第三代高强钢在汽车应用中冲压特性及回弹研究

李双一, 赵磊，王光,李卫红, 任晓辉

(1.长城汽车股份有限公司哈弗新技术中心，河北保定 071000； 2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)



第三代高强钢在汽车应用中冲压特性及回弹研究

李双一1，2, 赵磊1，2，王光1，2,李卫红1，2, 任晓辉1，2

(1.长城汽车股份有限公司哈弗新技术中心，河北保定 071000； 2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

随着汽车轻量化趋势的发展，高强钢应用已成为汽车轻量化的最佳手段。论述了第三代高强钢中的淬火延性钢在汽车上的应用，将淬火延性钢的冲压特性及回弹特性与同级别的第一代高强钢进行了对比试验及分析，并选择典型车身零部件进行仿真模拟分析。结果表明：淬火延性钢适合形状相对复杂、强度要求高的安全结构件生产，但回弹较大。通过减少圆角半径可有效控制回弹量，从而实施减薄减重，满足车身轻量化效果。

第三代高强钢；轻量化；冲压特性；回弹；仿真分析

0 引言

随着我国环境法规逐步向发达国家看齐及新能源汽车的快速发展，汽车轻量化的研发已经成为汽车企业发展的重中之重。实践表明：轻量化最直接、最有效、最经济的方法就是提高汽车高强钢的应用比例，通过薄壁化和优化零件结构的方式实现轻量化[1]。但是随着高强钢应用量的增加，随之带来的问题也显著增加，其中材料的延展性降低、回弹增加，对汽车生产中的冲压工序带来不利影响。因此第三代高强钢以强度高、吸能性强、塑性适中、冶金稳定、价格适中等显著优势，得到了业内的广泛关注。

第三代高强钢中的淬火延性钢(Quenching and Partitioning Martensite,QP钢)是近年来兴起的高强度、高塑性汽车用材料。QP工艺是基于碳在马氏体/奥氏体混合组织中扩散规律的一种全新认识。工艺特点为钢在奥氏体化后在马氏体转变开始

温度与终了温度之间的某一温度进行等温淬火，得到马氏体与一定数量的奥氏体组织(5%～15%)。为保证奥氏体在室温下的稳定性，随后在高于Ms的一定温度进行碳的再分配处理，即板条马氏体发生回复转变，将其中的高碳转移到与其接壤的奥氏体中并冷却至室温，形成了一种以马氏体为基础相，组织为马氏体、铁素体和残余奥氏体的材料。QP钢利用残余奥氏体在变形过程中的TRIP效应[2]，可以实现较高的加工硬化能力，因此可以满足外形相对复杂、强度要求相对高的冲压件，即实现白车身安全结构件超高强钢的冷冲压工艺。

1 试验材料与试验内容

文中就淬火延性钢中的典型材料QP980的冲压特性与回弹特性进行相关研究，试验材料为宝钢生产，试验类别、项目及试验内容如表1所示。

表1 QP980试验类别、项目与内容

2 试验结果

2.1 冲压特性试验结果

2.1.1 成形极限图

成形极限图(FLD)是判断和评定钢板成形性的最为简便和直观的方法。此次试验选择QP980进行成形极限图(FLD)的绘制，并选择同厚度的第一代高强钢DP780、DP980进行成形极限对比。

试验标准：GB/T 24171.2-2009 《金属材料 薄板和薄带 成形极限曲线的测定》。

试验方法：采用边长2.5 mm的方网格，用杯突试验机对颈缩前一时刻对应图像进行应变计算，选取主应变最大点作为试样极限应变点。

获取的成形极限图用试验料片如图1所示，3种材料的成形极限图如图2所示，试验结果表明QP980比DP980具有更高的成形极限；QP980的平面应变状态点FLD0为 18%，与DP780等同，高于同强度级别的DP980[3]。

图1 获取成形极限图用试验料片

图2 成形极限图

2.1.2 扩孔试验

极限扩孔率λ是衡量高强钢剪切边的拉伸(扩孔、翻边)极限的重要指标[4]。试验采用锥形冲口的试验方法。由于超高强钢材料呈现明显的脆性，试验时若采用力控制法，裂纹易扩展造成试验结果异常偏大，因此保障高强钢扩孔性能精度是关键。进行超高强钢扩孔试验时，采用数字式摄像头对试验过程进行实时控制，当出现目视微小裂纹时即立即停止，极大地保障了扩孔率的试验精度。

