧制方向成0°、45°与90°的方向上截取的拉伸试 样时测得的r值。 薄板各向异性程度用凸耳参数Δr衡量，是金属薄板平面上0°和90°方向r值的平均值 与45°方向r值之差。计算公式如下： Δr = (r0 + r90 ? 2r45 ) / 2(2.4)凸耳参数 Δr 反映了板面上各向r值波动的程度，它与冲压成形时凸耳的大小密切相 关， Δr 大时，板材的方向性强，结果会引起塑性分布的不均，对冲压成形不利。若减 凸耳缺陷，Δr应尽量小，当Δr≈0时，不出现耳子缺陷。 塑性应变比r值可在较大的范围内通过许多工艺参数来控制，为改善深冲带钢成形 性能提供了更大的灵活性。表 2.3 材料基本力学性能 Table2.3 Mechanical properties of the experimental steels 钢种 方向 0° DC01 45° 90° 0° DC03 45° 90° 0° DC04 45° 90° 0° DC06 45° 90°σ s /MPa σ b /MPa174 180 176 142 141 142 142 145 150 130 135 130 300 310 310 290 285 290 290 290 298 276 280 275屈强比 η 0.58 0.58 0.57 0.49 0.49 0.50 0.50 0.50 0.50 0.47 0.48 0.47n 0.22 0.22 0.23 0.25 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26r 2.20 1.73 2.10 2.55 2.27 2.65 2.48 2.30 2.65 2.65 2.40 2.75均匀延伸率 δ u /% 23.8 22.8 23.4 24.2 24.0 24.5 24.0 23.8 24.4 24.8 24.2 24.7断后延伸率 δ/% 42.2 38.6 41.0 49.4 48.4 50.8 48.6 46.2 50.2 49.8 49.0 50.6-20- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法从表2.3中可以看出：薄板与轧制方向成45°方向的试验试样，一般屈服强度和抗拉 强度较高，且塑性应变比r值明显低于0°和90°方向试样，特别是DC01，大约低了0.5。 断后延伸率也低于0°和90°方向延伸率。一般延伸率低的钢塑性能较差，成形能力也差。3个方向试样的屈强比差别不大，总的趋势是DC01最高，逐渐降低，DC06最小。屈强比也是成形能力的一个标志，屈强比越低，成形能力越好，冷轧板容易屈服成形，但有 高的抗拉强度，所以成形能力比较好。 通过式2.3和式2.4计算平均r值和 Δr 值，如表2.4： 表2.4 试验钢r值和 Δr 值 Table2.4 The value of r and Δr of the experimental steels钢种 r DC01 1.94 0.42 DC03 2.45 0.33 DC04 2.45 0.26 DC06 2.55 0.30Δrr值对材料成形性能有很大关系， Δr 值对材料成形出现凸耳情况有直接联系，测量其值对后续成形研究有重要意义。2.4 成形试验本试验主要以深冲薄板钢为研究对象， 主要进行了杯突试验、 锥杯试验、 凸耳试验、 扩孔试验和成形极限图试验。2.4.1 成形试验设备本试验所用仪器为BCS50-AR万能薄板试验机(图2.3)，该试验机专门用于鉴定和鉴 别金属板材塑性成形(冲压)性能，试验机满足GB/T相关试验标准。适用于超 高强钢板、钛合金、铝锂合金、镁合金等难成形板材以及普通钢板的成形性能试验。可 在常温和加热状态下完成以下板材成形性试验： （1） 杯突(Erichsen)试验 （2） 锥杯(C.C.V)试验 （3） 凸耳(Earring)试验 （4） 扩孔(K.W.I)试验 （5） 拉深(Swift)试验 （6） 刚模胀形试验(FLD试验) （7） 液压胀形试验 万能薄板试验机BCR50-AR主机采用立体结构，成形力和压边力均为液压控制加载 方式，控制方式利用柔性试验技术及闭环控制技术，采用工控机实现对试验速度和试验 载荷的实时的自动控制，对成形力测量精度控制在±2%内，可以在常温和900℃下进行-21- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法试验。最大成形力为500kN，最大压边力为300kN，成形速度：0-300mm?min-1，电源：380V、50Hz，总功率：50kW。图2.3 万能薄板试验机 Fig2.3 The BCS50-AR testing machine2.4.2 杯突试验这种胀形试验的装置如图2.4所示，试验时，先将平板坯料试件放在凹模平面上， 用压边圈压住试件外圈，然后，用球形冲头将试件压入凹模。与冲头接触的试件中间部 分坯料受到双向拉应力作用而实现胀形变形。 在胀形中当试件出现裂缝时冲头的压入深度称为胀形深度或Erichsen试验深度，简 计为 E r 值。 E r 值作为评定板材胀形成形能力的一个材料特性值。实际上，胀形是典型 的拉深类成形工序，故 E r 值也是评定拉伸类冲压成形性能的一个材料特性值。 E r 值越 大，胀形性能及拉深类成形性能越好。 本实验重点比较了四种钢种之间的 E r 值，简单了解影响因素，主要进行了不同条 件下的杯突试验，研究在试验条件改变情况下对板材 E r 值的影响。试验采用了不同压 边力、不同冲击速度和润滑剂的不同，以及不同尺寸试验进行试验，总结试验因素对杯 突试验结果的影响。-22- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法图2.4 Erichsen胀形试验装置 Fig2.4 The test equipment of the Er2.4.3 锥杯试验锥杯试验装置如图2.5所示，由凸模杆、定位环、钢球和凹模组成。将规定外径 d 0 的圆形金属薄板试件放入带有锥角的规定型号凹模的锥腔内，用定位环按压其上，以 使试件面与凹模轴线垂直，根据试样厚度不同选用不同直径的钢球，使试件变形为球 底锥杯形。图2.5 福井试验装置 Fig2.5 The test equipment of the CCV当锥杯件底部破裂时，停机卸载，测量此时锥杯形件杯口的最大最小直径，通过式2.5计算平均外径D，以D值作为试验指标-锥杯值(CCV)，以mm为单位。-23- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法CCV =Dmax + Dmin 2(2.5)锥杯比η，国际深冲研究会(IDDRG)推荐的适用的试验指标，计算公式如式2.6。η=D0 ? D D0(2.6)式中： D0 -试样原始直径,mm，D-为锥杯试验后试样直径,mm，即CCV。 锥杯试验结果与其他成形性能测定结果有良好的一致性，CCV值与硬化指数n值和 塑性应变比r值之乘积有很好的相关性。金属薄板的CCV值越小，其拉延与胀形的综合 成形性能越好。凸模最大作用力 Pm 也可作为锥杯值的参考指数，用以评定有相同锥杯 值的两种板材的优劣。 本试验在相同条件下，四种试样进行比较。分析结果。研究了不同因素对试验结果 的影响，采用了不同冲击速度、不同压边力和不同条件下润滑进行试验，分析比较试验 结果，总结规律性问题，指导实际零件生产。2.4.4 凸耳试验由于钢板在生产加工过程中产生各项异性，特别深冲板材，冲压成形后，很容易产 生高低不平的波浪壁，把波浪中凸起的部分成为“凸耳”。试验装置如图2.6所示。图2.6 凸耳试验装置 Fig2.6 The test equipment of the earring试验结束后测量凸耳高度，按式2.7计算出凸耳率，e=h p ? hv hv-24-(2.7) 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法式中： h p -凸耳峰高,mm， hv -凸耳谷高,mm， hv -平均凸耳谷高,mm。 通过数据计算出平均凸耳率 e ，为了使数据更有可比性，一般还以其标准方差S衡 量凸耳不均匀程度的指标。 本试验做了深冲钢在不同凸模圆角半径、不同凹模内径和不同压边力下，凸耳率的 比较，总结深冲薄板钢的规律。2.4.5 扩孔试验K.W.I扩孔试验是反映钢板扩孔性能的一种模拟成形试验方法。是由德国的KWI研究所首先提出，故有此名。 扩孔性能是取决于极限变形能即钢板承受极限变形时， 成为延展性破坏起点的微小 空隙越难以生成与传播，则该钢板的延伸凸缘性越优良。其试验装置如图2.5所示：用 有预加工小孔(小孔直径规定为扩孔冲头直径的30%)的平板坯料进行扩孔，至孔口边缘 因孔径扩大而出现裂缝时止。图2.7 扩孔试验装置 Fig2.7 The test equipment of the hole-flanging test （a）模具装置（b）试验原理将深冲冷轧薄板，切割成直径为60mm的圆，中间制成内径为5mm的小圆，清洗干 净后在进行试验，试验时将中心带有预制冲孔的试样置于凹模与压边圈之间并压紧，通 过凸模将其下部的试样材料压入凹模，迫使预制圆孔直径不断胀大，直至孔缘局部发生 开裂的瞬时停止凸模运动，测量试样扩孔后孔径的最大值和最小值，并计算它们的平均 值，然后根据公式2.8计算出扩孔率λ，并求出其平均值。d1 ? d 0 × 100% d0-25-λ=(2.8) 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法式中： d 1 ―开始出现裂缝时的孔口直径,mm；d 0 ―预加工小孔径,mm。显然，λ值愈大，板材的翻边性能愈好。 对典型的扩孔开裂试样通过线切割，沿轧制方向加工成小片，再进行研磨、抛光后 用4%硝酸酒精溶液腐蚀，在扫描电镜下进行裂纹微观组织、对其总结规律。2.4.6 成形极限图成形极限图(Forming Limit Diagram,简称FLD)或成形极限曲线(Forming Limit Curve, 简称FLC)是板料冲压成形性能发展过程中的较新成果。力学上指冲压板材在不同应力 条件或不同应变路径下发生颈缩或破裂之前可以达到的极限板面应变量的集合， 技术上 是分析冲压成形工艺过程能否稳定发展的判据， 而在材料学方面则代表板材抵抗冲压破 裂失稳的塑性成形性能。 试验原理如图 2.6所示，是利用刚性胀形试验，试样受凸模力的作用下产生胀形 变形。图2.8 成形极限试验装置 Fig2.8 Facilities for FLD testing成形极限图的试验方法如下所述：(1)在试验用坯料上制备好坐标网络；网格圆可采用照相制版、光刻技术、电化学腐蚀或其他方法制取，考虑到简便、快 捷和经济方面因素，本试验采用电化学腐蚀。制作装置如示意图2.9示： 电解棒先吸收电解液，通电后电解液通过模板上刻线的地方渗透过去，产生电解反 应，钢板上电解所得的网格是金属氧化物的沉淀细线，其宽度和深浅主要取决于所选用 的电压和通电时间。一般电压采用10V，通电时间1分钟左右。腐蚀后注意清理，防止-26- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法试样再氧化，且清理过程中，注意保护网格。图2.9 电化学腐蚀装置图Fig2.9 The facilities of electrochemical corrosion (2)以一定的加载方式使坯料产生胀形变形，测出试件破裂或失稳时的应变 ε 1 、ε 2 (长、短轴方向)；试样腐蚀出网格后进行试验，出现局部缩颈或者破裂时，停止试验，测量缩颈 区或破裂区福建的网格圆长轴和短轴尺寸，由此计算金属薄板允许的局部表面极限 主应变量。 本试验采用的是板成形网格应变自动测量分析技术(GMASYSTEM)，原理如图2.10 所示：图2.10 网格圆畸变 Fig2.10 The deformation of the circle （a）拉-压应力状态（b）拉应力状态（c）拉-拉应力状态应用GMASYSTEM测量临界网格圆的长、短轴 d 1 和 d 2 ，计算试样表面极限应变。e1 =d1 ? d 0 × 100% d0d ? d0 e2 = 2 × 100% d0(2.9)-27- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法ε 1 = ln(1 + e1 ) ε 2 = ln(1 + e2 )(3)改变坯料尺寸，重复试验，测得另一状态下的 ε 1 和 ε 2 ；(2.10)本试验根据国标， 一般采用9组试样， 每组试样长度是176mm， 宽度分别为180、 、 160140、120、100、90、80、60、40和20mm的矩形试样。为了防止窄条矩形试样在拉深筋处开裂，允许仿效板料拉伸试验试样将其形状改为中部稍窄、两端稍宽的阶梯形状。图2.11示：a=20,40;ab=60,80; 40 = 15, 20, 30, b = 50, 60, 70, 80 cc=100,120,140,160,180; 170 = 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, c图 2.11 FLD 试样尺寸 Fig2.11 The dimension of tensile specimen(4)取得一定量的数值后，在平面坐标图上描绘出各试验点，然后圆滑连线，做出板的成形极限图。成形极限曲线将整个图形分成如图2.12所示的三部分：安全区、破裂 区及临界区。ba-28- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法0.80.6危险区 临界区0.4e2安全区0.20.0 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4e1图 2.12 成形极限图 Fig2.12 the FLD成形极限图是判断和评定板材料成形性的最为简便和直观的方法， 是解决板料成形 性的最为简便和直观的方法，是解决板料冲压问题的一个非常有效的工具。 通过试验做出 DC06 的成形极限图，可以指导板材生产，通过一些方法，提高成形 性能，也可以通过成形极限图指导零件生产，解决现实生产复杂件所遇到的问题。-29- 东北大学硕士学位论文第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究工艺试验也成称模拟试验或直接试验。在工艺试验时，试样所受的应力状态和所产 生的变形都与真实的冲压加工工艺相同， 所以利用工业试验不仅可以评定板材的冲压性 能，而且可以得到某些冲压工艺参数，供制定冲压工艺应用。 本试样包括杯突试样、锥杯试验、凸耳试验和扩孔试验，通过试验测定深冲冷轧板 在成形试验中差异，并通过对压边力、控制载荷、速度、润滑等成形条件的作用，研 究影响规律，可以使模拟试验更具有可比性，并为生产提供工艺参数。3.1 杯突试验金属杯突试验是常用的一种工艺性能试验方法， 其目的是在给定的试验条件下检验 金属板材试样适应拉胀成形的极限能力。 本试样所采用的模具如图 3.1 示， 分为凸模、 凹模和压边圈， 压边圈用来固定试样， 凹模固定在模座上，压边圈对准凸模放在压边垫板上。四种板材均制成方形试样，一般 边长取 90mm，本试样为研究尺寸对杯突值影响，可以根据试验变动而去比较。杯突值 比较容易测定，而且成功率比较高，凸模凹模压边圈图 3.1 杯突试验模具 Fig3.1 The die of Erichsen-30- 东北大学硕士学位论文第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究试验前}
