TRIP型无碳贝氏体钢板的成形性

　　近年来，随着汽车的防碰撞安全性不断提高，再加上对车身轻量化的要求越来越高，作为其对策之一是广泛使用高强度钢板。但是，钢板的强度越高，延伸性就越低，而且在冲压成形时容易产生裂纹。因此，为降低零部件的加工成形难度，有时不得不将一个零部件分成数个进行加工。另外，从材料方面来看，开发了各种成形性好的高强度钢板。例如，神户制钢公司开发了适合于车身骨架用的延伸性比以往双相钢（下称“DP钢”）高的TRIP型无碳贝氏体980MPa级冷轧钢板（下称“开发钢”）。

　　本文就开发钢的优点和使用小型试验金属模及大型金属模模拟实际零部件加工时的成形性进行介绍。

　　1 开发材质的组织和力学性能

　　1.1 显微组织

　　随着980MPa级高强度钢板应用范围的不断扩大，要求钢板具有更好的加工性。因此，与神户制钢公司原有的重视钢板延伸率的980MPa级DP钢板（下称“980DP钢”）相比，开发钢在保持原有的延伸凸缘性能不变的情况下进一步提高了延伸特性。为提高延伸特性，开发钢含有许多残余奥氏体组织，通过将其形态细化分散，可控制钢板的伸长形状。这是因为提高残余奥氏体的稳定性可以使TRIP效果一直保持至加工时的形变后期。

　　1.2 拉伸特性

　　为掌握开发钢的力学性能，根据JIS 5号标准制作了试样。采用100kN万能精密材料试验机进行了拉伸试验。拉伸速度为10mm/min。作为对比钢，除了使用980DP钢外，还使用了780MPa级DP钢（下称“780DP钢”）。如表1所示，开发钢的延伸特性与780DP钢相同，比980DP钢大幅度提高，具有良好的成形性。另外，开发钢的n值与对比钢相比大幅度提高，还具有良好的应变分散性，因此它有助于抑制冲压成形后板厚度局部减薄的现象，且具有更好的防碰撞性能，可用于制作汽车车身的骨架部件。

　　为确认开发钢具有良好的应变分散性，采用非接触式应变测定机ARGUS对拉伸试样的纵向应变进行了测定。其测定方法是预先在试样上根据相等间隔临摹上光亮图形。当应变达到15%时，从试验机上取下试样，对变形后的光亮图形的位置进行测定和图像处理，由此确认应变分布。根据测定结果可知，与对比钢相比，开发钢并没有出现明显的局部应变集中现象，试样的应变基本均匀分散。根据试样的板厚度减薄率分布，可以确认应变的局部集中现象得到了抑制。

　　2 开发钢的成形性

　　以开发钢为对象，调查了薄钢板4种主要成形方式的成形性，即凸肚成形性、深冲成形性、延伸凸缘成形性和弯曲成形性。供试验用的板厚全部为1.4mm。

　　2.1 凸肚成形性

　　根据极限成形高度对凸肚成形性进行了评价。把极限成形高度作为在加载-行程图中加载急剧减小所发生断裂时的冲头行程。使用980DP钢作为对比钢。使用500kN万能深冲试验机进行试验，结果发现开发钢的成形性比980DP钢的好。有研究指出，凸肚成形性受材料延伸率和n值影响。

　　与拉伸试验一样，为确认在凸肚成形件中也能获得应变分散效果，将开发钢和980DP钢的成形高度都定在17mm，对两种钢的板厚减薄率进行了测定。关于开发钢的板厚减薄率，即使在减薄率最大的顶部周围，减薄率也在30%以下。尽管DP钢的成形高度与开发钢相同，但减薄率却高达35%左右。即使在凸肚试验中也证明了开发钢具有良好的应变分散性。

　　2.2 深冲成形性

　　采用直径50mm的球头冲头进行深冲成形试验。将深冲系数固定在2.0时的极限成形高度作为评价指标。与评价凸肚成形性一样，把极限成形高度作为在加载-行程图中加载急剧减小所发生断裂时的冲头行程。作为对比钢，除了使用980DP钢外，还使用了780DP钢。

　　开发钢是3种钢中成形性最好的钢种。开发钢的总延伸率和n值都最好，因而能获得良好的成形性。它除了能利用所含有的残余奥氏体发挥良好的应变分散性作用外，还能利用冲头压边部的应变致生相变，从而有效提高强度。即，由于开发钢具有良好的应变分散性，即使在最薄处的顶部周围的板厚也比DP钢的厚，而且利用加工硬化作用能大幅度提高强度，因此它能进行更大的凸缘加工。另外，为使加工硬化作用能持续到变形后期，因此与普通的残余奥氏体钢不同，开发钢通过将残余奥氏体按照伸长形状进行细化分散，从而提高成形性。另一方面，关于坯件的凸缘成形阻力，由于残余奥氏体的应变致生相变伴有体积的膨胀，因此在坯件制作时的压缩应力可以抑制相变。而且，由于开发钢的加工硬化所产生的强度上升比DP钢小，因此凸缘成形阻力也会变小，这有助于提高深冲性。