试验标准：GB/T 15825.4-2008 《金属薄板成形性能与试验方法 第4部分：扩孔试验》

试验模具尺寸：扩孔凹模内径Dd=50.9 mm，扩孔凹模圆角半径rd=4.5 mm，扩孔凸模直径dp=40 mm，头部锥角60°。试样尺寸为150 mm×150 mm，事先冲压dpp=10 mm的孔，冲孔过程如图3所示。

图3 试样冲孔过程示意图

试验采用厚度相同(2.0 mm)的QP980与DP980进行对比试验，压边力Fc=100 kN，锥头凸模速度0.2 mm/s。实验过程如图4所示，试样的极限扩孔率λ试验结果如表2所示。

图4 试样扩孔过程示意图

钢种试验值/%平均值/%QP980-2．0mm38．038．032．036．036．0DP980-2．0mm33．531．531．032．032．0

由极限扩孔率试验结果可见：QP980的扩孔性能优于第一代高强钢DP980；极限扩孔率λ高于DP980约4%。可见QP980的剪切边拉伸(扩孔、翻边)极限能力要高于DP980。

2.1.3 加工硬化性能

QP钢中残余奥氏体的存在，在应力松弛状态下会诱发高塑性，并在应力作用下会发生马氏体相变，发生TRIP效应。那么QP钢的加工硬化效果由于残余奥氏体的相变会呈现出与其他钢种不同的特性吗？

试验采用INSTRON拉伸试验机进行准静态拉伸试验，试样标距50 mm，应变速率0.01 s-1，计算在0～0.15的应变范围内所对应的n值，获得瞬时应变硬化规律。试验结果如图5所示。

图5 n值变化曲线

结果显示：QP980的n值随应变量呈现先增大后减少的趋势。原因是钢中的残余奥氏体在应变开始阶段发生马氏体相变，使n值上升；随着钢中残余奥氏体数量的减少，发生相变所转化的马氏体减少，n值则不再上升而呈下降趋势。另外QP980在较高的应变范围内仍保持较高的n值，即保持高的均匀应变，抑制局部颈缩，因此QP980具有高涨形成形方式。

2.2 弯曲回弹试验与分析

为考察板料的弯曲对回弹的影响[8]，进行弯曲回弹试验。试验条件：压边力F=50 kN；凸模行程：50 mm；凸模速率：200 mm/min。试验设备如图6所示，试样尺寸采用形状为300 mm×50 mm的矩形试样料片进行弯曲回弹试验,轧制方向垂直于长边。

利用3D数字化回弹测量设备进行测量，设备实物如图7所示。其工作原理为：通过3D CaMega微型光学三维扫描仪，对零件扫描产生点云数据；通过 “三维数据处理软件”，生成扫描型面的3D模型，与导入软件的原始3D模型对齐、对比；通过 “回弹测量软件”生成回弹量对比结果。测量软件的模型匹配图如图8所示。

图6 弯曲回弹试验模具实物图

图7 回弹测量设备实物图

图8 模型与云图匹配结果

弯曲回弹评价参数的测量方法如图9所示。Δθ1=θ1-90°，θ1为侧壁角，Δθ1为侧壁回弹角，表征了凸模圆角处的回弹；Δθ2=90°-θ2，θ2为法兰角，Δθ2为法兰回弹角，表征了凹模圆角处的回弹；ρ为侧壁曲率半径，用曲率1/ρ表征侧壁卷曲程度。

图9 弯曲回弹评价参数示意图

为方便试验对比，选取同为980 MPa级别的第一代高强钢DP980与QP980进行对比，其中两种材料的板料厚度为1.2与1.6 mm两种规格。

试验用凹模圆角半径R分别为2、2.5 mm，共两套模具。模具设置拉延筋，试验结果如图10—13所示。

图10 凹模圆角半径为2 mm时的回弹角

图11 凹模圆角半径为2 mm时的曲率

图12 凹模圆角半径为2.5 mm时的回弹角

图13 凹模圆角半径为2.5 mm时的曲率

2.3 仿真分析与优化

选择某车型的A柱下板加强板进行仿真分析，应用软件：AutoForm R5.1，目前厚度为1.4 mm的HC340/590DP材料，现采用厚度1.2 mm的HC600/980QP材料进行可成形性分析。仿真结果如图14、图15所示。

