車用板材概述

1、車用板材Part one常用車用板材概述汽車用鋼板從生產(chǎn)工藝特點劃分為熱軋鋼板、冷軋鋼板和涂鍍層鋼板；從強度角度可劃分為：普通鋼板（軟鋼板）、低合金高強度鋼板（HSLA）、普通高強度鋼板（高強度IF鋼、BH鋼、含磷鋼和IS鋼等）和先進高強度鋼板（AHSS）等。在以強度劃分的鋼板中，前兩類鋼種目前國內(nèi)外應(yīng)用均已趨于成熟；第三類鋼種在國際上已批量商業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)也處于研制、試用（IS鋼）和推廣應(yīng)用階段；第四類鋼種在國際上處于研制趨于成熟和推廣應(yīng)用階段，國內(nèi)處于研制起步階段。本文介紹了按工藝生產(chǎn)分類的熱軋鋼板，冷軋鋼板和熱涂成鋼板。重點介紹了熱軋鋼板。一、熱扎鋼板生產(chǎn)，分類、牌號以及其特性汽車用 熱

2、軋鋼板主要用在載貨用商用車上，占全部消耗量的85 左右， 其中以中、輕型載貨商用車的消耗量最大、占 50 左右 。 中輕型 商用車、微型車和轎車占熱板消耗量的 65 左右，是汽車熱軋板消耗的主要車種，且對熱板的質(zhì)量要求也較其他車種高 。 轎車的消耗量雖較小 ， 但對熱軋鋼板的質(zhì)量要求較高 。汽車熱軋板的應(yīng)用比例19%。 按零件應(yīng)用及 用途 ： 可分為梁用鋼板 、 車輪鋼板 、 橋殼鋼板 、 傳動軸管用鋼板 、 彈簧鋼板 、 不銹鋼板 、 耐磨鋼板等 。 按 表面供貨狀態(tài) ： 可分為普通熱軋鋼板 、 熱軋酸洗鋼板 、 黑皮鋼板及花紋鋼板等 。（1）汽車熱軋板主要分類 按成分 、 組織 、 工藝等

3、 冶金特征 ： 可分為碳素鋼板 （ 普通碳素鋼板 、優(yōu)質(zhì)碳素鋼板 ）、 低合金高強度鋼板 、 雙相鋼板 、TRIP 鋼板 、TWIP 鋼板 、 貝氏體鋼板 、 馬氏體鋼板 、 硅鋼板等等 。（2）汽車熱軋鋼板相關(guān)檢驗及評價 缺口敏感系數(shù)：為比較各種材料對缺口敏感的程度，常進行缺口靜拉伸試驗 。缺口強度比 NSR=RmN/Rm ，NSR<1，對缺口敏感NSR> 1 缺口使材料的屈服強度或抗拉強度升，但塑性降低，“ 缺口強化”。 動態(tài)疲勞性能：鋼板的中值疲勞強度及p-S-N 曲線必須滿足要求，尤其是中值疲勞強度 。 影響鋼板疲勞性能的因素很多，通常有鋼質(zhì)純凈度、雜質(zhì)數(shù)量及形態(tài)、成分及組

4、織均勻程度、表面質(zhì)量、晶 粒大小等 。 成形性能：熱軋鋼板通常成形難度遠小于冷軋鋼板，成形性能一般通過屈強比、延伸率(主要考慮最大力均勻塑性延伸率Ag ，即均勻塑性延伸率)冷 彎性能體現(xiàn)，對于高強塑積先進高強鋼板，n值、r值也需考慮，如熱軋奧氏體不銹鋼 、TWIP 鋼 、中/ 高Mn 第三代汽車鋼等 。 厚度 、寬度等尺寸規(guī)格符合常規(guī)，便于采購 。性價比高 。汽車熱軋板選材需注意的幾個方面，牌號精簡及統(tǒng)一 。 集中采購-大趨勢 。汽車熱軋鋼板介紹（3）碳素鋼板 ：主要按冶金特征及零件用途進行鋼板介紹。磷、硫等雜質(zhì)外，不含其他合金元素的鋼 。碳素鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬

5、度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類相比，碳素鋼使用最早，成本低，性能范圍寬 ，用量最大。普通碳素鋼板 ： 對含碳量 、性能范圍以及磷、硫和其他殘余元素含量的限制較寬。每個鋼板牌號按質(zhì)量可分為A、B、C、D不同的等級 ，最少一種， 最多四種。代表牌號：Q235/SS400，常用于強度級別不高的汽車結(jié)構(gòu)件及成形要求不高的沖壓件 。優(yōu)質(zhì)碳素鋼板：和普通碳素鋼板相比 ，硫、磷及非金屬夾雜物含量較低 。根據(jù)含碳量不同，又分為：低碳鋼板 ：碳含量 小 于0、25% ， 代表牌號 08- - 08Al(SPHC-SPHD-SPHE-SPHF)10、20 鋼等 ，具有很好的深沖性和焊接性 ， 廣泛用于

