CN101598720A

CN101598720A - 一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法

Info

Publication number: CN101598720A
Application number: CNA2009100122563A
Authority: CN
Inventors: 丁桦; 唐正友
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2009-12-09

Abstract

一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法，涉及成形极限图的建立方法，按以下步骤进行：(1)将TRIP钢板制备成板料成形实验试样；(2)将试样清洗，印制网格；(3)启动成形试验设备对试样进行冲压至产生颈缩或者开裂时，停止实验；(4)对临界区域拍摄；(5)测量临界网格圆的长轴直径和短轴直径，计算工程主应变和工程次应变，建立应变坐标系，建立该TRIP钢板的成形极限图。本发明的实验方法采用标准实验装置，能够对TRIP钢板的成形极限、在成形过程中发生破坏的位置和成形性能进行判断。

Description

一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法

技术领域

本发明涉及钢板成形极限图的建立方法，特别涉及一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法。

背景技术

TRIP(Transformation Induced Plasticity)钢又称相变诱发塑性钢，是近几年发展起来的一种高强度高塑性钢。用作汽车钢板可以减轻车重，降低油耗，同时有较强的能量吸收能力，能够抵御撞击时的塑性变形，显著提高汽车的安全等级，具有明显的优越性。板料成形是金属成形的一个重要组成部分，它在航空航天、汽车、轻工及家电等制造业中有着非常广泛的应用。在采用板料成形方法进行加工时，材料的破坏形式主要有两种，即拉应力为主导(缩颈直至断裂)时的拉伸失稳和压应力为主导(起皱)时的压缩失稳。对于后者，可以通过采用诸如加大压边力和增设拉延筋的方法来消除或减轻，但是这些措施却使前一种破坏形式(拉伸失稳)出现的危险性增加。在板料成形过程中，人们迫切需要知道板料能够承受的成形极限及在成形过程中发生破坏的时间和位置，以便采取措施加以避免。板料成形中的基本实验只能对板料的成形性能做出定性综合的一般评价，模拟实验又只能对少数典型工序，在较为单纯的条件下进行，故所得结果很难对复杂零件的成形性能做出确切的判断，也不能很好地处理生产中遇到的具体问题。而成形极限图(forming limit diagram，FLD)的出现为人们研究板料成形极限以及评价板料成形性能提供了基础，是解决板料冲压问题的一个有效的工具，能成功预测板料失效，有效评价其成形性能。但现有实验方法很难对TRIP钢板能够承受的成形极限、在成形过程中发生破坏的位置和成形性能进行判断。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法，通过标准试验装置、制备不同尺寸试件和改变润滑条件来建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法，达到能成功预测相变诱发塑性钢板料失效，有效评价其成形性能。

本发明的实验方法按以下步骤进行：

1、将相变诱发塑性钢板制备成板料成形实验试样。试样分为宽条试样和窄条试样，宽条试样为矩形，窄条试样的中部宽度小于两端宽度成哑铃形状。

2、用有机溶剂将试样表面清洗干净，采用电腐蚀法在试样单面印制网格，网格形式为等直径的相切圆。

3、采用半球形凸模胀形法，通过成形试验设备对试样进行实验，将试样放在凸模上，试样和凸模之间放置润滑物质，然后将试样和凸模放在成形试验设备的冲头上，试样的网格面背向冲头，利用成形试验设备产生的压边力压紧试样材料的边部，试样中部通过凸模作用力产生胀形变形，其表面上的网格圆发生畸变，当试样的某个局部产生颈缩或者开裂时，停止实验。

上述润滑物质为聚乙烯薄膜、胶皮垫或润滑油。

4、采用摄像设备对临界区域拍摄，获得至少两个二维影像图，然后采用应变测量系统将二维影像图处理成三维立体图像。其中颈缩区或者紧靠开裂区的未破裂的网格圆为临界网格圆；具有临界网格圆的区域为临界区域。

5、测量三维立体图像中临界网格圆的长轴直径和短轴直径，然后根据以下公式计算工程主应变和工程次应变：

e₁＝(d₁-d₀)/d₀×100(％) (1)

e₂＝(d₂-d₀)/d₀×100(％) (2)

式中e₁为工程主应变，e₂为工程次应变，d₁为临界网格圆长轴直径，d₂为临界网格圆短轴直径，d₀为网格圆初始直径。

以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将每个试样的应变值合成在一个图上，即建立了该相变诱发塑性钢板的成形极限图。

