CN115575237B - 一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属塑性成形领域，公开了一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，包括如下步骤：设计和加工高强钢单向拉伸实验的加长试样；完成每个试样的第一次单向拉伸实验，得到延伸率ε1；对第一次拉伸实验断裂试样的较长一段进行第二次单向拉伸实验，得到延伸率ε2；计算试样的综合延伸率ε0；考虑试样边缘状态、成形工艺条件和原材料组织性能分散度的影响，对ε0进行修正，得到等效延伸率ε，并作为综合评价高强钢冷成形性能的最终指标。本发明能够考虑高强钢冷成形条件下的脆性/准脆性材料特性，以及板料边缘状态、成形工艺条件与材料非均匀性多因素的影响，从而更加准确地评价成形性能并有效指导生产。

Description

一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法
技术领域
本发明涉及金属塑性成形领域，具体涉及一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法。
背景技术
随着高强钢的应用日益广泛，其强度级别也在不断提升。由于材料强度与韧性之间的内在矛盾性，随着强度的持续提高，高强钢的塑性成形性能急剧下降，同时还表现出低应力三轴度下的剪切断裂以及边缘开裂等异于普通钢的失效形式。但现有的损伤断裂理论很难精确分析，给产品研发与生产带来巨大挑战。目前，热成形工艺虽然能够提升高强钢的变形能力，但其存在能耗高、成形精度不理想以及生产效率低等缺陷，而且一些特殊形状的零部件只能以冷成形方法制备。在这种情况下，如何合理评估高强钢的冷成形性能、准确预测成形过程可能出现的断裂失效，成为一项重要内容。
关于金属成形性能的评价，迄今已经提出了很多针对特定加载与变形模式的测试方法，如单向拉伸、扭转、FLD、杯突实验等。其中，单向拉伸试验虽然加载和变形模式与实际的板料冲压过程存在差异，并不能全面反映复杂应力状态对材料性能的影响，但可以得到许多反映材料基本力学性能的关键指标，而且相对简单、方便以及流程标准化，特别是可以直接得到能够在很大程度上反映金属塑性变形能力的延伸率(伸长率)ε(或断面收缩率Ψ)，因此一直是最常用的材料力学性能测试方法。但近年来的研究发现，传统的延伸率指标虽然能够较好地用于评价软钢等韧性材料的成形性能，用于高强钢冷成形性能评价时却存在较大误差；而且高强钢强度级别越高，其成形性能的评价结果越偏于保守，这常常导致工程师对零件成形性能出现误判，严重影响了高强钢的应用。
经典断裂力学认为，材料或构件中的裂纹、夹杂等各种缺陷在外力作用下的扩展演化行为与材料特性密切相关，并由此建立了分别针对脆性和韧性材料的“线弹性”和“弹塑性”两类断裂理论。迄今为止，虽然学术界对脆性和韧性材料尚无严格意义上的定义，但高强钢冷成形时常常具有明显的“脆性化”趋势，一些超高强钢(如：SSAB 1700M马氏体钢)的材料属性已进入事实上的“脆性”范畴，如延伸率小于5％。但目前对高强钢成形断裂的理论研究大多基于“韧性”断裂的假设和思路，并未考虑脆性化趋势带来的材料性质变化，这使得成形性能分析结果存在很大不确定性，十分不利于高强钢的研发与应用。因此，亟需开发一种充分考虑脆性/(准)脆性材料的本质，以及与此相关的微观非均匀变形与宏观随机断裂等特性的高强钢冷成形性能评价方法，以实现准确掌握高强钢成形极限，并预测其成形断裂失效。
发明内容
本发明意在提供一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，以实现准确掌握高强钢成形极限，并预测其成形断裂失效。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，包括如下步骤：
步骤I：设计和加工高强钢单向拉伸试样，对试样进行加长处理；
步骤II：第一次单向拉伸实验，获得断后延伸率ε1；
步骤III：第二次单向拉伸实验，在经过第一次单向拉伸实验后得到的断裂试样中，取断裂后两段中较长的一段试样，进行第二次单向拉伸实验，获得断后延伸率ε2；
步骤IV：修正得到综合延伸率，综合延伸率ε0＝k1*ε1+k2*ε2；
其中，k1和k2为修正系数，且k1+k2＝1.2～1.5；
步骤V：对综合延伸率ε0进行修正，得到评价高强钢冷成形性能的等效延伸率ε。