6、沖壓件及結(jié)構(gòu)件 。典型金相組織分別為 ： 鐵素體+ 三次滲碳體 ， 鐵素體+少量珠光體 。中碳鋼板 ： 碳含量0.25 0.50%， 代表牌號 35、45鋼等，多用于汽車結(jié)構(gòu)件，典型金相組織為鐵素體+珠光體 。（4）低合金高強度鋼板：汽車用熱軋低合金高強度鋼板，也稱為FP型低合金高強度鋼板，藉助添加合金元素而使鋼得以強化，主要強化機制有細(xì)晶強化、析出強化、固溶強化等 。代表牌號 ：Q345 、355L 、380L等、常用于強度要求較高的汽車結(jié)構(gòu)件及成形要求不高的沖壓件。（5）微合金化高強度鋼板：目前通常采用低C、化微合金化( 通過添加Nb 、Ti 、V等合金元素)及控軋控冷路線的低合金高強度鋼

7、板和微合金化高強度/ 超高強度鋼板，主要強化機制有細(xì)晶強化，析出強化 、固溶強化等 。代表牌號 ：500L、700L（SSABQStE700MC ）等，目前主要用于強度級別高的汽車梁類零件及結(jié)構(gòu)件 。典型金相組織 ： 鐵素體+析出碳化物+少量珠光體(或少量低碳貝氏體)。（6）雙相鋼板：基體為軟的鐵素體，其上彌散分布硬質(zhì)的島狀馬氏體，兩者分別確定材料的低的屈服強度和高的抗拉強度。代表牌號：DP590( 國內(nèi)已應(yīng)用于汽車車輪)、DP780及DP980( 國內(nèi)正進行應(yīng)用研究) 。特點及應(yīng)用 ：具有低的屈強比 、高的加工硬化指數(shù)、高的烘烤硬化性能、沒有屈服延伸和室溫時效等特點。一般用于需高強度、高的抗

8、碰撞吸收能且成形要求也較嚴(yán)格的汽車零件，如車輪、懸掛系統(tǒng)構(gòu)件及支架/ 支撐板/ 加強板等加強件( 歐美日等已大量應(yīng)用) 。（7）TRIP 鋼板(相變誘導(dǎo)塑性鋼板)：顯微組織為鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，殘余奧氏體含量不低于5% 。成形過程中，殘余奧氏體可相變?yōu)轳R氏體具有較高的加工硬化率、均勻伸長率和抗拉強度。相比同等抗拉強度的雙相鋼，具有更高的延伸率。代表牌號：TRIP590、TRIP780、TRIP980（國內(nèi)正在開發(fā)中）。特點及應(yīng)用：TRIP鋼具有高延伸率的本質(zhì)是應(yīng)變誘發(fā)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 ，TRIP 鋼的起始加工硬化指數(shù)小于 DP鋼，但TRIP鋼的加工硬化指數(shù)在很長應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持較

9、高，特別適合要求具有高脹形性能的情況 。目前國內(nèi)尚無汽車零件應(yīng)用熱軋 TRIP 鋼板的報道，國外已有應(yīng)用 。（8）TWIP 鋼板( 孿晶誘導(dǎo)塑性鋼板)：塑性變形的主要機制是位錯滑移，產(chǎn)生大量孿晶，從而導(dǎo)致TWIP鋼非常強的加工硬化能力和非常大的延伸率。這種性能即使在高應(yīng)變速率下仍然保持著，因此在撞擊等高應(yīng)變過程中，可以保證汽車非常高的安全性。代表牌號：TWIP980 。優(yōu)點：WIP鋼具有高強度、高塑性（強塑積達到60GPa%），碰撞吸能好，形好，減重效果明顯。缺點 ：合金含量高，煉鋼、連鑄困難，軋制變形抗力大， 性能差，本較高，工業(yè)化困難，應(yīng)用受限 。（9）貝氏體鋼板( 高擴孔鋼板)：軋貝氏體