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dc04冷轧板化学成分
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冷轧深冲板成形性能研究
分类号 UDC密级学 位 论 文冷轧深冲板成形性能研究作 者 姓 名 ： 陈占杰 指 导 教 师 ： 邸洪双 教授东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 申请学位级别： 硕士 学 科 类 别 ： 工学学科专业名称： 材料加工工程 论文提交日期： 2010 年 6 月 论 文 答 辩 日 期 ： 2010 年 6 月 学位授予日期： 2010 年 7 月 答辩委员会主席： 刘相华 评 阅 人 ：东 北大 学2010 年 6 月 A Thesis in Materials Forming EngineeringResearch on Formability of Cold-Rolled Deep-Drawing Sheet MetalBy Chen ZhanjieSupervisor: Professor Di HongshuangNortheastern University June 2010 独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年 □ 一年□ 一年半□ 两年□ 导师签名： 签字日期：学位论文作者签名： 签字日期：i 东北大学硕士学位论文摘要冷轧深冲板成形性能研究摘 要随着汽车工业的发展， 给钢铁业带来机遇的同时对汽车所用材料―钢板的要求也越 来越严格。汽车用板要求高的深冲性能或者高强度，均要求高的成形性能，所以对深冲 板的成形性能研究是十分重要的。 本文以本钢深冲冷轧板 DC01、DC03、DC04 和 DC06 为研究对象，以实验室 BCS-50AR 万能薄板试验机为工具，进行了基本成形试验。结合材料的微观组织和力学 拉伸试验，简单分析其对材料成形性能的影响。并通过大量试验，研究试验条件对成形 试验的影响，总结规律，为实际零件生产提供指导。 主要内容包括以下几个方面： （1）分析了一般冲压钢 DC01、深冲钢板 DC03 和 DC04 及超深冲钢板 DC06 的显 微组织，测定了其应力应变曲线和 n 值、r 值。 （2）利用实验室的板成形实验机开发了板成形实验方法，并对冷轧深冲板进行了 杯突试验、锥杯试验、凸耳试验和扩孔试验，比较了不同牌号深冲板的成形性能，分析 了影响成形试验结果的主要因素。 （3）通过实验研究，确定了压边力、试验速度、控制载荷、试样尺寸、模具圆角 半径和润滑剂等工艺参数， 为成形性能评价实验的顺利进行提供了保障。 实验结果表明： 压边力对成形试验有影响，如杯突和凸耳试验；试验速度变化范围较小，对本材料本身 成形性能影响不大；控制载荷在本试样机上比较重要；试样尺寸小，杯突值增大；模具 圆角半径影响到试验拉深成筒时出现的凸耳；润滑剂均能提高材料的成形性能。 （4）成形极限图可以较全面的表征各种钢板在各种应力状态下的成形性，做出 DC06 的成形极限图，可以有效地评价钢板的成形性能，具有一定的实际意义。总结试 验方法和分析方法，用于指导再次试验。 关键词：冷轧深冲板，成形性能，金相组织，成形试验，成形极限图ii 东北大学硕士学位论文AbstractResearch on Formability of Cold-Rolled Deep-Drawing Sheet Metal AbstractAs the fast developing of the auto industry, it gives more opportunities to the steel industry than before, especially the demanding on the sheet steel. The steels which supply to auto industry have high strength value or high deep-drawing. These two points require the steel holding formability well. Research on formability of cold-rolled deep-drawing sheet metal is necessary. In this thesis the cold-rolled deep-drawing sheet metal DC01, DC03, DC04 and DC06, produced by Bengang Iron and Steel (Group) Company is studied. Using the BCS-50AR as a tool to analyze the formability of cold-rolled deep-drawing sheet metal. On the basis of microstructures and mechanical property, we study the influence of material formability. By way of lots of experiments, Research on test conditions influence of material formability summarizes disciplines. The contents of the study include the following main parts: (1) According to the microstructures and mechanical property of cold-rolled deep-drawing sheet metal, we can find out the affect of plastic forming. (2) The basic experiment includes the Erichsen test, Fukui test, earring test and KWI test. the factors which affect the formability of sheet metal were also referred in the research, especially the conditions of tests. Through many forming tests, we can get the best scheme. Using the best scheme can improve the success rate and get more accurate results. (3) The study of the conditions analyse affect to the formability of cold-rolled deep-drawing sheet steel. The test conditions contain blank-holding force, the speed of test, load-control, the side of specimen, the die radius, lubricant and so on. Identify the causes of the change of test value. As a result, the blank-holding force has a relationship to auxetic type test, for example Erichsen and earring so on. In the test, the speed is slow, so it can’t change the material formability. Through the test we know that the load-control is necessary to the forming test. The side of specimen also affect the value of test. When do deep drawing test, the die radius affect the earring. Through all the forming test, the lubricant can increase the specimen formability.iii 东北大学硕士学位论文Abstract(4) The forming limit diagram indicates the maximum strain limit of the material comprehensive. We get the FLD of DC06 through the test, it can evaluation the DC06 formability effective. Sum up experence and do a better job in the next test. Key words: Cold-Rolled Deep-Drawing Sheet M F FLDiv 东北大学硕士学位论文目录目录摘 要 ...........................................................................................................................................................ii Abstract ........................................................................................................................................................iii 目录.................................................................................................................................................................v 第 1 章 绪论 .............................................................................................................................................11.1 引言.....................................................................................................................................1 1.2 深冲板的发展.....................................................................................................................2 1.2.1 深冲板的发展历史 ......................................................................................................2 