本发明的实验方法通过采用标准实验装置进行实验，能够对各种润滑条件下相变诱发塑性钢板的成形极限、在成形过程中发生破坏的位置和成形性能进行判断。

附图说明

图1为本发明实施例中的宽条试样照片图。

图2为本发明实施例中的窄条试样照片图。

图3为本发明实施例中的TRIP钢板成形实验后的试样各种尺寸试样的系列变形照片图。

图4为本发明实施例中的TRIP钢板成形实验后的试样的裂纹形态图。

图5为本发明实施例1的TRIP钢板的实验数据及成形极限图；

图6为本发明实施例2的TRIP钢板的实验数据及成形极限图及实验数据；图中A、破裂区，B、临界区，C、安全区，a、破裂数据，b、临界数据，c，安全数据。

具体实施方式

本发明实施例中材料成形极限图(FLD)按国家标准GB/T15825.8-1995《金属薄板成形性能与试验方法-成形极限图(FLD)试验》进行，采用的实验设备为BCS-30D型通用板料成形性试验机，该设备主要参数为：最大成形力为300KN，最大顶件力为1.5KN，压边力可调范围为8～200KN，凸模上升速度为0～300mm/min，总电功率为4KW，额定压力为6.3MPa，增压比为1∶4，外形尺寸为2200×650×1360mm，总重量为1000kg，测量成形力、压边力和位移的精度分别为≤2％、≤2％和≤0.02mm(20mm内)。

本发明实施例中采用的有机溶剂为工业酒精或丙酮。

本发明实施例中采用的摄像设备为Kodak DCS-420数码相机。

本发明实施例中采用的应变测量系统为ASAME自动应变测量系统。

本发明实施例中采用的聚乙烯薄膜和胶皮垫厚度为0.04mm。

本发明实施例中采用的电腐蚀法为：将通过有机溶剂清洗后的试样放在厚铝板上作为电极之一，在试样上放置一张网格模板，模板用尼龙织物制成，在网格线条处能够导电，其他部分留有绝缘涂层。模板上覆盖浸有电解液的毛毡，毛毡上再加上金属板作为另一电极。通过木板把试样、模板、毛毡和金属板压贴接触，通电几秒钟，试样表面即被电蚀出网格图案。

实施例1

首先制备相变诱发塑性钢板，步骤为：将低碳硅钢冶炼成钢锭，低碳低硅钢冶炼成钢锭，其化学成分C0.18％，Mn1.38％，Si0.67％，Al0.56％，P0.0075％，S0.0048％，Nb0.014％，余量为Fe。钢锭经1200℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料。热轧至3.5mm厚后再冷轧至1.0mm厚。将冷轧钢板在800℃的氯化钠中保温5min，然后淬入温度为400℃的硝酸钾中保温5min，空冷至室温，制备成低碳低硅TRIP钢板。然后将钢板制备成不同规格尺寸的试样，试样照片如图1所示，长度为180mm，宽条试样宽度分别为180mm、160mm和120mm；窄条试样两端的宽度分别为100mm、80mm、40mm和20mm，窄条试样中部的宽度分别为90mm、70mm、30mm和15mm，中部的宽度为两端宽度的75～90％，能够防止成形实验时试样在凹模和压变圈交接处开裂。

用酒精将试样表面清洗干净，采用电腐蚀法在试样单面印制网格，要求网格清晰；网格为直径2.5mm的相切圆。各试样照片如图1和2所示。

将各种试样放入BCS-30D板材成形性试验机，分别采用聚乙烯薄膜、胶皮垫或黄油作为润滑物质进行胀形实验：将试样放在凸模上，试样和凸模之间放置润滑物质，然后将试样和凸模放在成形试验设备的冲头上，试样的网格面背向冲头，启动成形试验设备，利用成形试验设备产生的压边力压紧试样材料的边部，试样中部通过凸模作用力产生胀形变形，其表面上的网格圆发生畸变，当某个局部产生颈缩或者开裂时，停止实验。实验中采用不同的试样宽度和润滑方式，使实验结果尽可能覆盖较大的变形范围。变形后的试样照片如图3和图4所示，图3为各种尺寸试样的系列变形照片，图4为裂纹形态图。在拉-压区，增加短轴应变可采用较窄的试样，利用试样拉胀时产生横向收缩；在拉-拉区，增加短轴应变是通过改善润滑作用达到的。在试样和凸模之间放入0.04mm聚乙烯薄膜或者胶皮垫。使用胶皮垫对增加短轴应变的效果最佳。