10、鋼有鐵素體+貝氏體雙相鋼和貝氏體鋼，主要添加元素為Si 、Mn 、Nb 、 Cr 等 ， 顯微組織為鐵素體+貝氏體或單相貝氏體 。特點及應(yīng)用： 拉強度較高、凸緣翻邊成形性優(yōu)良，適合沖壓汽車支撐部件類 要求厚度較大、尤其是翻邊性能良好的部件，如懸架擺臂、輪輻等 。（10）熱軋馬氏體鋼板(耐磨鋼板)：顯微組織主要為馬氏體組織，硬度一般在360HBW以上，是目前商業(yè)化高強度鋼板中強度級別最高的鋼板。軋馬氏體鋼板目前主要用于有耐磨要求的汽車零件。馬氏體鋼板金相組織代表牌號：1) 瑞典SSAB公司的Domex We系列鋼板及HarDOX 系列鋼板 。2)寶鋼耐磨鋼板360A 等。特點及應(yīng)用：強度、硬度高

11、，耐磨性好。常用于自卸車車箱底板、邊板或襯板等有耐磨要求的零部件 。二、冷軋鋼板冷軋板是以熱軋卷為原料，在室溫下在再結(jié)晶溫度以下進行軋制而成。冷軋薄鋼板是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼冷軋板的簡稱，也稱冷軋板，俗稱冷板，有時會被誤寫成冷扎板。冷板是由普通碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼帶，經(jīng)過進一步冷軋制成厚度小于4mm的鋼板。由于在常溫下軋制，不產(chǎn)生氧化鐵皮，因此，冷板表面質(zhì)量好，尺寸精度高，再加之退火處理，其機械性能和工藝性能都優(yōu)于熱軋薄鋼板，在許多領(lǐng)域里，特別是家電制造領(lǐng)域，已逐漸用它取代熱軋薄鋼板。盡管汽車產(chǎn)量在高速增長，但中國目前是以中低檔轎車、商務(wù)用車為主。在全球經(jīng)濟危機的影響下，從降低成本考慮，冷軋汽車板在汽車

12、用鋼中仍占有較大比重，主要品種有深沖(IF)鋼系列、加磷高強鋼系列、BH 鋼系列、低合金高強鋼系列等四大類型。（1）深沖 IF鋼系列深沖 IF 鋼由于具有良好的深沖性能和無時效性，廣泛用于生產(chǎn)汽車中的復(fù)雜沖壓件和外覆蓋板，如轎車側(cè)圍板、轎車油底殼、門板、行李箱蓋板等， 一般占轎車用冷軋鋼板總量的 40%60%。 IF鋼的含碳量極低，再通過添加微量的 Ti、Nb 合金元素，形成微量碳氮化合物，避免了間隙固溶原子的存在，沒有時效性。IF 鋼系列冷軋板典型牌號為DC04、DC05、DC06。（2） 加磷高強鋼加磷高強鋼兼具良好的成形性、較高的強度、良好的焊接性及耐腐蝕性等綜合性能，其強度級別主要為

13、340MPa、390MPa、440MPa，用于中高檔轎車的外覆件、沖壓件、結(jié)構(gòu)件等，一般占轎車用冷軋鋼板總量的 10%40%。其機理是在低碳或 IF 鋼機體中加入適量的 P，通過固溶強化而提高材料性能。典型牌號為 B170P、B210P、B250P、B220P2等。（3）BH鋼BH鋼板是為了克服高強度鋼板屈服應(yīng)力高、沖壓成形性差的缺點而開發(fā)的一種汽車用鋼板，具有良好的成形性與抗凹陷性能，主要用于中高檔汽車外覆件和一些變形量較大的結(jié)構(gòu)件，如轎車發(fā)動機蓋、頂蓋等。其機理是含有間隙固溶原子碳、氮的鋼板經(jīng)過預(yù)變形，導(dǎo)致機體內(nèi)位錯密度增加，隨著涂漆烘烤的時效處理，碳、氮間隙原子在位錯處聚集，釘扎位錯，從

14、而使強度提高。典型牌號為 BH340。（4）低合金高強鋼低合金高強鋼具有高的屈強比，有利于提高結(jié)構(gòu)件的安全性，主要用于汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，如車門鉸鏈加強板、車門防撞梁等。其機理是在低碳鋼中添加少量的鈮/或鈦等合金元素，使其與碳、氮等元素形成碳化物、氮化物并在鐵素體機體上析出從而提高鋼的強度，典型牌號為 B340LA 等。三、涂鍍層鋼板在汽車制造過程中，涂鍍層鋼板要經(jīng)過沖壓成型、焊接、表面處理、涂漆、烘烤工序，因此汽車工業(yè)對涂鍍層鋼板有如下性能要求：1）、成型性：基板適合成型的要求，鍍層附著力強、抗剝落、抗粉化；2）、耐蝕性：抗冬季道路撒鹽的腐蝕，抗海洋性氣候大氣腐蝕；3）、涂漆性：磷化和電泳涂漆性