1.2.2 国外深冲板的发展状况 ..............................................................................................2 1.2.3 国内深冲板的发展状况 ..............................................................................................4 1.3 冷轧深冲板的成形性能.....................................................................................................5 1.3.1 板材成形性能研究的历史、现状及发展 ..................................................................6 1.3.2 板材成形性介绍 ..........................................................................................................9 1.3.3 深冲板材性能要求 ....................................................................................................10 1.4 成分对组织性能的影响...................................................................................................10 1.4.1 成分对 n 值的影响 ....................................................................................................11 1.4.2 强化机理 ....................................................................................................................11 1.4.3 成分对 r 值的影响.....................................................................................................12 1.5 提高板材成形性的方法...................................................................................................13 1.6 本课题研究的背景和研究内容.......................................................................................14 1.6.1 研究背景 ....................................................................................................................14 1.6.2 研究内容 ....................................................................................................................14第 2 章 试验材料及方法................................................................................................................162.1 试验材料...........................................................................................................................16 2.2 试验薄板金相组织试验...................................................................................................16 2.2.1 金相试验 ....................................................................................................................17 2.2.2 晶粒度计算 ................................................................................................................18v 东北大学硕士学位论文目录2.3 力学拉伸试验...................................................................................................................18 2.3.1 屈强比 ........................................................................................................................19 2.3.2 均匀延伸率 δ u 和延伸率 δ ........................................................................................19 2.3.3 应变硬化指数 n 值 ...................................................................................................19 2.3.4 塑性应变比 r 值.........................................................................................................19 2.4 成形试验...........................................................................................................................21 2.4.1 成形试验设备 ............................................................................................................21 2.4.2 杯突试验 ....................................................................................................................22 2.4.3 锥杯试验 ....................................................................................................................23 2.4.4 凸耳试验 ....................................................................................................................24 2.4.5 扩孔试验 ....................................................................................................................25 2.4.6 成形极限图 ................................................................................................................26第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究..........................................................................................303.1 杯突试验...........................................................................................................................30 3.1.1 试验结果 ....................................................................................................................31 3.1.2 分析与讨论 ................................................................................................................32 3.1.3 影响薄板 E r 值的因素 ...............................................................................................33 3.1.4 小结 ............................................................................................................................36 3.2 锥杯试验...........................................................................................................................37 3.2.1 试验结果 ....................................................................................................................38 3.2.2 分析与讨论 ................................................................................................................39 3.2.3 影响薄板 CCV 值的因素..........................................................................................40 3.2.4 小结 ............................................................................................................................42 3.3 凸耳试验...........................................................................................................................42 3.3.1 试验结果 ....................................................................................................................43 3.3.2 分析与讨论 ................................................................................................................45 3.3.3 影响薄板凸耳率的因素 ............................................................................................45 3.3.4 小结 ............................................................................................................................48vi 