预变形对AHSS及UHSS高强钢边缘开裂的影响研究

鲍 立，郑德兵，余欢庆

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

0 引言

21世纪，汽车设计和制造过程需关注能源枯竭和逐日恶化的环境危机，同时还需提升汽车安全性和驾驶体验[1]，这使汽车车身设计的重心放在车身轻量化和提升汽车防撞性能上[2]。

先进高强钢（advanced high strength steel,AHSS）和 超 高 强 钢（ultra-high strength steel,UHSS）是近年汽车企业广泛应用的轻量化钢材，经过热加工处理，这类钢材的相变得到强化，达到了超高强度（500～1 600 MPa），加工硬化指数更高，兼具了较高的疲劳强度和碰撞吸收性能以及良好的塑形性能，可以同时满足汽车减轻质量和提高安全性的要求[3-6]。在抗碰撞性能、成形加工和成本方面，相比其他材料具有明显优势[7]。

1 边缘开裂研究现状

目前行业内通常结合型面减薄率和FLD曲线评判前期CAE冲压成形仿真分析结果，经常出现AHSS及UHSS高强钢零件仿真过程和结果均合格，但量产制造阶段却产生边缘开裂的问题，如图1所示，导致后期需要调整工艺、返修模具，甚至重新制造模具，造成了人力、物力、财力资源的损耗。

分析其原因，AHSS和UHSS高强钢与传统低碳钢和高强钢的微观组织不同，由于更高的强度和不同的金相组织，其边缘开裂和剪切断裂极限值低于传统钢板[8]，导致AHSS和UHSS高强钢零件边缘成形时产生开裂，而未达到成形极限。

AHSS和UHSS高强钢零件拉深后发生了加工硬化，塑性性能下降，而且后序修边工序剪切废料时将不可避免地产生毛刺，造成板料边缘产生应力集中。而现有CAE成形分析无法模拟实际零件成形后的边缘加工硬化和切边毛刺状态，无法通过型面减薄率和FLD曲线预测边缘开裂状态。

现采用预变形拉伸和扩孔试验来研究钢板边缘拉伸性能，预变形拉伸是模拟量产零件拉伸后的板料状态，扩孔试验是测量扩孔率来评估扩孔性能。模拟量产零件翻孔边缘及冲压性能，板料扩孔率越大，材料边缘的拉伸性能越好，抵抗开裂的能力也越强[9,10]。

AutoForm分析软件以最大边缘应变判断高强钢的边缘开裂状态，因此需要通过实际的材料试验，充分考虑预拉伸及毛刺状态，测定材料的边缘最大应变值，建立AHSS和UHSS最大边缘应变数据库，实现前期精准模拟高强钢边缘开裂。最大边缘应变与扩孔率的关系如式（1）所示。

其中，MaxEdgeStrain为最大边缘应变；HER%为扩孔率。

2 扩孔试验

2.1 扩孔试验原材料及料片准备方案

试验共选择3种材料，分别为冷轧高强钢DP600、DP800（AHSS）和 DP1000（UHSS），每种材料选择 6种料厚，分别为 0.8、1.0、1.2、1.4、1.5、1.6 mm，共18种组合。拉伸试验机夹头对拉伸材料尺寸的基本要求为：板料长度方向尺寸≥300 mm，同时由于各轧制钢板初始尺寸的限制，考虑最优化排样，最终确定的拉伸试样尺寸为400 mm×40 mm。为了研究不同孔径对边缘开裂的影响，每张料片冲制ϕ6 mm和ϕ10 mm的圆孔，如图2所示。确定初始的预变形量分别为3%、6%和9%，将切割完成的料片，在拉伸试验机上进行拉伸。

2.2 扩孔试验料片预拉伸方案

材料拉伸会产生加工硬化，导致塑性降低，拉伸后的材料边缘在成形过程中未达到FLD成形极限就已经开裂。因此，在扩孔试验前先对料片进行预拉伸变形，产生加工硬化，模拟实际量产零件拉伸后的板料状态如图3所示。

图1 CAE分析与实物制件状态差异

图2 料片尺寸及实物

图3 DP590/1.6 mm料片9%预拉伸

2.3 扩孔试验设备及方案

对完成冲孔的试验料片进行扩孔，扩孔试验按照ISO-TS16630试验标准，针对ϕ6 mm和ϕ10 mm的圆孔，采用圆锥形凸模扩孔，凸模锥角为60°，如图4所示。试验时将试验料片圆孔的毛刺朝向凹模孔，使冲孔方向和扩孔方向一致。对试样施加足够压边力，保证试验过程中试验料片在夹紧区域不发生板料流动。若夹紧区域发生板料流动，则试验无效，重新进行扩孔试验。

施加压力使扩孔凸模垂直插入试样的孔中，为了能在第一道贯穿料厚方向的裂纹出现时及时终止扩孔试验，扩孔凸模的行进速率应小于1 mm/s。当第一道贯穿料厚方向的裂纹出现时，立即降低扩孔凸模的行进速率。当出现穿透试样厚度的裂纹时，立即停止扩孔凸模的运动，打开模具取出试样，如图5所示。

为了保证数据准确性，针对每种预变形量的试验料片，采取5组重复试验，选择3个角度差别较大的方向测量开裂后的圆孔直径，所得的结果取平均值并记录，代入公式（2），计算最终的扩孔率。

图4 扩孔试验

图5 扩孔试样

3 数据分析

统计所有有效扩孔试验数据，将记录完成的扩孔数据进行分析（见图6），得出如下结论。

（1）随料厚增加，材料扩孔率增大，板料边缘拉伸性能越好，DP600扩孔率随料厚增加趋势最大，DP800次之，DP1000最缓。扩孔率随料厚增加的趋势随材料强度等级增加而变缓。板料料厚增加，边缘开裂趋势降低，板料强度等级提升，边缘开裂风险增加。

（2）相同强度的材料，经过预变形处理后，相比无预拉伸试样，预变形量越大，扩孔率越低，即材料边缘受预变形影响后拉伸性能下降；对于DP600，3%～9%的预变形量可使扩孔率下降3%～5%；对于DP800，3%～9%的预变形量可使扩孔率下降5%～8%；对于DP1000，3%～9%的预变形量可使扩孔率下降6%～12%。

（3）同样的预变形量，材料强度等级越强，扩孔率越低，边缘拉伸性能越差，DP800相对DP600扩孔率下降约30%，DP1000相对DP600扩孔率下降约60%，DP1000相对DP800扩孔率下降约40%。

图6 扩孔数据分析

（4）3%、6%、9%的预变形之间差异较小，即相同强度、厚度的材料，不同的预变形量，扩孔率差异较小，即经过预变形量后，相同厚度材料的扩孔率变化趋于稳定，边缘拉伸性能趋于一致。

4 结束语

传统型面减薄率和FLD曲线标准不适用于判断AHSS和UHSS高强钢边缘开裂的情况，而通过不同预变形料片的扩孔试验研究，测得常用AHSS和UHSS高强钢不同料厚的扩孔率，总结了不同料厚、不同材料边缘拉伸性能的变化趋势。边缘拉伸性能随料厚增加而变大，随预变形量增加而降低，而不同预变形量的边缘拉伸性能差异较小，为后续AHSS和UHSS边缘开裂的进一步研究奠定了基础。同时，可以根据试验获得扩孔率数据在Auto-Form软件建立最大边缘应变数据库，通过前期CAE成形分析预测AHSS和UHSS高强钢零件边缘开裂状态。