15、能好；4）、焊接性：對電極損傷小、焊接參數(shù)范圍寬；5）、表面質(zhì)量：表面平整、鍍層厚度均勻；6）、公差尺寸：板形平整，公差小。汽車車體使用的各類鍍層板，主要包括熱鍍鋅（熱鍍純鋅GI，合金化熱鍍鋅GA等）鋼板、電鍍鋅（電鍍純鋅、電鍍鋅鎳合金以及合金化電鍍鋅等）鋼板和有機、無機涂鍍層鋼板等。1汽車用涂鍍層鋼板的主要品種涂鍍層鋼板的品種，根據(jù)涂鍍材料加以區(qū)分。涂鍍材料主要有Zn,Al',Sn,Ni等金屬及合金和有機樹脂。由這些材料在金屬基板上構(gòu)成單層或多層鍍層。目前汽車用主要涂鍍層板品種有鍍鋅板、鍍鋁鋼板、鍍鉛鋼板、鍍錫鋼板、鍍鉻鋼板、涂層鋼板。電鍍鋅板是汽車車身應(yīng)用最多的鋼板，這是由于電鍍鋅

16、對基體鋼板的性能和表面影響小。同時，電鍍鋅還可用于單面鍍，鍍鋅量易控制，鍍層較薄，一般為2.5一7 .51cm。目前，電鍍鋅板已部分被熱浸鍍鋅和鋅合金板取代。（1）鍍鋅板簡介 純鋅鍍層板 純鋅鍍層板中熱鍍鋅板和電鍍鋅板是汽車中應(yīng)用最多的鍍層板品種，我國也在大量使用。提高熱鍍鋅板的質(zhì)量，主要是提高鍍層粘附性、涂敷性、鋅層均勻性及深沖性和最終板形。 Zn-Fe合金鍍層板(GA) 主要分為熱鍍鋅板、電鍍Zn-Fe合金板、蒸氣鍍Zn-Fe合金三類。該板的特點為涂漆后的焊接性和耐腐蝕性較純鋅鍍板要好。GA板是由基板在鍍鋅后再進行擴散退火而生產(chǎn)的，鍍層是由擴散退火期間生成的Zn-Fe金屬間化合物組成，所以

17、其焊接性和耐腐蝕性較純鋅鍍層好。GA板生產(chǎn)工藝簡單，只需在連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線上增設(shè)I座擴散退火爐即可。熱浸鍍鋅鋁板 熱浸鍍鋅鋁板中具有代表性的為:Galvalume熱鍍鋅板。其鍍層組織為Zn=A 1合金，表面光滑，具有優(yōu)良的耐大氣腐蝕性，其耐大氣腐蝕性比同樣鍍層厚度的常規(guī)熱鍍鋅板高2一6倍。Galfan熱鍍鋅板。其鍍層組織具有雙相結(jié)構(gòu)特征，故較常規(guī)鍍鋅板腐蝕速度慢且均勻，主要優(yōu)點是變形前后的耐腐蝕性不變。電鍍Zn-Ni合金板該板鍍層較薄，但抗腐蝕能力高，鍍層厚度為30盯襯的電鍍Zn-Ni合金板比其它鍍層較厚的鍍鋅板具有更好的耐蝕性、成形性和焊接性。有機復(fù)合涂層板日本研制出一種新的可低溫處理的有機復(fù)

18、合薄膜(1 ptm)電鍍Zn-Ni合金板。該板基本結(jié)構(gòu)為在電鍍Zn-Ni合金板上涂有兩層保護膜，靠近基板的為鉻酸鹽膜，外面為有機復(fù)合膜。該板具有優(yōu)異的耐腐蝕性、涂敷性、抗粉化性、焊接性和烘烤硬化性。（2）鍍鋁鋼板(aluminium coated sheets)鍍純鋁或含硅510%的鋁合金的鋼板能抗SO2、H2S和NO2等氣體的腐蝕，抗氧化性和熱反射性也很好。多用于制造汽車排氣系統(tǒng)、加熱爐的部件和用作建筑材料等。工業(yè)生產(chǎn)鍍鋁鋼板有熱鍍法和電泳法兩種。 70年代世界上鍍鋁鋼板主要還是用熱鍍法生產(chǎn)，因為此法比較經(jīng)濟。為了提高鍍鋁板的耐蝕性和耐熱性，美國近年研究生產(chǎn)Al-Zn-Si合金鍍層鋼板和Al