采用摄像设备对临界区域拍摄，获得至少两个二维影像图，然后采用应变测量系统将二维影像图处理成三维立体图像。选择靠近裂纹区或者颈缩区的网格点作为临界网格点，如图4所示。采用先进的Kodak DCS-420数码相机分别对每一个临界区域拍摄2个或者更多的二维影像图。用ASAME自动应变测量系统将二维影像图处理成三维立体影像图，然后对三维立体影像图中变形的网格进行测量分析，得到临界区域网格点在板面内的2个主应变值，以最大应变(工程主应变)为纵坐标，最小应变(工程次应变)为横坐标，建立应变坐标系。将每个试样的应变值合成在1个图上，建立该TRIP钢板的成形极限图。如图5所示。

根据图4所示的成形后180×180mm试样的箭头所示，选取具有代表性网格圆进行测量，选取的网格圆有破裂网格圆、临界网格圆和紧靠临界网格圆的安全网格圆，分别将此3种数据绘制在同一图中。从图5可以看出，低碳低硅TRIP钢板的平面应变状态下的极限应变的FLD0值为0.59，表现出良好的成形性能。成形图分为3个区域，在成形极限上曲线以上的区域为破裂区；在成形极限下曲线以下的区域为安全区；而成形极限上下曲线所包括的区域为临界区，TRIP钢在此区域发生颈缩。因此，在TRIP钢板的成形工艺和模具设计时，通过本发明的成形极限图的建立，将对整个成形过程中各个成形工序内容进行合理安排，既能协调各工序内以及各工序之间在整个成形过程中各部分材料的极限变形程度，避免材料被拉裂，又能保证变形量小的区域材料不发生弹性畸变，成形后零件有足够的刚度，同时还能防止坯料成形过程中可能出现的回弹、表面损伤等成形问题。

实施例2

首先制备相变诱发塑性钢板，步骤为：低碳高锰钢冶炼成钢锭，其化学成分C600ppm，Mn23.8％，Si3.0％，Al2.7％，余量为Fe。钢锭经1150℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料。热轧至5.0mm厚后再冷轧至1.0mm厚。将冷轧钢板加热到1100℃保温15min，然后水冷至室温。制备成高锰TRIP钢板。然后将钢板制备成不同规格尺寸的试样，方法同实施例1。

建立TRIP钢板的成形极限图的方法同实施例1，其中试样清洗采用的有机溶剂为丙酮，该TRIP钢板的成形极限图如图6所示。从图6可以看出，高锰TRIP钢板的平面应变状态下的极限应变的FLD₀值为0.43，表现出良好的成形性能。成形图分为3个区域，在成形极限上曲线以上的区域为破裂区；在成形极限下曲线以下的区域为安全区；而成形极限上下曲线所包括的区域为临界区，TRIP钢在此区域发生颈缩。

Claims

1、一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)将相变诱发塑性钢板制备成试样；(2)用有机溶剂将试样表面清洗干净，在试样单面印制网格，网格形式为等直径的相切圆；(3)通过成形试验设备对试样进行实验，将试样放在凸模上，试样和凸模之间放置润滑物质，然后将试样和凸模放在成形试验设备的冲头上，试样的网格面背向冲头，利用成形试验设备产生的压边力压紧试样材料的边部，试样中部通过凸模作用力产生胀形变形，其表面上的网格圆发生畸变，当试样产生颈缩或者开裂时，停止实验；(4)采用摄像设备对临界区域拍摄，获得至少两个二维影像图，然后采用应变测量系统将二维影像图处理成三维立体图像；其中颈缩区或者紧靠开裂区的未破裂的网格圆为临界网格圆；具有临界网格圆的区域为临界区域；(5)测量三维立体图像中临界网格圆的长轴直径和短轴直径，然后根据以下公式计算工程主应变和工程次应变：

e₁＝(d₁-d₀)/d₀×100(％)(1)

e₂＝(d₂-d₀)/d₀×100(％)(2)

式中e₁为工程主应变，e₂为工程次应变，d₁为临界网格圆长轴直径，d₂为临界网格圆短轴直径，d₀为网格圆初始直径；以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将每个试样的应变值合成在图上，建立该相变诱发塑性钢板的成形极限图。

2、根据权利要求1所述的一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法，其特征在于所述的润滑物质为聚乙烯薄膜、胶皮垫或润滑油。

3、根据权利要求1所述的一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的实验方法，其特征在于所述的有机溶剂为工业酒精或丙酮。