东北大学硕士学位论文目录3.4 扩孔试验...........................................................................................................................48 3.4.1 试验结果 ....................................................................................................................49 3.4.2 分析与讨论 ................................................................................................................50 3.4.3 影响薄板扩孔率的因素 ............................................................................................51 3.4.4 小结 ............................................................................................................................51第 4 章 成形极限图...........................................................................................................................524.1 试验结果...........................................................................................................................53 4.2 分析与讨论.......................................................................................................................58 4.2.1 DC06 钢板 FLD 与 n 值、r 值的相关性...................................................................58 4.2.2 成形极限图 FLD 的影响因素 ..................................................................................59 4.3 极限图的应用...................................................................................................................59 4.3.1 选用合适材料的依据 ................................................................................................59 4.3.2 合理利用变形可控因素，完善冲压成形 ................................................................60 4.3.3 用于提高复杂件成形质量 ........................................................................................61 4.4 提高极限图的路径...........................................................................................................61 4.4.1 材料组织方面 ............................................................................................................61 4.4.2 材料工艺方面 ............................................................................................................61 4.4.3 试验条件方面 ............................................................................................................61 4.5 小结...................................................................................................................................62第 5 章 结 论.........................................................................................................................................63 参考文献....................................................................................................................................................64 致谢...............................................................................................................................................................66vii 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 引言随着社会经济的快速发展，汽车已成为人类社会活动中不可缺少的工具，汽车工业 已成为许多工业发达国家的支柱产业。我国的汽车工业也在迅猛发展。2009 年 10 月 20 日随着第 1000 万辆汽车的下线，中国已经迈进千万辆级汽车生产大国的行列。据统计 2009 年中国以 1379 万辆的产量超越日本，首次成为全球第一大汽车生产国。根据中国 汽车技术研究中心数据显示，我国汽车今年至 5 月底的产量达到了 717.8 万辆，同比累 计增长 32.18%。从数据中可以看出，汽车工业的蓬勃发展是成倍数增加的。而汽车工 业的发展又与原料工业，特别是钢铁工业密不可分的，根据德国联邦统计局计，生产一 辆汽车所需的原料大约有 70%是钢铁材料：钢铁材料中的薄板，特别是深冲板，是汽车 原料用的最为广泛和最重要的材料， 可以说一辆汽车质量的好坏和它所用到深冲性能的 好坏是息息相关的。面对汽车工业诱人的发展前景，国内的钢铁企业纷纷加大和快了各 自深冲板的研制力度和研究步伐，都在改进和提高自己深冲板的性能与质量。力在汽车 原料市场上抢占更大的市场、获得最大的利润。 随着汽车工业的迅猛发展， 使新型冲压材料的开发、 新的冲压材料性能参数的研究、 汽车覆盖件冲压成形理论与成形技术的研究、 新型冲压成形设备的开发以及冲压过程的 计算机模拟等方面都得到了很大的发展， 从而使板材冲压成形理论与成形技术得到了进 一步的丰富与完善。 汽车车身是一个形状复杂的空间薄壁壳体。它的主要零部件的成形问题均由钢板 冲压成形而成。所以汽车工业的发展，对钢铁工业，特别是深冲薄板产业的发展至关重 要。目前，我国各大钢厂均加大了在深冲薄板的投入，力争在汽车工业用薄板方面占有 一席之地。 由于汽车覆盖件大都是空间曲面结构、形状复杂，从而决定了在冲压成形中的变形 复杂性。对于深冲薄板来说，其成形性能的好坏是决定其价值的标准。研究薄板钢的成 形性能是十分必要的。通过研究，更能深入了解薄板钢的成形过程、成形性能及成形极 限，对指导薄板的生产是至关重要[1]。 本文主要包括两部分，第一部分，对薄板进行基本的成形试验，其中包括杯突试 验、锥杯试验、凸耳试验和扩孔试验。比较四种不同牌号钢板的成形能力，总结规律 性问题。通过不同条件下试验方案，对影响成形性能指标的因素进行比较。第二部分 做出深冲钢的成形极限图，分析影响钢板成形极限图的因素，具体来指导生产，提高 钢板的成形性能。-1- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论1.2 深冲板的发展1.2.1 深冲板的发展历史深冲板发展的历史也是其深冲性能提高的历史； 根据深冲性能可以大体将其分为三 个阶段： 第一阶段：是以沸腾钢(F)为代表的第一代产品，时间在 20 世纪 50~60 年代。在炼 钢时充分进行沸腾，沸腾钢外侧杂质含量较少，其表面形状良好。其特点是塑性应变比 (r)值不高，一般在 1.0 和 1.2 之间，由于含有较多的氧和固溶氮，所以应变时效明显。 只能用于普通深冲件。 第二阶段：以铝镇定钢(AK)为代表的第二代产品，时间在 20 世纪 60~80 年代。在 炼钢时添加铝、硅等元素进行充分脱氧，得到偏析甚少而质量均匀。镇静钢板虽比沸腾 钢板要较均质，但钢板的表面形状较差。特点是通过向钢中加铝脱氧并控制氮化铝的固 溶的析出，从而有良好的深冲性；同时，由于氮被固溶在氮化铝，在罩式退火或连续式 退火加上过时效处理中，绝大部分碳析出成为 Fe3C，所以平整后比较稳定。 第三阶段：IF(Interstitial Free Steel)钢，又叫无间隙原子钢。它的发现出现了第三代 深冲产品，在 20 世纪 80 年代以后，它是在超低碳钢的基础上(C≤0.005%，N≤0.003%) 加入足够量的钛或镍，使钢中的碳、氮原子完全被固定为碳氮化合物(TiCN，NbCN)， 从而使钢中无间隙固溶原子存在，其特点是纯净的钢质和较为粗大的铁素体晶粒，可得 到超深冲的性能。 三代冲压用钢板的性能比较见表 1.1[2]。表 1.1 三代冲压用钢板的性能比较 Table1.1 The capability of three stages forming sheet steel 钢种 沸腾钢（第一代） 铝镇静钢 （第二代） IF 钢（第三代） 屈服强度/MPa 180~190 160~180 100~150 拉伸强度/MPa 290~310 290~300 250~300 总延伸率/% 44~48 44~50 45~55 r 1.0~1.2 1.4~1.8 1.8~2.8 n ~0.22 ~0.22 0.23~0.281.2.2 国外深冲板的发展状况为了达到轿车减重、节能、耐蚀性和安全性的要求，各国的轿车工业广泛地采用了 高强度和超深冲钢板以及表面处理钢板，开发了许多新的深冲板的品种。随着深冲及超 深冲钢板的发展，又开发了超高深冲级钢板。该类钢板的 r 值为 2.5，延伸率为 51%， 时效指数相当好。 日本已成功开发生产出 r 值达到 3.0 的超高深冲级钢板。 从近 40 年国 内外汽车板发展的过程来看，超深冲钢板是向高洁净、超低碳和微合金方向发展[3-5]。-2- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论超低碳钢的脱碳必须开发并大规模生产碳含量小于 0.001%-0.0015%的超低碳钢技术， 为此开发了 RH 中超低碳钢高速脱碳工艺。 日本 2000 年钢中碳含量平均己达到 0.0016% 的水平。韩国 POSCO 公司利用极低磷生产技术(利用转炉吹炼技术将磷含量降低到 0.0064%)和改善炼钢、连铸、轧钢等生产流程的情况下，可生产最大宽度达 1970mm 的 超宽幅汽车钢板。目前，这种超宽度汽车板在日本等先进钢铁企业也难以生产。采用宽 幅钢板生产汽车外板时， 由于不需焊接就可以直接使用， 因此颇受汽车生产厂家的欢迎。 钢液中的磷含量是影响钢板延展性能的重要因素，要想生产汽车用宽幅钢板，应将钢液 中的磷含量控制在 0.008%以下。 汽车用高强度钢的开发始于 20 世纪 70 年代石油危机前后，首先是微合金钢，然后 是磷合金钢； 世纪 80 年代前期是 DP 钢和 BH 钢和 IF 钢； 20 1990 年前后又开发出了强 度更高微合金钢―各向同性钢， 接着又开发出了 TRIP(相变诱发塑性)钢、 多相超高强度 抗拉强度已达到 1000MPa，最高的甚至达到 1200MPa 以上[6]。 韩国浦项钢铁公司于 2001 年 3 月成功开发出轻量型汽车钢板。该钢板具有比目前 所使用的钢板薄、强度高和抗疲劳强度高等特点。其方法是通过向钢中加入 Nb，开发 出屈服强度可达到 800MPa 级的热轧 TRIP 钢。该钢材加工成冷轧板后，成形性能非常 好，可以加工成具有复杂形状的汽车部件。 日本神户钢铁公司通过研究 590MPa 以上级别的高强度钢板―适用于驾驶室周围 主要结构部件，开发出各种高强度钢板。开发的高延性 980MPa 级超高强度复合组织冷 轧钢板，其延伸率为 20%，能承受复杂冲压成形[5]。