19、-Ti合金鍍層鋼板。后者的耐熱性相當(dāng)409型不銹鋼。 鍍鉛-錫合金鋼板(terne coated sheets) 主要是指鍍有含錫520%的鉛-錫合金鍍層的鋼板。這種鋼板具有優(yōu)越的耐蝕性，特別是能抗石油制品的腐蝕，還有深沖成形的潤滑性、可焊性等，廣泛用于制作汽車油箱、電視機底盤等。Part two 板材成形工藝及其評價方法板料的沖壓成形性能 板料對各種沖壓成形加工的適應(yīng)能力稱為板料的沖壓成形性能。具體地說，就是指能否用簡便地工藝方法，高效率地用坯料生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)沖壓件。沖壓成形性能是個綜合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有兩個主要方面：一方面是成形極限，希望盡可能減少成形工序；另一方面是要保證沖

20、壓件質(zhì)量符合設(shè)計要求。下面分別討論。 (一)成形極限 在沖壓成形中，材料的最大變形極限稱為成形極限。對不同的成形工序，成形極限應(yīng)采用不同的極限變形系數(shù)來表示。例如彎曲工序的最小相對彎曲半徑、拉深工序的極限拉深系數(shù)等等。這些極限變形系數(shù)可以在各種沖壓手冊中查到，也可通過實驗求得。 依據(jù)什么來確定極限變形系數(shù)呢？這要看影響成形過程正常進行的因素是哪些。沖壓成形時外力可以直接作用在毛坯的變形區(qū)（例如脹形），也可以通過非變形區(qū)，包括已變形區(qū)（例如拉深）和待變形區(qū)（例如縮口、擴口等），將變形力傳給變形區(qū)。因此，影響成形過程正常進行的因素，可能發(fā)生在變形區(qū)，也可能發(fā)生在非變形區(qū)。歸納起來，大致有下述幾種情

21、況： 1.屬于變形區(qū)的問題伸長類變形一般是因為拉應(yīng)力過大，材料過度變薄，局部失穩(wěn)而產(chǎn)生斷裂，如 脹形、翻孔、擴口 和彎曲外區(qū)等的拉裂。壓縮類變形一般是因為壓應(yīng)力過大，超過了板材的臨界應(yīng)力，使板材喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生起皺，如縮口、 無壓邊圈拉深 等的起皺。2.屬于非變形區(qū)的問題傳力區(qū) 承載能力不夠：非變形區(qū) 作為傳力區(qū)時 ，往往由于變形力超過了該傳力區(qū)的承載能力而使變形過程無法繼續(xù)進行。也分為兩種情況： 1)拉裂或過度變??；例如拉深是利用已變形區(qū)作為拉力的傳力區(qū)，若變形力超過已變形區(qū)的抗拉能力，就會在該區(qū)內(nèi)發(fā)生拉裂或局部嚴(yán)重變薄而使工件報廢。 2)失穩(wěn)或 塑性鐓粗 ： 例如擴口和 縮口工序是利用待變

22、形區(qū)作為壓力的傳力區(qū)，若變形力超過了管坯的承載能力，待變形區(qū)就會因失穩(wěn)而壓屈，或者發(fā)生塑性鐓粗變形 。非傳力區(qū)在內(nèi)應(yīng)力作用下破壞 ：非變形區(qū)不是傳力 區(qū)時，由于變形過程中金屬流動的不均勻性，也可能產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力而使之破壞。根據(jù)發(fā)生問題的部位不同，可分為： 1)待變形區(qū)拉裂或起皺：例如在盒形件的后續(xù)拉深工序中，待變形區(qū)金屬流入變形區(qū)的速度不一致，靠直邊部分流入速度快，角部金屬流入速度慢。在這兩部分金屬的相互影響下，直邊部分容易發(fā)生拉裂，角部則容易沿高度方向壓屈起皺。 2)已變形區(qū)拉裂或起皺：如薄壁件反擠時，若金屬從變形區(qū)流到已變形區(qū)的速度不均勻， 則速度 快的 部位易因受 附加壓應(yīng)力而起皺，速

23、度慢的部位易受附加拉應(yīng)力的作用而開裂。 綜上所述，不論是伸長類還是壓縮類變形，不論問題發(fā)生在變形區(qū)還是非變形區(qū)，其失穩(wěn)形式無非兩種類型： 受拉部位 發(fā)生縮頸斷裂，受壓部位發(fā)生壓屈起皺。為了提高沖壓成形極限，從材料方面來看，就必須提高板材的塑性指標(biāo)和增強抗拉、抗壓的能力。 (二)成形質(zhì)量 沖壓零件不但要求具有所需形狀，還必須保證產(chǎn)品質(zhì)量。沖壓件的質(zhì)量指標(biāo)主要是厚度變薄率、尺寸精度、表面質(zhì)量以及成形后材料的物理力學(xué)性能等。金屬在塑性變形中體積不變。因此，在伸長類變形時，板厚都要變薄，它會直接影響到?jīng)_壓件的強度，故對強度有要求的沖壓件往往要限制其最大變薄率。影響沖壓件尺寸和形狀精度的主要原因是回彈與

