奥氏体不锈钢冷拉伸变形特性及实验研究

杨少增，陈博洋，葛光凌，徐 生

（浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江宁波 315600）

0 引言

不锈钢是指耐空气、水、弱腐蚀性介质或具有不锈性能的钢种，又被称为不锈耐酸钢。不锈钢作为20 世纪最伟大的发明之一，被广泛地应用于化工生产、军工、海洋设施和耐腐蚀合金产品领域，其中主要的不锈钢制品就是各类日用器皿及宾馆、饭店的不锈钢厨房设备。随着我国工业经济飞速发展，对不锈钢的需求和材料的综合性能要求日趋增大，近些年更是以10%以上的速度逐年递增［1-3］。而不锈钢的技术研究往往只重视大型覆盖件（如汽车覆盖件），忽视了民用小型器皿等金属成型工艺的研究，拉伸技术和设备水平相对落后，生产效率和产品质量有待提高［4-6］。

板材拉伸成形方法是板材冲压加工方法中比较典型且至关重要的加工方法，经过70 多年的发展和创新，该工艺在汽车、飞机、电子等发展领域得到广泛应用［7-9］。20世纪50年代，金属板材冲压成形工艺作为板材的重要成形方法，国内外学者对其研究从未间断。Sinha 等［10］研究了 316 L 奥氏体不锈钢在拉深过程中的微观结构以及微观结构随应变的变化。肖良红等［11］用纳米压痕试验研究了拉深比对304 不锈钢圆筒拉深件筒壁残余应力的影响，结果表明：304不锈钢圆筒拉深件外壁的残余拉应力从筒底到口部先增大后减小，最大残余应力出现在筒壁中部约60%筒壁高度处。黄泽［12］对奥氏体不锈钢试样在常温试样在常温和深冷环境下的拉伸力学性能研究，得到应变强化前后，材料在常温和深冷环境下的工程应力应变曲线，分析了其宏观力学性能的变化。尽管国内外诸多学者对金属板材拉深过程中的结构组织和应变进行大量的深入研究，但是却没有统一的标准来揭示金属板材冲压的变形特性，且对实际加工和生产中缺乏统一的标准。

因此，本文针对不锈钢冷拉伸成形问题，通过不锈钢板材单向拉伸实验得到不同厚度的不锈钢试件参数性能；建立ABAQUS 有限元模型，得到应力-应变曲线，并结合实验得到不锈钢板材拉伸变化特性。

1 不锈钢单向拉伸实验

为探究不锈钢拉伸过程中的变形性能，首先进行不锈钢单向拉伸实验来分析不锈钢的拉伸特性。选取如图1 所示的不锈钢试件，试件厚度选择0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm，分别在拉伸实验机上进行不锈钢单向拉伸实验，可以得到如图2 所示的不锈钢拉伸应力-应变曲线。

从图2中可以看出，不锈钢板材随着拉应力的逐渐增加，在200 MPa 左右时达到屈服强度，开始产生应力变形；随着应力的逐渐增加，变形量逐渐增大；当应力增加到（450～500）MPa时，不锈钢板材达到抗拉强度极限，试件发生断裂；可以看出，不锈钢板材具有良好的抗拉强度和韧性。

图1 试验样本尺寸

图2 不锈钢单向拉伸实验结果

采用0.5 mm 厚度板材进行拉伸时，试件的抗拉强度略低于0.6 mm 和0.8 mm 板材，试件的伸长率同样小于其他两种板材，说明随着试件的厚度的增加，不锈钢板材的抗拉强度随之增加。采用0.6 mm厚度板材进行拉伸时，试件的伸长率要高于其他两种试件，抗拉强度略低于0.8 mm 试件。因此，在进行不锈钢板材多向拉伸时，选用0.6 mm作为板材拉伸的厚度。

2 不锈钢多向拉伸数值模拟

为探究奥氏体不锈钢板材冷拉伸过程中的应力应变情况，进行不锈钢多向拉伸数值模拟，在UG 中建立单向拉伸试件模型，将3D数模包含板材的数模、上模和下模三维模型分别导入Hypermesh操作界面，进行不锈钢拉伸过程仿真。模型中分别建出冲压材料的材料属性，鉴于模具厚度远大于材料，在模型中将模具简化为不可变形的刚体，因此对应的网格类型为R3D3和R3D4；板材的材料为不锈钢材料，抽取中面网格，该网格类型为S3和S4，并对壳单元赋予厚度，模型中钢材的模量为2.1×105MPa，泊松比为0.33；采用ABAQUS Explicit 显示算法，建立曲线，将上模设立参考点，设置向下位移以到达理论位置。模拟结果如图3所示。

图3 不锈钢拉伸仿真结果

从图3可以看出，不锈钢板材在进行多向拉伸成形过程中，成形底部受到的应力应变最大，而压边处几乎无应变产生，在进行深度变形时，不锈钢板材应力应变处于（109～238）MPa 之间，随着拉伸的进行，不锈钢板材变形增大，由上到下的应力应变逐渐增加，而底部变形最大处所产生的温度也越高。温度过高加上应力应变的逐渐增加，底部边缘处容易破裂，所以在拉伸实验过程中需保证底部边缘处的最大应变低于不锈钢材料本身的拉伸率，才能保证不锈钢板材的正常成型。

3 不锈钢拉伸实验

根据ABAQUS 多向拉伸实验得到的不锈钢拉伸变形特性，结合上述板材变形特性，进行不锈钢板材拉伸成型实验。选取304 奥氏体不锈钢作为实验板材，厚度为0.6 mm，通过实验获得不锈钢多向成型拉伸实验，拉伸过程中设计成上下台阶两级分两道工序一次拉伸完成。工序1 首先将毛坯拉伸到原工序的一半高度，再进行工序2拉至全高。这样当进行工序2时，工序1的温度已降到室温，从而充分利用了低热段，达到了降低温度的目的。此改进方案进一步降低拉伸系数，减少模具数量。不锈钢拉伸实验结果如图4所示。

通过图4 实验结果表明，304 奥氏体不锈钢薄板拉伸成型件表面光滑，成型效果良好，底边和侧边壁厚均匀，表面无凹凸、破裂等现象。薄板底面由于变形所受拉应力小，变形量较小，其成型结果与原板材几乎无差别；薄板侧面由于受拉应力向下变形的影响，在侧面可以看出有竖直向下的条纹，但是从结果来看，侧面壁厚相对均匀，表面光滑程度较高；底面与侧边交界处是板材拉伸变形所受应力最大处，在此处的板材变形量也是最大的，底部边缘处无破裂和起皱现象，成型效果良好。因此，采用ABAQUS 数值模拟奥氏体不锈钢薄板的拉伸成型过程是可行的，模拟结果与实验结果相吻合，说明采用仿真模拟对不锈钢拉伸过程具有良好的指导意义。

图4 实验结果

4 结语

通过ABAQUS 对奥氏体不锈钢冷拉伸变形过程进行仿真，结合不锈钢成型工艺进行模具设计并结合实验结果可以得到如下结论：

（1）不锈钢拉伸过程中，采用0.5 mm厚度的板材其抗拉强度和板材伸长率低于0.6 mm和0.8 mm厚度试件。随着厚度的增加，板材的抗拉轻度和伸长率随之增加。

（2）不锈钢冷拉伸过程中，随着形变的增加，底部应力最大为238 MPa，底部边缘处变形最大。