该钢种的开发主要采用了四项新技 术；防止含 Si 高的连铸板坯裂纹技术；防止含 Si 高的钢发生晶界氧化的特有技术；开 发提高高强度板形状和尺寸精度技术； 建立了将材料实验信息迅速传输到退火条件的信 息反馈体制[7]。 冷轧高强度钢板主要用于车体内外板，板厚范围通常为 0.5～1.2mm，强度级别为 340~1470MPa。主要包括：含 P 铝镇静高强度钢、IF 高强度钢(IF 钢中加入 Si、Mn、P 等元素以提高强度)、高残留奥氏体的相变诱导塑性高强度钢(TRIP 钢)、烘烤硬化高强 度钢板和汽车结构件用超高强度钢板等。 由于高强度钢板的采用， 汽车用钢板厚度减薄， 从而对钢板的防腐蚀性提出更高要求，促进了高强度表面处理钢板的发展。20 世纪 80 年代，汽车制造业已大量使用镀锌板制作汽车的内板和外板。最初主要使用电镀锌板， 由于热镀锌板成本比电镀锌板低，20 世纪 90 年代中期以后，国外很少新建电镀锌板生 产线，同期热镀锌板生产量增加很快，投产了大量汽车板热镀锌机组。汽车板热镀锌机 组以生产外板为重点，生产规格板厚为 0.6～1.2mm，板宽为 800～1850mm，最宽可达 2000mm。产品级别相当复杂，从 CQ、DQ、DDQ、EDDQ 到 BH、DP、TRIP 等汽车 用高强度钢板。通过采用多种先进技，使镀层形貌、厚度精度等得到精确控制，如锌层 厚度误差小于 2～3g?m-2。通过采用无铅镀锌可生产无锌花钢板，该镀层不易产生晶间-3- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论腐蚀，使用寿命长，适用于汽车和电器行业。日本几乎每套热镀锌机组都设置了锌铁合 金化炉， 锌铁合金化镀层板(Galvaneal)标准镀层厚度为双面 160～180g?m-2， 合金镀层含 Fe8%～12%[8,9]。1.2.3 国内深冲板的发展状况国内汽车钢板的发展是随着国内汽车工业的发展而发展的。 目前已经能够生产全部 普通强度 σs&180MPa 的 CQ 级、冲压 DQ 级和深冲 DDQ 级钢板，并试制了超深冲级 EDDQ 级、SEDDQ 级以及一些高强度 BH 钢、含磷 RP 钢等，生产的汽车钢板基本上 可以满足生产货车的需要，并且可部分用于对钢板的成形性能、表面质量和涂饰性能等 要求更高的轿车生产[10] 鞍钢是我国最早生产汽车钢板的企业， 年代开发成功的深冲 08Al 冷轧汽车钢板， 60 使部分汽车难冲压件的冲压破损率低于 3%；1998 年鞍钢与一汽车共同研制出 A220BH 烘烤硬化板，具有良好的成形性能及适中的烘烤硬化值[11]。2000 年 5 月鞍钢 1780mm 热带钢机组竣 3 工投产，具有年产 350 万吨高质量热轧板卷的生产能力，并预留了热轧 无头轧制设备建设场地。引进日本三菱集团的轧机成套技术，集纳了美国、德国、加拿 大等在计算机、液压、仪表方面之所长，采用了热装、大侧压、全液压带自动跳步控制 系统卷取机和板形控制等先进技术，为进一步研究生产无锌化热镀锌钢板、厚镀层电镀 锌钢板、 高强度镀锌板和烘烤硬化镀锌板等汽车用镀层钢板的热轧原料生产做好了充分 的硬件准备[12]。 武钢自 1700mm 轧机工程投产以来，就致力于汽车钢板开发和生产，成功生产了 08Al 系列冷轧钢板、含磷高强度冷轧钢板和含钛高强度热轧钢板等汽车钢板品种。为 进一步满足汽车工业发展需求，提高钢板尺寸精度、稳定产品质量，武钢在“八五”其间 先后对 1700mm 机组进行系统技术改造，生产汽车钢板的能力和产品质量均有较大提 高。“九五”其间成功开发了 320～540MPa 的热轧专用钢系列和超深冲冷轧板、烘烤硬 化钢板等 22 个产品，实现了汽车用钢板系列化[13]。其中超深冲冷轧板 WIF 实物性能指 标达到国外同类产品先进水平[14]。现计划兴建 2250mm 冷轧机组及配套镀层机组，届 时将形成 100 万吨汽车钢板生产能力，并且以轿车用钢板品种为主。 宝钢生产汽车钢板的条件较好，是目前国内生产汽车钢板数量最大、品种最多的企 业。宝钢冷轧汽车板的发展可划分为四个阶段： 第一阶段：以生产低碳铝镇静钢为主的普板软钢系列阶段，成品生产工艺以罩式炉 为主，代表牌号如 Stl2～Stl4。 第二阶段：在二期 2030mm 冷轧设备基础上，开发并大力发展 IF 钢，具备批量生 产 IF 钢和 O5 板的能力阶段。开始一些镀锌和高强度汽车板的研究，但仍以冷轧普板 为主。-4- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论第三阶段： 标志是 1550mm 冷轧的连续退火、 热镀锌和电镀锌三条生产线相继投产， 从硬件上进一步奠定了汽车板生产的基础。产品特点是可批量生产镀锌(热镀锌、热镀 锌合金化、电镀锌和电镀锌镍)和高强度钢板。 第四阶段：在三期 1550mm 冷轧设备基础上，开发以 TRIP 和 DP 为主的先进高强 度及其镀锌钢板系列，开发热镀锌外板。 经过四个阶段的发展，除 800MPa 以上由于设备不具备生产能力外，宝钢冷轧汽车 板的品种已经比较齐全[15]。生产的 St14 和 SPCE 牌号冷轧钢板，实物质量已达到国外 同类钢板水平，批量供给一汽、二汽、上海和北京等主要汽车制造厂，替代进口钢板使 用。IF 钢性能不逊于日本 IF 钢商业板 KTUX。 本钢在 1987 年 9 月得到国家计委批复开始建设本钢冷轧薄板厂，1992 年 8 月奠基 开始基础建设，1995 年开始调试。是引进比利时“考克里尔”公司 1678mm 四辊四机架 冷轧机组、单机架四辊平整机一套，横切机组二条。新设备有酸洗机组生产线、罩式生 产线、热镀锌机组和重卷机机组四条生产线，以及辅助配套设备。总投资 25 亿元，具 有年产 70 万吨冷轧板能力。 通过这几年发展，又新添加生产线是由日本三菱―日立公司设计的五机架六辊 UCM 轧机，整体装备达到当今国际先进水平，主要生产高质量的汽车板和家电面板。 本钢冷轧薄板厂现具有年产冷轧材 350 万吨的生产能力。 现在建设的第三条生产线是冷 轧超薄板生产线，是由德国 SMS―DEMAC 公司设计和建造的两台单机 6 辊轧机，可 以轧硅钢、高强钢等先进钢种，具有世界最先进的冷轧控制技术水平。本钢的发展目标 是：精品板材基地和具有国际竞争力的现代化企业是本钢的战略目标。 目前国内大宗生产的汽车钢板，主要是用于货车制造的热轧钢板和冷轧钢板，以及 部分用于轿车内板的冷轧板。小批量生产用于轿车外板的高级精整表面钢板、用于轿车 复杂部件的高成形性钢板，由于质量不够稳定，尚不能完全满足市场的需要。轿车用的 镀层钢板，现在还处于试验阶段[16]。 与国外主要汽车板生产国的产品实物相比， 国内在薄板生产技术方面还存在以下主 要差距[17]： （1）在高技术含量的新型汽车板生产中，如高强度系列、超深冲系列和高强度镀层板， 尚未形成系列化产品。 （2）现有产品在使用性能、板厚精度和表面质量等方面存在较大波动。 日前我国汽车工业已进入快速发展时期，汽车产量自 2001 年的 234.2 万辆猛增到 2002 年的 325.1 万辆，2009 年的 1379 万辆，已经成为世界第一。预计冷轧薄钢板的年 需求量将达到 1000 万吨以上[18]。因此，开发研制汽车用高附加值深冲压冷轧薄钢板及 钢带，市场需求非常巨大，前景十分良好。1.3 冷轧深冲板的成形性能-5- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论冷轧深冲板是指经过冷轧后具有深冲性能的冲压板。 钢板的冲压性能一般指在冲制 成形时，钢板耐冲压的程度，即成形性能的好坏，亦即钢板能在其平面方向上获得最大 的塑性流变，同时在厚度方向上对流变产生最大的阻力。 具有最佳的成形性能的薄板材料应是[19]： (1)具有高的均匀应变能力。 (2)保证深冲性能的垂直各向异性和平面各向同性。 (3)可达较高应变而无颈缩和断裂。 (4)具有较高平面内剪切应力而无断裂。 (5)高的形状稳定性。 (6)保持表面光洁、减少表面损伤。 板材冲压性能是指板材对各种冲压加工方法的适应能力，如便于加工，容易得到高 质量和高精度的冲压件，生产率高，不易产生废品等。冲压性能所包含的内容可用表 1.2 说明[20]。表 1.2 冲压性能的内容 Table1.2 The content of forming 伸长类成形 压缩类成形 传力区的承载能力 冲 压 性 能 受拉的传力区 受压的传力区 均匀拉应力下的贴膜性能 形状与尺 寸精度 贴膜性能 不均匀拉应力作用下的贴膜性能 面外正压力作用下的贴膜性能 形状冻结性能 塑性变形中表面粗糙度的变化 表面质量 冲压过程中的表面粘结与划伤 冲压毛坯与模具表面间的接触压力 塑性 塑性变形稳定性 抗压失稳性能变形区成形极限 成形极限本试验主要研究的是薄板的冲压成形性能，也就是从成形极限出发，研究深冲薄板 钢的各种成形指标。1.3.1 板材成形性能研究的历史、现状及发展Root 在 1850 年设计制造了第一台曲柄压力机，从这以后便开始快速、大批地生产 板金属制品，开始了板金属加工由手工工艺向经验技术的过渡。 薄板成形的最大突破应归功于汽车的发明。 亨利?福特在 1896 年生产出第一台汽车，-6- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论1903 年建立了他的汽车公司。 到了二十世纪，金属板材实验得到很快发展。一次世界大战后曾出现二十多种模拟 实验方法。三十年代和四十年代进行了大量的薄板塑性学理论研究。 1949 年 5 月，出现了板材成形性研究历史上最重要的事件。Landford、Synder 和 Bausecher(LSB)向美国金属学会提交了“预报板金属成形性能的新判据”的论文，提出了 反映材料硬化能力的 n 值，指出它是胀形成形中的关键指标。同时，在 1925 年 Philips 和 Dunklel 工作的基础上，他们还提出用表示厚向异性级别的 r 值来反映材料抵抗变薄 和承受深压延的能力。 成形性研究的第二个里程碑是 60 年代 Keeler 和 Goodwin 分别用实验方法确定评价 成形性能的成形极限图(FLD)。 Keeler 在分析板料拉伸成形极限时提出了 FLD 的右半部 分曲线(应变状态为拉-拉部分)。Goodwin 又根据实验结果补充了 FLD 的左半部(应变状 态为拉-压部分)。 至今 FLD 仍广泛应用于薄板成形性分析中， 成为板材成形工艺和实验 研究的主要工具。 后来， Marciniak 和 Kuczynski(M-K)根据 Hill 在 1952 年发表的失稳理论提出了理论 成形极限的概念。随后于 1975 年发展为著名的 FLD/MK 模型，开始了理论成形极限图 的研究，从而构成了板材成形性研究的第三个里程碑[21~24]。 现在人们正在应用各种数值模拟软件(如板料成形专用软件 eta/Dynaform 等)对板料 成形性能进行研究，使得对成形极限图的研究也进入了崭新的阶段，如 Dynaform 软件 在板料成形模拟后会自动生成成形极限图。通过材料的本构方程来预报成形极限，使板 材成形进入了由经验技术向工程科学的过渡阶段。 从五十年代起，尤其是近十几年来，薄板成形性研究的发展十分迅速，在美国、日 本、加拿大和德国等国取得的进步尤为突出。主要有以下几个方面[25]： (1)成形极限的研究： FLD 的理论研究基础是拉伸失稳理论。20 世纪 50 年代 Swift 提出的分散失稳理论 和 Hill 提出的集中失稳理论为板料成形和板料成形极限图的研究提供了理论基础。 后来 在板料研究理论方面又先后出现了各种理论或模型，如考虑材质不均的 M-K 沟槽理论 (M-K 模型)，考虑颈缩区内外速度不连续的 S-R 理论以及后腾理论。国内近些年来也有 很多学者对板料成形及板料成形极限图进行了较为深入的理论研究， 并通过实验进行了 验证，由此提出了不少的失稳理论模型和判据。如对现有的 FLD 理论计算中左右部分 理论基础不统一的问题进行研究，建立了两部分统一的 FLD 理论模型。 (2)成形力学分析及过程模拟优化： 成形过程的应力-应变分布的计算和测定，润滑、摩擦、温度、速度等成形条件的 作用，采用数值法(有限元法、差分法)对成形过程进行模拟计算、优化以及计算成形 极限。-7- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论(3)成分、组织结构、板材表面状态对成形性的影响： 化学成分、杂质含量、形状及分布、金相组织、晶粒度、织构等因素对各成形性指 标的影响机理，对表面状态的影响。 (4)特种薄板成形性的研究： 研究不锈钢板、低合金高强度钢板、有色金属、各种镀层板、合金板及复合板等特 种薄板的特殊成形性能。 (5)计算机辅助设计及制造(CAD/CAM)： 发展计算机在板材成形性能的研究、 成形工艺设计及成形件制造和模具设计制造中 的地位和作用，是现代薄板成形领域中的一个重要标志。随着有限元理论和技术的发展 以及计算机运算能力的提高， 近年来板料成形中开始广泛使用数值模拟技术来分析板料 成形中的起皱、破裂等问题，有限元模拟也在一定程度上代替实验和理论计算来得到成 形极限曲线。但是有限元模拟精度是能否获得精确可靠的 FLD 的关键问题，这就使得 模拟中工作单元的划分、硬化曲线的描述、本构关系和各向异性以及边界条件的确定成 为模拟中的重要问题。 现在用来模拟板料成形的软件主要有动态显式和静力隐式两种，动态显式的有 Dynaform、Pamstamp 等，静力隐式的有 Marc 等[26]。 