24、畸變。由于在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，卸載后會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致尺寸及形狀精度的降低。沖壓件的表面質(zhì)量主要是指成形過程中引起的擦傷。產(chǎn)生擦傷的原因除沖模間隙不合理或不均勻、模具表面粗糙外，往往還由于材料粘附模具所致。例如不銹鋼拉深就很容易有此問題。 1.4.2板料沖壓成形性能試驗 (一)板料沖壓成形性能試驗方法 板料沖壓性能試驗方法通常分為三種類型：力學(xué)試驗、金屬學(xué)試驗（統(tǒng)稱間接試驗）和工藝試驗（直接試驗）。其中常用的力學(xué)試驗有簡單拉伸試驗和雙向拉伸試驗，用以測定板料的力學(xué)性能指標(biāo)；金屬學(xué)試驗用以確定金屬材料的硬度、表面粗糙度、化學(xué)成分、結(jié)晶方位與晶粒度等；工藝試驗也稱模擬試驗，它是用模

25、擬生產(chǎn)實際中的某種沖壓成形工藝的方法測量出相應(yīng)的工藝參數(shù)。例如 Swift的拉深試驗測出極限拉深比 LDR ； T ZP試驗測出對比 拉深力的 T 值； Erichsen 試驗測出 極限脹形深度 Er 值；K.W.I擴孔試驗測出極限擴孔率等。下面僅對板材簡單拉伸實驗進行介紹。 (二)板材拉伸試驗 板材的拉伸試驗也叫做單向拉伸試驗或簡單拉伸試驗。應(yīng)用拉伸試驗方法，可以得到許多評定板材沖壓性能的試驗值，所以應(yīng)用十分普遍。 由于試驗?zāi)康牟煌?，板材沖壓性能評價用的拉伸試驗方法和所得到的試驗值均與為評定材料強度性能的拉伸試驗有所不同。簡單介紹如下 ：圖1.4.1 拉伸實驗試樣試驗設(shè)備：拉力試驗機（機械式

26、或液壓式）。 試驗時，利用測量裝置測量拉伸力P與拉伸行程（試樣伸長值）L，根據(jù)這些數(shù)值作出sd曲線。（圖1.4.2）。試驗可以得到下列力學(xué)性能指標(biāo)：圖1.4.2 拉伸曲線1）屈服極限ss或s0.2；2)強度極限sb；3）屈強比ss/sb； 4）均勻伸長率du ；5）總伸長率d；6）彈性模數(shù)E；7）硬化指數(shù)n；8）厚向異性指數(shù)g 1.4.3 板料力學(xué)性能與沖壓成形性能的關(guān)系 板料力學(xué)性能與板料沖壓性能有密切關(guān)系。一般來說，板料的強度指標(biāo)越高，產(chǎn)生相同變形量所需的力就越大；塑性指標(biāo)越高，成形時所能承受的極限變形量就越大；剛性指標(biāo)越高，成形時抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。對板料沖壓成形性能影響較大的力學(xué)性

27、能指標(biāo)有以下幾項：1)屈服極限ss 屈服極限ss小，材料容易屈服,則變形抗力小，產(chǎn)生相同變形所需變形力就小，并且屈服極限小，當(dāng)壓縮變形時，屈服極限小的材料因易于變形而不易出現(xiàn)起皺，對彎曲變形則回彈小。2)屈強比sssb 屈強比小，說明s值小而b值大，即容易產(chǎn)生塑性變形而不易產(chǎn)生拉裂，也就是說，從產(chǎn)生屈服至拉裂有較大的塑性變形區(qū)間。尤其是對壓縮類變形中的拉深變形而言，具有重大影響，當(dāng)變形抗力小而強度高時，變形區(qū)的材料易于變形不易起皺，傳力區(qū)的材料又有較高強度而不易拉裂，有利于提高拉深變形的變形程度。3)伸長率 拉伸試驗中，試樣拉斷時的伸長率稱總伸長率或簡稱伸長率d。而試樣開始產(chǎn)生局部集中變形（縮

28、頸時）的伸長率稱均勻伸長率du。du表示板料產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板料在伸長類變形中的沖壓成形性能，從實驗中得到驗證，大多數(shù)材料的翻孔變形程度都與均勻伸長率成正比?？梢缘贸鼋Y(jié)論：即伸長率或均勻伸長率是影響翻孔或擴孔成形性能的最主要參數(shù)。4)硬化指數(shù)n 單向拉伸硬化曲線可寫成s=Ken，其中指數(shù)n即為硬化指數(shù)，表示在塑性變形中材的硬化程度。n大時，說明在變形中材料加工硬化嚴(yán)重，真實應(yīng)力增加大。板料拉伸時，整個變形過程是不均勻的，先是產(chǎn)生均勻變形，然后出現(xiàn)集中變形，形成縮頸，最后被拉斷。在拉伸過程中，一方面材料斷面尺寸不斷減小使承載能力降低，另一方面由于加工硬化使變形抗力提高