　　2.3 延伸凸缘成形性

　　通过扩孔试验对延伸凸缘成形性进行了评价。试验条件以日本钢铁联盟JFST1001为标准。试验结果可知，开发钢的延伸凸缘成形性与980DP钢基本相同。高强度钢板通常处于延伸率和延伸凸缘性两种性能难以兼得。即，延伸率好的钢板，其延伸凸缘性差；延伸凸缘性好的钢板，其延伸率低。开发钢不仅延伸率比980DP钢好，而且能抑制延伸凸缘性能的下降，这是因为开发钢的组织细化均匀，能够抑制局部裂纹的发生。

　　2.4 弯曲成形性

　　根据冲头角度90°的V型弯曲试验中冲头端部半径R变化时的弯曲部外侧有无发生裂纹的情况对弯曲成形性进行了评价。在V型弯曲试验中，为使轧制方向与弯曲棱线平行，先将试样进行固定，然后压入冲头，直至压力达到19.6kN为止。此时的试验结果示于表2。确认了开发钢的弯曲成形性与980DP钢相当。由于弯曲加工能达到基本无缝弯曲，由此可以认为这种弯曲加工水平完全能满足车身骨架的加工要求。

　　2.5 采用模拟金属模制作汽车前围板成形性的评价

　　开发钢的凸肚成形性、深冲性和弯曲性都比以往的DP钢大幅度提高，延伸凸缘性与980DP钢相同。因此，为确认开发钢的成形性优势，对采用大型金属模模拟实际零部件加工的成形性进行了评价。

　　以前，神户制钢公司采用模拟金属模对开发钢制作的汽车中心支柱成形性进行评价，确认了开发钢的优势。但是，当时的评价不是以零部件整体的成形性来评价，而仅仅是对凸肚成形性和深冲性成形性进行评价，缺乏对延伸凸缘变形要素的评价。因此，此次决定使用模拟金属模对汽车前围板一体化成形加工的整体成形性进行评价，包括对延伸凸缘变形要素的评价。

　　目前批量生产的汽车前围板使用的是440MPa级或590MPa级钢板制作，很少使用980MPa级钢板。为避免冲压成形时发生裂纹，一般是采用分离构造的方法生产该部件。但是，此次是对不采取分离构造办法将零部件一体成形的成形性进行评价。冲压模拟结果发现，该冲压件除了具有高的深冲成形性和高的凸肚成形性所要求的形状外，在防皱压板处还具有高的延伸凸缘成形性所要求的形状。使用980DP钢作为对比钢。板厚都是1.4mm。

　　对防皱力在800kN至2000kN之间有无发生裂纹或皱纹进行了调查。根据表3可知，980DP钢可以在防皱力达到1300kN时而不发生裂纹的情况下进行成形，但冲头上面的接触面部分发生了皱纹。防皱力越高，越能抑制皱纹的发生。表3中的箭头表示有利于抑制皱纹的方向。当防皱力超过1400kN时，在延伸凸缘部分发生了裂纹。而开发钢即使在防皱力达到2000kN进行成形时也没有发生裂纹。因此认为使用开发钢可提高零部件的强度，并能采用一体化成形制作，降低制作成本。另外，利用开发钢具有的良好成形性优势，可以设计出零部件断面深度更深的产品，还可提高产品的防碰撞性能。

　　3 结语

　　与以往的DP钢相比，TRIP型无碳贝氏体980MPa级冷轧钢板具有良好的延伸特性和应变分散性，可用于车身骨架部件的制作。

　　根据采用小型试验金属模的成形性评价可知，开发钢的凸肚成形性、深冲成形性和弯曲成形性都比以往的DP钢大幅度提高，延伸凸缘性也与以往的DP钢基本相同。

　　对采用大型金属模模拟实际汽车中心支柱或汽车前围板加工的开发钢的成形性进行了评价，结果表明开发钢的成形性比以往的DP钢大幅度提高。本开发钢可采用一体化制作方法制作难成形的零部件，由此可降低制作成本，提高零部件的设计自由度，从而为提高车身的防碰撞性能作出贡献。

表1  供试验用材的机械特性

表2  弯曲特性

○：好；△：微裂纹

表3  冲压结果

○：好；×：断裂

信息来源：《世界金属导报》