其中国内的著名高校如上海交通大学和华中科技大学等都应用 eta/Dynaform 软件 来模拟板料成形问题并获得了较好的效果，尤其在复杂的汽车覆盖件的成形模拟中 Dynaform 发挥了很大的作用，Dynaform 软件是专业的板料成形数值模拟软件，它能在 板料成形模拟后处理时可以绘制出板料的成形极限图。 (6)薄板成形性科学评定的测试方法的研究： 板材的单向拉伸、双向拉伸、对角拉伸实验测试，各种模拟成形性实验测试、成形 极限图的实验测试等。 当前成形极限图的研究大多数仍然通过采用电蚀法在试样的表面印制网格， 用半球 凸模胀形法进行实验，然后用网格分析装置得到临界网格圆的极限应变，最后绘出成形 极限图。如何精确测出临界网格的极限应变，成为当前成形极限图研究的主要内容。由 于圆形网格在测量非比例变形时存在不足之处， 现在已有学者应用方形网格来代替圆形 网格进行极限应变的测量，如 M.P.Sklad 用方形网格来测量主次极限应变[27]。 进入九十年代以来，随着计算机技术的发展和成熟，板料成形的数值模拟得到了飞 速发展。板料成形的数值模拟涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性、边界条 件非线性等非线性问题的计算，难度很大。随着非线性连续介质力学理论、有限元方法 和计算机技术的发展，通过高精度的数值计算来模拟板料的成形过程已成为可能。 应变路径是成形极限图的主要影响之一， 很多学者从应力与应变两方面研究了应变 路径对板料成形极限的影响。Arrieux 等通过实验和转换计算，得出板料失稳时应力状-8- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论态与应变路径无关，进而提出了成形极限应力图 FLSD(Forming limit stressdiagram)[28]。 M.P.Sklad 也用成形极限应力图分析了板料成形中的非比例变形情况。尽管将成形极限 曲线按照塑性应力应变关系转换成成形极限应力图，曲线形状与加载路径无关，但仍需 获得板料的极限应变。 所以能否找到一种从本质上更能反映板料成形性能而且减少对外 部条件依赖的研究方法，已经成为将来研究板料成形极限图的一个重要的研究课题。 (7)板料成形性研究的趋势 近年来，板料成形性研究经历较快的发展，并且有着广阔的发展前景。归纳起来有 以下几点： (a)在成形极限图方面，由于实际条件中板料受材料参数、实验条件等复杂因素的 影响，能够避开复杂应变路径的成形极限应力图(FLSD)会成为研究方向和研究重点。 (b)十字形试件可实现复杂加载路径，但中心区域应力应变测量与计算方法是目前 要解决的问题。 (c)目前剪应力起皱方面的研究较少，考虑到板料的抗皱性，这方面将成为学者需 要解决的问题。 (d)板料回弹问题体现着板料的抗弹复性，有着越来越重要的研究价值，目前专家 学者渐渐倾向于有限元模拟回弹的研究。由于回弹是板料成形中的最后一步，再加上板 料回弹问题的影响因素太多，所以其模拟精度是一个严峻的挑战，将成为研究的重点和 难点[29]。1.3.2 板材成形性介绍对板材冲压性能的研究， 已由过去单纯的试验方法研究阶段发展为金属学变形力学 等方面的系统理论研究的全新阶段。主要研究内容为[20]： 1.金属组织结构与冲压性能关系； 2.板材生产方法对冲压性能的影响； 3.各种冲压变形对冲压性能的要求； 4.冲压性能的表示方法与鉴定方法。 板材冲压性能的试验方法很多，概括起来分为直接试验和间接试验两大类，如表 1.3 所示。直接试验中，板材的应力状态和变形情况与真实冲压时基本相同，所得结果 也比较准确；而间接试验时板材的受力情况与变形特点都与实际冲压时有一定的差别。 所以，所得的结果也只能间接地反映板材的冲压性能，有时还要借助于一定的分析方法 才能做到。-9- 东北大学硕士学位论文 表 1.3 冲压性能试验方法 Table1.3 The test method of forming 拉伸试验 间接试验 金相试验 硬度试验 杯突试验(Er) 板材冲压性能 试验方法 直接试验 模拟试验 扩孔试验(KWI) 锥杯试验(CCV) 拉深成形试验(LDR) 凸耳试验(earring) 成形极限图(FLD) 实物试验和模型试验第 1 章 绪论1.3.3 深冲板材性能要求随着汽车制造技术的发展， 包括计算机综合制造技术的应用以及汽车品种的升级换 代，汽车对深冲板的品质要求不断提高以便在汽车制造中可减少废品，利于操作和提高 效率，并可在使用过程中达到美观、安全、耐用和高效能，为满足现代汽车制造和使用 要求，深冲板必须具备的基本品质是[30]： (1)良好的板面平直度和板形，严格的尺寸精度和性能均匀性。 (2)优良的成形性能，即：高的塑性应变比 r，高的伸长率 δ，低的屈服强度 σs，低 的时效指数。 (3)良好的焊接性能。 (4)部分零件用钢板应具有吸声减震效果。 (5)优良的表面形貌和光洁度。 (6)高的耐腐蚀性能。 (7)良好的抗凹能力和足够的抗变形强度。1.4 成分对组织性能的影响冶炼是提供汽车板“洁净”钢质的关键工序，目前生产汽车板冶炼工艺普遍采用(1) 铁水预处理，(2)顶底复合吹转炉，(3)挡渣出钢，(4)真空精炼，(5)保护浇注，(6)电磁搅 拌，(7)防止增碳等技术，调节影响钢质的化学元素，控制钢的化学成分，获取洁净的 优质汽车钢板。我国汽车板的冶炼取得了不少成绩，但在钢质纯净度方面尚达不到国际 先进水平。-10- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论1.4.1 成分对 n 值的影响一定的成分是获得一定的组织和性能的基础。一般认为，只要溶解于铁素体的合金 元素和过剩相都降低 n 值；凡是能得到无畸变铁素体的措施都提高 n 值。表 1.4 为 1％ 重量比的合金元素对 n 值的影响。可以看出，合金元索溶解度越小，降低 n 值的作用越 强烈[31]。表 1.4 合金元素对 n 的影响 Table1-4 The Alloying elements effect to the n 合金元素 Cu Si Mn Ni Cr △n -0.06 -0.06 -0.04 -0.04 -0.02 铁素体中固溶(wt%) 1 15 3 10 100表中未列出碳对 n 值的影响， 但我们知道当碳含量从普通深冲钢的 0.05％减小到超 深冲钢的 0.003%时 n 值可从 0.22 提高到 0.26，这样看来碳的作用可名列榜首。另外碳 的固溶度远比表中各元素的固溶度小，这也完全符合固溶度越小时 n 值影晌越大的趋 势。对高的 n 值来说，超低碳是十分必要的。1.4.2 强化机理1.4.2.1 固溶强化 塑性变形是凭借位错运动(即由滑移)而发生，限制其可动性的一种办法是引入溶质 原子或沉淀物之类的非均匀物，或在延性基体中添加硬粒子，当固体的力学性能因引入 溶质原子而改变时，所导致的强化就称为固溶强化[32]；在固溶强化的情况下，位错和 壁垒的交互能使溶质原子向位错迁移，形成围绕位错的气团(如 Cottrell 气团)，具有钉 扎位错的作用；这种交互能与多种因素有关(错配交互作用，静电交互作用，化学交互 作用等)。 关于固溶强化的机理大体上可以分为三类，即(1)位错钉机制。位错被可运动的溶 质原子钉扎而造成强化。这种钉扎主要是在合金开始屈服时起作用；(2)摩擦机制。运 动的位错受到相对不动的溶质原子所引起的内应力场的阻碍，而增加了位错运动的阻 力；(3)结构机制。溶质原子通过影响合金中的位错结构，而间接地影响使位错运动所 需应力的大小。 1.4.2.2 分散强化 当在合金组织中含有一定数量的分散的异相粒子时，可使其强度有很大的提高。这 种由第二相分散质点造成的强化过程统称为分散强化。-11- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论当晶体中的位错在运动的前方遇到第二相质点的阻碍时， 它可以不同的方式通过质 点。(1)位错切过第二相质点。(2)位错绕过第二相质点。当质点的尺寸长大到使位错难 以借切过的方式通过的时候，位错就用绕过的方式前进。 1.4.2.3 位错强化 金属的变形主要是通过原有位错的运动和许多附加位错的产生而进行。 金属中的位 错密度越高，则位错运动时容易发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的 障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。这种用增加位错密度提高金属 强度的方式称为位错强化。 1.4.2.4 细晶强化 关于晶粒尺寸强化理论即有许多， 其中较为重要的有 Hall-Petah 理论、 Corell 理论、 Li 理论和 Conrade 理论； 晶粒大小是影响材料的强度和塑性的重要因素。 细晶强化是一 为此可向钢种加入 Al、 V、 Ti、 种能够同时提高强度而不损失韧性的有效的强化手段[33]。 Nb 等元素，形成难容的第二相粒子，这些粒子越弥散细小，数量越多，则晶界迁移阻 力越大，从而细化了晶粒，强化了金属。1.4.3 成分对 r 值的影响成分对 r 值的影响就是成分对织构的影响， 在深冲钢成分含量范围内成分对冷轧织 构影响不大，主要是通过各种弥散析出物影响再结品过程来影响最终织构的 r 值。 1.4.3.1 间隙原子影响 固溶 C 的影响：试验一般趋势都是随含碳量增加，r 值下降。另外，取得最大 r 值 的压下量随着碳含量的降低，向冷轧高压下率方向移动。关于 C 对织构影响的机理， 众说纷纭，比较一般的看法是 C 含量高时，变形后形成不均匀变形区，在再结晶过程， 这些变形区使{hkl}&001&组分容易形核。 有利织构{111}&uvw&相应减少。 相同压下量下， 碳越多形变越多。为减少变形带，最佳压下量只有降低。从另一角度来说，也可以把最 佳压下率低看成是钢中碳过多，碳当量高的原因。 N 的影响：处在固溶态时与 C 作用相似。当在超低 C 钢中 N 含量极低时，形变织 构主要发生同位再结晶，因此使有利形变织构在退火时得到保留和加强。 1.4.3.2 置换原子影响 Mn 的作用：Mn 可以与 C、O、S、N、P 等交互作用。它在冶炼中的作用是脱 O 和消除 S 的影响。 锰能提高钢的强度， 但不降低钢的韧性元素。 锰因能减少晶界碳化物， 细化了铁素体晶粒，故能提高韧性，尤其是当 Mn/C 为 3 以上时，其作用更显著，对低 温用钢来说，对形成铁素体-珠光体组织的碳钢只要碳量增加，冲击转变温度就升高， 韧性便恶化，所以多数钢都提高 Mn/C 的含量。胡郁等在低碳中测了不同的 Mn 量 (0.005～0.56)对(111)织构的影响。关于 Mn 含量高时的不利作用的流行解释为 Lucke 提 出的杂质拖拽模型。再结晶初期成核的{111}晶粒成长中的晶界受到溶质原子拖拽时，-12- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论一些杂乱方位的晶粒将有时间形核，从而削弱了{111}织构[34]。 Al 的作用：Al 一般是作为脱氧剂加入的，作用是去除钢液中的氧；另外，它还可 以以第二相的形态来控制成品钢板的组织和间隙原子的位置来改善钢板冲压性能， 减少 时效，防止在冲压过程中产生滑移线，它的含量少起不到作用；含量多使成品钢板的晶 粒变细，强度增高，冶炼时应按加入量进行适当控制。 P 的作用：P 强化效果好，能促进有利织构，但使塑性有所降低，关于 P 在低碳钢 再结晶中的作用机制有以下观点：(1)P 在钢中以 Fe3P 析出，有类似 AIN 的有利作用。 (2)P 改变了 C 的析出行为。(3)P 影响了固溶 C 原子的状态及作用。Ohaski 报道间隙固 溶 C 极少时，加 P 使{111}组分减弱，当固溶 C 较多时（10－24ppm）对 p 反而有促进 {111}组分的作用[35]。 1.4.3.3 析出物和原子对的作用 AIN 原子集团的作用：再结晶温度高时 AIN 析出。极微细的原子集团阻碍了再结 晶，使再结晶温度升高。如果冷轧前 AIN 己析出，AIN 较粗大则再结晶温度降低，晶 粒不易呈饼形，r 值和沸腾钢差不多。不同取向晶粒储能不同，其大小顺序为： {011}&{111}&{112}&{001}， 储能大则再结晶驱动力大， 亚晶成核长大容易进行[36]。 {011} 是不稳定织构，数量很少，所以{111}晶粒先形核。相比之下，AIN 对高储能{111}晶粒 的形核阻力小于对低储能{001)晶粒的形核阻力。AIN 粗化越慢，对{001}晶粒长大的阻 碍作用越大。AIN 的析出有偏聚，冷轧退火后等轴晶粒成为饼形。 原子对作用：C、Mn 共存使 r 值下降，这种影响与造成再结晶杂乱形核长大有关。 C、Mn 的相互作用使有利织构的选择性形核减弱。1.5 提高板材成形性的方法提高板材成形极限所需的材料特性表示在表 1.5 中。通过提高材料一些特性，对板 材的成形性能有直接的影响[37]。表 1.5 提高板材成形极限途径 Table1.5 The method of improve the forming Ability 不良成形 成形方式 拉胀 破裂 深冲 翻边 起皱，形状固定不良 冲压 提高成形极限所需要的材料的特性的变化 塑性 δ↑、n↑ r↑ 扩孔值↑ 杨氏模量↑，σs↑、σb↑而为了达到提高材料成形极限所要求的材料的特性， 在深冲板的生产中要注意在不 同生产阶段的影响程度如表 1.6。-13- 东北大学硕士学位论文 表 1.6 深冲板生产中不同生产阶段的影响程度 Table1.6 The influence of the producing deep steels 材料特性 冶金学方法 炼钢 n值 r值 调整化学成分 调整结晶组织 改善组织 控制结晶组织 扩孔性 减少二相粒子 提高 r 值 σs、σb 调整化学成分 控制结晶组织 △ △ △ △ ▲ △ ▲ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ 相关生产工艺的影响 热轧 冷轧第 1 章 绪论退火▲ ▲ ▲ △ ▲▲注：△―影响小，▲―影响大1.6 本课题研究的背景和研究内容1.6.1 研究背景汽车工业的迅猛发展，2009 年我国年产 1379 万辆，已经成为世界第一大产量国。 