29、，又提高了材料的承載能力。在變形的初始階段，硬化的作用是主要的，因此材料上某處的承載能力，在變形中得到加強。變形總是遵循阻力最小定律，既“弱區(qū)先變形”的原則，變形總是在的最弱面處進行，這樣變形區(qū)就不斷轉(zhuǎn)移。因而，變形不是集中在某一個局部斷面上進行，在宏觀上就表現(xiàn)為均勻變形，承載能力不斷提高。但是根據(jù)材料的特性，板料的硬化是隨變形程度的增加而逐漸減弱，當(dāng)變形進行到一定時刻，硬化與斷面減小對承載能力的影響，兩者恰好相等，此時最弱斷面的承載能力不再得到提高，于是變形開始集中在這一局部地區(qū)地行，不能轉(zhuǎn)移出去、發(fā)展成為縮頸，直至拉斷?？梢钥闯?，當(dāng)n值大時，材料加工硬化嚴(yán)重，硬化使材料強度的提高得到加強，

30、于是增大了均勻變形的范圍。對伸長類變形如脹形，n值大的材料使變形均勻，變薄減小，厚度分布均勻，表面質(zhì)量好，增大了極限變形程度，零件不易產(chǎn)生裂紋5)厚向異性指數(shù)g 由于板料軋制時出現(xiàn)的纖維組織等因素，板料的塑性會因方向不同而出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱塑性各向異性。厚向異性系數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度應(yīng)變之比,即：g=eb/et (1.4.1)式中 eb、et寬度方向、厚度方向的應(yīng)變。厚向異性指數(shù)表示板料在厚度方向上的變形能力，g 值越大，表示板料越不易在厚度方向上產(chǎn)生變形，即不易出現(xiàn)變薄或增厚,g 值對壓縮類變形的拉深影響較大，當(dāng)g值增大，板料易于在寬度方向變形，可減小起皺的可能性，而板料受拉處

31、厚度不易變薄，又使拉深不易出現(xiàn)裂紋，因此g值大時，有助于提高拉深變形程度。6）板平面各向異性指數(shù)g板料在不同方位上厚向異性指數(shù)不同，造成板平面內(nèi)各向異性。用g表示：g=（g0+g90+2g45）/2 （1.4.2） 式中 g0、 g90、g45縱向試樣、橫向試樣和與軋制方向成45°試樣厚向異性指數(shù)。g越大，表示板平面內(nèi)各向異性越嚴(yán)重，拉深時在零件端部出現(xiàn)不平整的凸耳現(xiàn)象，就是材料的各向異性造成的，它既浪費材料又要增加一道修邊工序。Part three 板材成形模擬方法及軟件(1)模擬的意義薄板、薄板管、薄壁型材等薄壁金屬統(tǒng)稱為板材,廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車機車、電機電器、食品包裝、日

32、用五金、建筑等工業(yè)部門中。把坯料軋擠成飯金材料的生產(chǎn)企業(yè)和把飯金材料加工成飯金制品的加工企業(yè)己成為我國國民經(jīng)濟中的一個十分重要部門。對飯金成型的塑性加工行業(yè)整體而言,目前仍處于以許多簡化和假設(shè)為基礎(chǔ)、以經(jīng)驗和知識為依據(jù)、以“試錯”為基本方法的工藝階段進行計算和設(shè)計,工件的質(zhì)量不高。與傳統(tǒng)的成形工藝相比,現(xiàn)代塑性加工技術(shù)對毛坯與模具設(shè)計以及材料塑性流動控制等方面要求更高,引入以計算機為工具的現(xiàn)代設(shè)計分析手段已成為人們的共識,即板材成形數(shù)值模擬技術(shù)。一方面,用計算機取代某些原來由人工完成的工作,成倍甚至十幾倍、幾十倍地提高效率,并提高水平和質(zhì)量;另一方面,一些人工無法完成的工作,由于有了計算機這種