图14 A柱下加强板用QP980成形仿真分析结果

图15 A柱下加强板用QP980回弹仿真分析结果

仿真结果显示该零件可安全成形，但零件成形后侧壁及法兰回弹量较大，如图15(a)所示。根据文中回弹分析，将回弹处圆角(凹模圆角半径)减少15%后再次进行仿真分析，则仿真后结果符合产品尺寸公差要求，回弹量如图15(b)所示。

通过以上仿真模拟分析可得出以下结论：

(1)该零件换用1.2 mm HC600/980QP后，零件可安全成形；

(2)替换QP980后材料回弹较大，测得最大法向自由回弹为7.254 mm。减少回弹处产品圆角(凹模圆角)半径约15%后重新进行仿真分析，测得最大法向自由回弹减小至3.232 mm。有效改良了该零件的回弹程度，回弹量在可接受范围内。

3 结论

冲压特性：

(1)QP980具有较高的成形极限，平面应变状态点FLD0与DP780等同，高于同级别的DP980，所以QP980的拉延成形性能优于DP980。

(2)QP980的扩孔性能优于同级别的DP980，极限扩孔率λ高于同级别的DP980约4%，所以QP980剪切边的拉伸(扩孔、翻边)能力要高于DP980。

(3)QP980中含有残余奥氏体发生了TRIP效应，使加工硬化指数n发生了先升后降的现象。且QP980在较高的应变量状态下仍然能保持较高的n值，即可以保持高的均匀应变，抑制局部颈缩，所以QP980具有高涨形成形方式的特性。

弯曲回弹分析：

(1)在凹模圆角半径为2 mm的条件下，QP980(或DP980)随材料厚度的增大，其弯曲回弹的3个表征量Δθ1、Δθ2和曲率1/ρ均随之减小，即回弹量减少；

(2)对同为1.2 mm的QP980与DP980，QP钢的弯曲回弹量大于DP钢，QP钢的弯曲回弹的3个表征量Δθ1、Δθ2、1/ρ均比DP钢高。但厚度同为1.6 mm的QP980与DP980，QP钢的侧壁回弹角Δθ1大于DP钢，法兰回弹角Δθ2与曲率1/ρ呈相反趋势而小于DP钢；

(3)在凹模圆角半径增大至2.5 mm后，弯曲回弹的3个表征量的值均有一定程度的上升，表明随着凹模圆角半径的增加，回弹量增加。

仿真分析与优化：

根据以上零部件的仿真分析，QP980的仿真成形无开裂、起皱风险，可安全成形，但存在回弹较大的问题。参照文中回弹分析的结论，对零件圆角(凹模圆角半径)进行减小。分析结果表明：若将产品圆角(凹模圆角半径)减小约15%，可有效控制回弹，回弹量在可接受范围内。

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Research on Stamping Characteristic and Springback of the Third Generation High Strength Steel

LI Shuangyi1，2, ZHAO Lei1，2, WANG Guang1，2, LI Weihong1，2, REN Xiaohui1，2

(1.New Technology Center of HAVAL,Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

With the development currency of automotive light-weight, application of HSS has been the best mean to achieve light-weight. The application of quenched & partition steel (short for QP)belonging to the third generation HSS was discussed. Compared with the first generation steel, their stamping and springback characteristics were contrasted through test. The typical auto part was selected to do simulation analysis. The result shows: for the complex shape and high strength structure part, the QP steel can fully fulfill the requirements but the springback is a bit larger. By reducing the radius, the springback value can be decreased effectively. So the part can become thinner and the weight reducing can be achieved.

The third generation high strength steel；Lightweight; Stamping characteristic; Springback; Simulation analysis

2016-08-09

李双一(1989—)，男，工学学士，助理工程师，主要研究方向为汽车轻量化材料研究。E-mail：572576564@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.005

TG142.1

A

1674-1986(2016)11-021-05