而对汽车的相关行业也充满了机遇。 汽车的 70%是由钢铁组成， 所以对钢铁业来说―― 特别是薄钢板业是不可奢求的机遇。随着汽车工业的发展，对冲压薄板的要求会更加苛 求，所以研究深冲薄板的成形性能是十分必要的。 本试验主要所有仪器是“985”资金购买的万能薄板试验机(BCS50-AR)，该试验机基 本涵盖了冲压成形的基本试验。包括在室温和高温下进行的冲压试验。它能进行刚性模 胀形试验、扩孔试验、拉深试验、杯突试验、液压涨形试验、凸耳试验、锥杯试验和成 形极限图。 本钢冷轧薄板厂生产的汽车用钢，以冷轧板和涂镀板为主，实物质量达到国内先进 水平，产品覆盖各种汽车零部件。品种涵盖 CQ、DQ、DDQ、EDDQ、SEDDQ、HSS 等冷轧板和涂镀板，以及汽车桥壳钢等，具有优良的力学性能和工艺性能，以及良好的 延展性能，均质性能和焊接性能。产品的尺寸轮廓及表面质量高，加工成形性能高。本 试验所用钢板来自于本钢。1.6.2 研究内容本试验所用冷轧钢板主要有 DC01、DC03、DC04 和 DC06，DC01 主要用于一般冲 压成形，DC03 和 DC04 用于深冲件，DC06 用于超深冲件。首先对四种钢种进行简单-14- 东北大学硕士学位论文第 1 章 绪论的金相和基本力学性能测试。总结影响冲压成形的力学性能指标，比如 n 值、r 值、屈 强比等。 在进行冲压成形试验时，主要分两大部分： 第一部分主要是冲压成形的基本试验：包括杯突试验、锥杯试验、凸耳试验和扩孔 试验。 (1)杯突试验：通过相同条件下试验，比较一般冲压用钢和深冲钢的区别，分析影 响成形影响因素。同时分析影响结果的因素，对不同条件下进行对比，分析各种因素对 杯突试验值的影响，比如压边力、凸模速度、润滑条件等。 (2)锥杯试验：通过对钢 CCV 值的测量，分析影响钢板锥杯值的因素。通过试验结 果找到提高钢板锥杯值的路径。进而做横向试验研究，在不同冲击速度、润滑条件下、 比较锥杯值的变化。 (3)凸耳试验：凸耳是影响薄板成形的一个重要指标，通过比较，总结影响凸耳率 的因素，指导生产过程中，减小凸耳率。改变冲压润滑条件，总结变化规律，分析影响 变化的因素。 (4)扩孔试验：对钢种进行扩孔试验，并对扩孔结果进行分析，对不同钢种进行对 比，研究影响钢种扩孔的因素。 第二部分主要是对 DC06 的研究。作为超深冲钢板，其成形性能是值得进一步研 究的。对其做出了成形极限图，可以用以指导冲压生产过程中，作为冲压极限的参考。 另一方面可以分析影响成形极限图的因素，进一步指导生产，为提高其性能提供可行性 指导。-15- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法第 2 章 试验材料及方法本章主要介绍试验过程中所使用材料的成分、组织结构及力学性能等。主要试验方 法包括杯突试验、凸耳试验、锥杯试验、扩孔试验和成形极限图等。2.1 试验材料本论文主要研究对象为冷轧深冲板，试验用料来于本钢冷轧薄板厂，其基本化学成 分如表 2.1 所示。表 2.1 试验用钢的化学成分(质量分数，%) Table2.1 Chemical compositions of experimental steels (mass%) 钢种 DC01 DC03 DC04 DC06 C 0.019 0.8 0.0018 Si 0.001 0.01 0.01 0.01 Mn 0.15 0.16 0.15 0.11 P 0.011 0.008 0.011 0.008 S 0.008 0.006 0.004 0.004 Al 0.04 0.04 0.03 0.03 Nb 0 0.004 0.004 0.005 Ti 0 0.054 0.055 0.062 N 0.3 0.3 O 0.8 0.2注：“D”代表冲压用钢板，“C”代表轧制条件为冷轧。DC 一般是欧盟标准，国内宝钢和本钢等钢厂都在用，均有稍微改动。碳一般增加 钢强度的同时降低塑韧性。现在深冲钢板要求高的延伸率，因此深冲用钢均是低碳含量 钢，甚至超低碳钢。氮的作用和碳一样，主要是造成屈服效应和应变时效，深冲钢板中 要控制 C、N 含量。微量元素 Nb 和 Ti 的加入，Ti 和 Nb 为强碳化物形成元素，易与碳 形成稳定碳化物，使钢中的 C、N 间隙原子得以消除，得到纯净的铁素体基体，从而消 除间隙原子的不利影响，使钢具有高塑韧性值。DC01 是一般冷轧钢板，对碳含量相对 要求不高，没有加入 Nb 和 Ti 元素，影响到薄板的各项性能指标，一般做用于弯曲浅冲 成形用钢板，不用于复杂拉伸。DC03 冲压用钢，可以用于拉伸，DC04 是深冲压钢板， 性能比较接近于 08Al。DC06 超低碳深冲压钢板。金属化学成分的含量将对其力学性能 产生影响。 从表中可以看出， 除了 DC01 碳含量较高外， 其余 3 中都保证在较低的水平。 DC03 和 DC04 成分比较接近，如果相同工艺下，组织和性能比较接近。标准中对 DC03 和 DC04 的强度要求仅差 10MPa，所以成分基本没有差别。而对超深冲钢板 DC06，要 求较高，其成分和 DC03 和 DC04 基本相同，为得到较高的成形性能，对其后期轧制要 求较高。2.2 试验薄板金相组织试验任何结构材料的性能总是和它的显微组织密切相关， 深冲钢板成形性能也是有它组-16- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法织所决定的。因此，研究和建立组织和性能的关系是十分重要的。2.2.1 金相试验沿轧向在薄板上切取金相试样， 镶样后研磨， 无划痕后用 4%的硝酸酒精溶液腐蚀， 再进行观察金相组织观察。 冷轧深冲钢相对强度比较低，金相容易出现划痕，所以研磨过程中要多次水磨，而 且抛光要干净，腐蚀时间稍微比其他钢种腐蚀时间长。 得到其组织如图 2.1。DC01 DC03DC04DC06图 2.1 试验钢金相显微组织 Fig3.1 Optical microstructures of different steel图 2.1 为四种冷轧薄板退火后试样沿轧向纵截面中心处的光学显微组织照片。由照 片可见，铁素体晶粒都已发生了完全的再结晶，晶粒比较粗大均匀。DC01 晶粒六边形 形状较为明显，但部分晶粒粗大，不利于成形。DC03 和 DC04 晶粒大小均比 DC01 明 显增大，它们之间比较接近，成分和工艺相差不大，DC06 晶粒最大，深冲性能就比较 好。是因为[38]铁素体晶粒尺寸影响到塑性应变比，塑性应变比与板材的深冲性能有直-17- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法接联系。铁素体晶粒尺寸大，塑性应变比大，深冲成形性能就比较好，并不是所有钢种 都是这样的。2.2.2 晶粒度计算晶粒度的计算方法： 首先在金相图上取与长边平行且等间距均匀分布于金相图上的 十条平行线，令直线长度为 L，以直线与晶界相交的位置来计算晶粒个数 n 则晶粒的平 均尺寸为 d，以同样的方法计算十条平行线上的晶粒尺寸，然后再计算这些晶粒尺寸的 平均值，以该平均值作为对应截面上的晶粒度。 按照国标 GB/T
要求测量其晶粒度，采取截点法，平均晶粒度级别数 G 可按式 2.1 进行计算，所得结果如表 2.2。G = (?6.643856 lg l ) ? 3.288其中 l 为试样检验面上晶粒截距的平均值,mm。表 2.2 金相组织检测结果 Table2.2 The result of microstructures of steel 钢种 放大倍数 晶粒/?m 晶粒度级别 13.4 9.1 20.5 7.8 DC01 DC03 200 21.2 7.5 25.2 7.1 DC04 DC06(2.1)晶粒大小对金属的机械性能有很大影响，常温下晶粒越细小，强度和硬度越高，同 时塑性和韧性也越好。一般能满足 Hall-Petch 公式。但铁素体晶粒尺寸对深冲性能的影 响不同[38]，晶粒越大深冲性能越好。2.3 力学拉伸试验通过力学拉伸实验，可以取得冷轧深冲钢板在强度和塑性等方面的力学性能信息， 如屈服强度、抗拉强度、屈强比、弹性模量、断后延伸率、断面收缩率、细颈点应变(或 称均匀延伸率)、 值和 r 值等， n 通过这些性能指标可以定性地分析评估钢板的成形性能。 力学拉伸实验能清楚地反映出材料受外力时表现出的弹性、弹塑性、断裂三个过程。本 文采用的是金属静拉伸实验，即在常温、静载和轴向拉伸载荷作用下材料所表现出来的 力学行为。 与薄板轧制方向成0°、45°和90°方向截取标准力学拉伸试样和n，r值测定拉伸试样(图2.2)，利用CMT5105型微机控制电子万能实验机测定实验钢的力学性能(强塑性指标)，每个方向试样至少取2个试样的平均值。通过力学拉伸实验，可以得出实验钢的抗 拉强度和屈服强度、屈强比、断后延伸率、均匀延伸率(拉伸试验开始产生分散失稳变-18- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法形时的延伸率)、应变硬化指数n值以及塑性应变比r值。其中抗拉强度、屈服强度和屈 强比可以通过应力应变曲线得到，断后延伸率、断面收缩率通过简单的数据处理也可以 得到，n，r值和均匀延伸率(拉伸试验开始产生分散失稳变形时的延伸率)可以通过引伸 计采集，通过计算机软件计算得出。图 2.2 拉伸试样尺寸（mm） Fig2.2 The dimension of tensile specimen2.3.1 屈强比无论是延伸类或压缩类变形，其屈强比愈小，则成形极限愈高，成形性能愈好。例 如在杯突时，如果薄板的屈服强度低，则变形区的切向应力就小，材料失稳起皱的趋势 也就小，杯突值就较高。2.3.2 均匀延伸率 δ u 和延伸率 δδ u 是均匀延伸率也称最大力( Fm )非比例延伸率，是拉伸试验开始产生分散失稳变形(细颈)时的延伸率；δ是断后延伸率，是拉伸试验破坏时的延伸率，与试样相对长度 有关。一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行，所以 δ u 对成形性能有 着更为直接的意义。2.3.3 应变硬化指数 n 值n 金属薄板硬化规律接近于幂函数 σ = Kε 的关系，它是形变强化能力的一种度量，本试验采用两点法，即测量并计算出拉伸过程中某两点的真应力σ与应变ε，即可计算出n值，当然，取值点必须是在均匀变形范围内。因此，通常取为 δ 1 = 0.05 和 δ 1 = δ u 。2.3.4 塑性应变比 r 值塑性应变比也就是各向异性系数，一般以宽度方向的应变量 ε b = ln(b / b0 ) 与厚度应 变 ε t = ln(t / t0 ) 的比值r来表示这种差异(其中t-拉伸变形后试样厚度； t0 -试样原始厚度；-19- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法b-拉伸变形后试样宽度；b0 -试样原始宽度)。本试验r值是将深冲薄板钢板试样单轴拉伸到产生均匀塑性变形，取 ε =15%时的宽、厚向应变比值进行计算的。 r = εb /εt(2.2)r值的大小反映了板材成形时厚向变形发展的难易程度。r值大时，表明板材在厚度方向上的变形比较困难， 比板平面方向上的变形小， 在伸长类成形中， 板材的变薄量小， 有利于这类冲压成形。 由于板材的r值常具有方向性，在板平面不同方向上的r值常不一样。可以按平均值 计算：r = 1 / 4(r0 + 2r45 + r90 )(2.3)式中， r0 、 r45 与 r90 分别是与板材轧制方向成0°、45°与90°的方向上截取的拉伸试 样时测得的r值。 薄板各向异性程度用凸耳参数Δr衡量，是金属薄板平面上0°和90°方向r值的平均值 与45°方向r值之差。计算公式如下： Δr = (r0 + r90 ? 2r45 ) / 2(2.4)凸耳参数 Δr 反映了板面上各向r值波动的程度，它与冲压成形时凸耳的大小密切相 关， Δr 大时，板材的方向性强，结果会引起塑性分布的不均，对冲压成形不利。若减 凸耳缺陷，Δr应尽量小，当Δr≈0时，不出现耳子缺陷。 塑性应变比r值可在较大的范围内通过许多工艺参数来控制，为改善深冲带钢成形 性能提供了更大的灵活性。表 2.3 材料基本力学性能 Table2.3 Mechanical properties of the experimental steels 钢种 方向 0° DC01 45° 90° 0° DC03 45° 90° 0° DC04 45° 90° 0° DC06 45° 90°σ s /MPa σ b /MPa174 180 176 142 141 142 142 145 150 130 135 130 300 310 310 290 285 290 290 290 298 276 280 275屈强比 η 0.58 0.58 0.57 0.49 0.49 0.50 0.50 0.50 0.50 0.47 0.48 0.47n 0.22 0.22 0.23 0.25 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26r 2.20 1.73 2.10 2.55 2.27 2.65 2.48 2.30 2.65 2.65 2.40 2.75均匀延伸率 δ u /% 23.8 22.8 23.4 24.2 24.0 24.5 24.0 23.8 24.4 24.8 24.2 24.7断后延伸率 δ/% 42.2 38.6 41.0 49.4 48.4 50.8 48.6 46.2 50.2 49.8 49.0 50.6-20- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法从表2.3中可以看出：薄板与轧制方向成45°方向的试验试样，一般屈服强度和抗拉 强度较高，且塑性应变比r值明显低于0°和90°方向试样，特别是DC01，大约低了0.5。 