33、高效能的新工具和相應(yīng)的新技術(shù)而成為可能。板材成形數(shù)值模擬技術(shù)又稱為板材成形過程的計算機輔助工程CAE分析技術(shù),是一種把計算機、數(shù)值方法、力學(xué)、材料與工藝等集于一體的先進技術(shù),能用計算機虛擬出成形過程進行分析,對可能出現(xiàn)的成形缺陷如起皺、破裂和回彈等做出預(yù)測,使問題在工藝和模具設(shè)計階段就得到解決,能有效地縮短調(diào)試周期,降低生產(chǎn)成本。20世紀(jì)80年代以來,CAD和CAE等單元技術(shù)開始運用到塑性成形工藝分析、規(guī)劃與模具設(shè)計上。隨著這些單元技術(shù)的不斷發(fā)展,近年來通過它們的集成形成了基于知識的成形專家系統(tǒng),并且有朝著集成化的塑性加工虛擬制造系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。作為系統(tǒng)必要支撐技術(shù)的計算機數(shù)值模擬技術(shù),早己受

34、到世界各國尤其是發(fā)達國家的高度重視。(2)板材成形數(shù)值模擬方法國內(nèi)外現(xiàn)狀板材成形數(shù)值模擬的核心是有限元法。各國學(xué)者沿著兩個方向?qū)Π宀某尚芜M行了廣泛的研究,板材成形模擬技術(shù)就轟轟烈烈的開展起來了。從理論上講,塑性有限元法可以模擬分析各種塑性成形工藝。但是,塑性有限元法的這種分析能力,除了與計算機硬件和相關(guān)的軟件技術(shù)有關(guān)外,還取決于模擬大變形過程中的若干共性技術(shù)或關(guān)鍵技術(shù),包括幾何模型的建立、單元類型的選擇、網(wǎng)格的劃分與重劃分、邊界條件處理、接觸和摩擦問題等。這些關(guān)鍵技術(shù)對塑性有限元模擬復(fù)雜問題的能力、模擬精度、計算收斂性和可靠性以及通用性起著至關(guān)重要的作用。由于塑性成形理論、材料加工工藝和實驗過

35、程分析等方面的發(fā)展,特別是計算機硬件及相關(guān)軟件技術(shù)的高速發(fā)展,為上述關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了手段和基礎(chǔ)。1982年,奧(s.K.Oh)提出了二維問題任意形狀模具的邊界條件處理方法以及剛塑性有限元法中初始速度場的自動生成算法閉;從20世紀(jì)80年代中期開始,許多學(xué)者如奧·庫普恨Kopp)、監(jiān)凱維奇等,在彈性有限元網(wǎng)格自動劃分技術(shù)基礎(chǔ)上,針對塑性大變形有限元模擬的特點,從二維有限元網(wǎng)格失效判斷到網(wǎng)格重新劃分技術(shù),直至新舊網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換做了大量工作,取得了良好效果。此外,在汽車覆蓋件的成形模擬方面,各國學(xué)者在彈塑性有限元法上也取得了巨大的成就。美國通用汽車公司采用彈塑性薄膜單元有限元程序?qū)囬T窗成

36、形進行了分析。福特汽車公司采用局部三維有限元模型,對汽車門內(nèi)覆蓋件的成形過程進行了模擬計算。日本的Nkamaachi基于彈塑性殼體理論建立的有限元模型對汽車車門和車尾箱底板成形進行了模擬并顯示了成形過程中的起皺現(xiàn)象陽,。在汽車覆蓋件應(yīng)用上進一步拓寬了彈塑性有限元法在金屬塑性成形分析中的應(yīng)用范圍,尤其是在板材成形方面的應(yīng)用。延成形加工中,以描述拉延件形狀的B樣條控制頂點作為設(shè)計變量,采用復(fù)合形優(yōu)化算法進行形狀優(yōu)化s。管延錦、架貽國等人,運用有限無法對板料的漸進彎曲成形過程進行了較為全面的研究,主要分析了漸進彎曲過程中的回彈問題刃。中國科技大學(xué)的邵鵬飛、中國航天工業(yè)總公司的車玫等人對金屬板料拉延二次成形進行了有限元法模擬他們采用動態(tài)顯式計算程序MSC心YTRAN進行了有限元計算,用主從模型定義板材和模具的接觸,摩擦力用庫侖定律計算,利用動力松馳法對成形過程中的回彈進行了計算。模擬結(jié)果和實際零件比較,證明模型合理、算法穩(wěn)定、結(jié)果可靠,具有良好的應(yīng)用價值。在汽車覆蓋件的仿真模擬方面國內(nèi)學(xué)者也做出了巨大的貢獻。吉林工業(yè)大學(xué)汽車覆蓋件成形技術(shù)研究所的柳玉起、胡平、李運興等人提出了基于虛功率增量原理和引入了“使用于彈塑性有限元變形的擬流態(tài)角理論的本構(gòu)模型”,并引入了各向異性屈服函數(shù)和具有微觀物理基礎(chǔ)的Barlat一Lina面內(nèi)的各向異性屈服函數(shù)的屈服準(zhǔn)則。(