断后延伸率也低于0°和90°方向延伸率。一般延伸率低的钢塑性能较差，成形能力也差。3个方向试样的屈强比差别不大，总的趋势是DC01最高，逐渐降低，DC06最小。屈强比也是成形能力的一个标志，屈强比越低，成形能力越好，冷轧板容易屈服成形，但有 高的抗拉强度，所以成形能力比较好。 通过式2.3和式2.4计算平均r值和 Δr 值，如表2.4： 表2.4 试验钢r值和 Δr 值 Table2.4 The value of r and Δr of the experimental steels钢种 r DC01 1.94 0.42 DC03 2.45 0.33 DC04 2.45 0.26 DC06 2.55 0.30Δrr值对材料成形性能有很大关系， Δr 值对材料成形出现凸耳情况有直接联系，测量其值对后续成形研究有重要意义。2.4 成形试验本试验主要以深冲薄板钢为研究对象， 主要进行了杯突试验、 锥杯试验、 凸耳试验、 扩孔试验和成形极限图试验。2.4.1 成形试验设备本试验所用仪器为BCS50-AR万能薄板试验机(图2.3)，该试验机专门用于鉴定和鉴 别金属板材塑性成形(冲压)性能，试验机满足GB/T相关试验标准。适用于超 高强钢板、钛合金、铝锂合金、镁合金等难成形板材以及普通钢板的成形性能试验。可 在常温和加热状态下完成以下板材成形性试验： （1） 杯突(Erichsen)试验 （2） 锥杯(C.C.V)试验 （3） 凸耳(Earring)试验 （4） 扩孔(K.W.I)试验 （5） 拉深(Swift)试验 （6） 刚模胀形试验(FLD试验) （7） 液压胀形试验 万能薄板试验机BCR50-AR主机采用立体结构，成形力和压边力均为液压控制加载 方式，控制方式利用柔性试验技术及闭环控制技术，采用工控机实现对试验速度和试验 载荷的实时的自动控制，对成形力测量精度控制在±2%内，可以在常温和900℃下进行-21- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法试验。最大成形力为500kN，最大压边力为300kN，成形速度：0-300mm?min-1，电源：380V、50Hz，总功率：50kW。图2.3 万能薄板试验机 Fig2.3 The BCS50-AR testing machine2.4.2 杯突试验这种胀形试验的装置如图2.4所示，试验时，先将平板坯料试件放在凹模平面上， 用压边圈压住试件外圈，然后，用球形冲头将试件压入凹模。与冲头接触的试件中间部 分坯料受到双向拉应力作用而实现胀形变形。 在胀形中当试件出现裂缝时冲头的压入深度称为胀形深度或Erichsen试验深度，简 计为 E r 值。 E r 值作为评定板材胀形成形能力的一个材料特性值。实际上，胀形是典型 的拉深类成形工序，故 E r 值也是评定拉伸类冲压成形性能的一个材料特性值。 E r 值越 大，胀形性能及拉深类成形性能越好。 本实验重点比较了四种钢种之间的 E r 值，简单了解影响因素，主要进行了不同条 件下的杯突试验，研究在试验条件改变情况下对板材 E r 值的影响。试验采用了不同压 边力、不同冲击速度和润滑剂的不同，以及不同尺寸试验进行试验，总结试验因素对杯 突试验结果的影响。-22- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法图2.4 Erichsen胀形试验装置 Fig2.4 The test equipment of the Er2.4.3 锥杯试验锥杯试验装置如图2.5所示，由凸模杆、定位环、钢球和凹模组成。将规定外径 d 0 的圆形金属薄板试件放入带有锥角的规定型号凹模的锥腔内，用定位环按压其上，以 使试件面与凹模轴线垂直，根据试样厚度不同选用不同直径的钢球，使试件变形为球 底锥杯形。图2.5 福井试验装置 Fig2.5 The test equipment of the CCV当锥杯件底部破裂时，停机卸载，测量此时锥杯形件杯口的最大最小直径，通过式2.5计算平均外径D，以D值作为试验指标-锥杯值(CCV)，以mm为单位。-23- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法CCV =Dmax + Dmin 2(2.5)锥杯比η，国际深冲研究会(IDDRG)推荐的适用的试验指标，计算公式如式2.6。η=D0 ? D D0(2.6)式中： D0 -试样原始直径,mm，D-为锥杯试验后试样直径,mm，即CCV。 锥杯试验结果与其他成形性能测定结果有良好的一致性，CCV值与硬化指数n值和 塑性应变比r值之乘积有很好的相关性。金属薄板的CCV值越小，其拉延与胀形的综合 成形性能越好。凸模最大作用力 Pm 也可作为锥杯值的参考指数，用以评定有相同锥杯 值的两种板材的优劣。 本试验在相同条件下，四种试样进行比较。分析结果。研究了不同因素对试验结果 的影响，采用了不同冲击速度、不同压边力和不同条件下润滑进行试验，分析比较试验 结果，总结规律性问题，指导实际零件生产。2.4.4 凸耳试验由于钢板在生产加工过程中产生各项异性，特别深冲板材，冲压成形后，很容易产 生高低不平的波浪壁，把波浪中凸起的部分成为“凸耳”。试验装置如图2.6所示。图2.6 凸耳试验装置 Fig2.6 The test equipment of the earring试验结束后测量凸耳高度，按式2.7计算出凸耳率，e=h p ? hv hv-24-(2.7) 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法式中： h p -凸耳峰高,mm， hv -凸耳谷高,mm， hv -平均凸耳谷高,mm。 通过数据计算出平均凸耳率 e ，为了使数据更有可比性，一般还以其标准方差S衡 量凸耳不均匀程度的指标。 本试验做了深冲钢在不同凸模圆角半径、不同凹模内径和不同压边力下，凸耳率的 比较，总结深冲薄板钢的规律。2.4.5 扩孔试验K.W.I扩孔试验是反映钢板扩孔性能的一种模拟成形试验方法。是由德国的KWI研究所首先提出，故有此名。 扩孔性能是取决于极限变形能即钢板承受极限变形时， 成为延展性破坏起点的微小 空隙越难以生成与传播，则该钢板的延伸凸缘性越优良。其试验装置如图2.5所示：用 有预加工小孔(小孔直径规定为扩孔冲头直径的30%)的平板坯料进行扩孔，至孔口边缘 因孔径扩大而出现裂缝时止。图2.7 扩孔试验装置 Fig2.7 The test equipment of the hole-flanging test （a）模具装置（b）试验原理将深冲冷轧薄板，切割成直径为60mm的圆，中间制成内径为5mm的小圆，清洗干 净后在进行试验，试验时将中心带有预制冲孔的试样置于凹模与压边圈之间并压紧，通 过凸模将其下部的试样材料压入凹模，迫使预制圆孔直径不断胀大，直至孔缘局部发生 开裂的瞬时停止凸模运动，测量试样扩孔后孔径的最大值和最小值，并计算它们的平均 值，然后根据公式2.8计算出扩孔率λ，并求出其平均值。d1 ? d 0 × 100% d0-25-λ=(2.8) 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法式中： d 1 ―开始出现裂缝时的孔口直径,mm；d 0 ―预加工小孔径,mm。显然，λ值愈大，板材的翻边性能愈好。 对典型的扩孔开裂试样通过线切割，沿轧制方向加工成小片，再进行研磨、抛光后 用4%硝酸酒精溶液腐蚀，在扫描电镜下进行裂纹微观组织、对其总结规律。2.4.6 成形极限图成形极限图(Forming Limit Diagram,简称FLD)或成形极限曲线(Forming Limit Curve, 简称FLC)是板料冲压成形性能发展过程中的较新成果。力学上指冲压板材在不同应力 条件或不同应变路径下发生颈缩或破裂之前可以达到的极限板面应变量的集合， 技术上 是分析冲压成形工艺过程能否稳定发展的判据， 而在材料学方面则代表板材抵抗冲压破 裂失稳的塑性成形性能。 试验原理如图 2.6所示，是利用刚性胀形试验，试样受凸模力的作用下产生胀形 变形。图2.8 成形极限试验装置 Fig2.8 Facilities for FLD testing成形极限图的试验方法如下所述：(1)在试验用坯料上制备好坐标网络；网格圆可采用照相制版、光刻技术、电化学腐蚀或其他方法制取，考虑到简便、快 捷和经济方面因素，本试验采用电化学腐蚀。制作装置如示意图2.9示： 电解棒先吸收电解液，通电后电解液通过模板上刻线的地方渗透过去，产生电解反 应，钢板上电解所得的网格是金属氧化物的沉淀细线，其宽度和深浅主要取决于所选用 的电压和通电时间。一般电压采用10V，通电时间1分钟左右。腐蚀后注意清理，防止-26- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法试样再氧化，且清理过程中，注意保护网格。图2.9 电化学腐蚀装置图Fig2.9 The facilities of electrochemical corrosion (2)以一定的加载方式使坯料产生胀形变形，测出试件破裂或失稳时的应变 ε 1 、ε 2 (长、短轴方向)；试样腐蚀出网格后进行试验，出现局部缩颈或者破裂时，停止试验，测量缩颈 区或破裂区福建的网格圆长轴和短轴尺寸，由此计算金属薄板允许的局部表面极限 主应变量。 本试验采用的是板成形网格应变自动测量分析技术(GMASYSTEM)，原理如图2.10 所示：图2.10 网格圆畸变 Fig2.10 The deformation of the circle （a）拉-压应力状态（b）拉应力状态（c）拉-拉应力状态应用GMASYSTEM测量临界网格圆的长、短轴 d 1 和 d 2 ，计算试样表面极限应变。e1 =d1 ? d 0 × 100% d0d ? d0 e2 = 2 × 100% d0(2.9)-27- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法ε 1 = ln(1 + e1 ) ε 2 = ln(1 + e2 )(3)改变坯料尺寸，重复试验，测得另一状态下的 ε 1 和 ε 2 ；(2.10)本试验根据国标， 一般采用9组试样， 每组试样长度是176mm， 宽度分别为180、 、 160140、120、100、90、80、60、40和20mm的矩形试样。为了防止窄条矩形试样在拉深筋处开裂，允许仿效板料拉伸试验试样将其形状改为中部稍窄、两端稍宽的阶梯形状。图2.11示：a=20,40;ab=60,80; 40 = 15, 20, 30, b = 50, 60, 70, 80 cc=100,120,140,160,180; 170 = 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, c图 2.11 FLD 试样尺寸 Fig2.11 The dimension of tensile specimen(4)取得一定量的数值后，在平面坐标图上描绘出各试验点，然后圆滑连线，做出板的成形极限图。成形极限曲线将整个图形分成如图2.12所示的三部分：安全区、破裂 区及临界区。ba-28- 东北大学硕士学位论文第 2 章 试验材料及方法0.80.6危险区 临界区0.4e2安全区0.20.0 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4e1图 2.12 成形极限图 Fig2.12 the FLD成形极限图是判断和评定板材料成形性的最为简便和直观的方法， 是解决板料成形 性的最为简便和直观的方法，是解决板料冲压问题的一个非常有效的工具。 通过试验做出 DC06 的成形极限图，可以指导板材生产，通过一些方法，提高成形 性能，也可以通过成形极限图指导零件生产，解决现实生产复杂件所遇到的问题。-29- 东北大学硕士学位论文第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究工艺试验也成称模拟试验或直接试验。在工艺试验时，试样所受的应力状态和所产 生的变形都与真实的冲压加工工艺相同， 所以利用工业试验不仅可以评定板材的冲压性 能，而且可以得到某些冲压工艺参数，供制定冲压工艺应用。 本试样包括杯突试样、锥杯试验、凸耳试验和扩孔试验，通过试验测定深冲冷轧板 在成形试验中差异，并通过对压边力、控制载荷、速度、润滑等成形条件的作用，研 究影响规律，可以使模拟试验更具有可比性，并为生产提供工艺参数。3.1 杯突试验金属杯突试验是常用的一种工艺性能试验方法， 其目的是在给定的试验条件下检验 金属板材试样适应拉胀成形的极限能力。 本试样所采用的模具如图 3.1 示， 分为凸模、 凹模和压边圈， 压边圈用来固定试样， 凹模固定在模座上，压边圈对准凸模放在压边垫板上。四种板材均制成方形试样，一般 边长取 90mm，本试样为研究尺寸对杯突值影响，可以根据试验变动而去比较。杯突值 比较容易测定，而且成功率比较高，凸模凹模压边圈图 3.1 杯突试验模具 Fig3.1 The die of Erichsen-30- 东北大学硕士学位论文第 3 章 冷轧深冲板成形试验研究试验前}
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