本方案的原理及优点是：实际应用时，本技术方案在对高强钢冷成型性能评价方法进行优化的过程中，首先材料的自身性能特性进行分析，韧性材料由于在外载荷作用下可发生大范围、大程度的塑性流动，通过加工硬化等组织性能的演化机制，具有将材料内部不均匀性“分散”与“平均化”的趋势，从而使材料在失稳断裂前呈现较为“均匀”的变形，因此材料可假设为“匀质”，并用塑性应变确定其断裂阈值。反之，脆性材料在外载荷作用下只能发生小范围(程度)的塑性流动，断裂一般在存在微观原始缺陷(如夹杂、微裂纹以及板侧毛刺等)较多的位置发生；由于非均匀分布的原始缺陷的影响无法转移，因此脆性材料的断裂对原始缺陷更加敏感，板料的边缘和表面状态对塑性具有更大的影响，但传统的延伸率指标并未考虑边缘等状态的差异。同时，脆性材料显著的应变局部化特征使得非断裂区域的总变形量很小，这些地方的塑性变形能力得以较大程度的保留。对于单向拉伸过程，理论上试样变形区的所有截面的应力是相同的，因此脆性材料试样的断裂位置将位于主要原始缺陷存在的位置；但实际零件成形时(如折弯、翻边)，变形区并不一定是主要原始缺陷所在的区域，因此材料能够发生更大的局部变形。本方案中，高强钢具有(准)脆性材料属性，其断裂前变形小，变形量的测量误差相对于整体变形量的占比更大；缺陷效应无法“平均化”，使得力学性能参数测量值更加分散。因此，发明人在对其进行成形性能评价时，充分考虑其脆性/(准)脆性材料的本质，以及与此相关的微观非均匀变形与宏观随机断裂等特性。通过在传统的延伸率来评价材料的成形性能的基础之上，引入加长试样的二次拉伸延伸率结果来反映非断裂区的变形余量，来进一步修正延伸率，评价材料的成形性能，克服传统拉伸实验的延伸率指标无法客观评价高强钢冷成形性能的不足，特别是适合于屈服强度在1000MPa以上具有明显脆性特性的超高强钢冷成形性能评价，从而更好地指导生产。
优选的，作为一种改进，步骤V中，等效延伸率ε＝ke*kb*kd*ε0或ε＝[(ke+kb+kd)/3]*ε0；其中，ke、kb、kd分别为等效延伸率的修正系数。
本技术方案中，考虑到试样边缘状态、成形工艺条件和原材料组织性能分散度的影响，创造性的引入修正系数ke、kb、kd对综合延伸率进行修正，得到等效延伸率ε，并作为综合评价高强钢冷成形性能的最终指标，能够进一步消除边缘加工质量、成形工艺条件以及材料力学性能分散程度对高强钢延伸率的影响，保证高强钢冷成形性能评价的准确性；在实际使用时，上述两种等效延伸率的技术方式可择一选择使用。
优选的，作为一种改进，步骤V中，ke关联边缘加工质量，且ke取值范围为0.5～2。
本技术方案中，高强钢板的加工切割方法有线切割、机械剪切、激光切割、等离子切割、火焰切割等，不同加工方式得到的板料边缘状态差异很大。实践表明，不同边缘质量对高强钢成形断裂的影响很大，而高强钢的脆性化特性使其断裂对原始缺陷十分敏感，因此建立高强钢成形性能指标需要考虑边缘质量状态的影响。修正系数ke与高强钢的具体切割加工方法挂钩，根据不同的边缘加工质量确定ke取值，对于边缘加工质量较好的线切割以及断面打磨抛光的情况下，ke取较大数值；对于边缘加工质量较差的火焰切割，ke取较小数值。具体的：当表面粗糙度Ra≤0.2时，ke的取值范围为1.5～2；Ra为0.2～6.3时，ke的取值范围为1.5～1；Ra为6.3～100时，ke的取值范围为0.5～1。
优选的，作为一种改进，步骤V中，kb关联成形工艺条件，且kb的取值范围为1.2～2。
本技术方案中，单向拉伸时，试样所有截面的应力为均匀分布，但实际高强钢板成形时，例如常用的弯曲或翻边(孔)成形过程中，钢板在厚度方向的应力并非均匀分布。此外，加载速度和温度对材料的变形也具有影响。因此，修正系数kb与成形工艺条件相关，主要考虑折弯、翻孔等成形工艺条件的差异，降低其对高强钢延伸率的影响。
优选的，作为一种改进，步骤V中，kd关联材料力学性能分散程度，且kd的取值范围为0.8～1.2。
脆性化使得高强钢拉伸断裂大多在存在初始微观缺陷的位置发生。由于总变形量以及“均匀化效应”小于韧性材料，高强钢拉伸实验测量结果的随机性和分散性更大。测量数据越分散、一致性越差，说明材料性能越不稳定，宏观上统计越容易出现断裂现象。本技术方案中，通过修正系数kd关联材料力学性能分散程度，降低材料力学性能分散程度对高强钢延伸率的影响。
优选的，作为一种改进，步骤I中，高强钢拉伸试样的长度方向分别取沿轧制方向和垂直轧制方向，且试样在国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T228.1-2010》的基础上，将原始标距L0和平行长度Lc增加为比例试样的1倍及以上的长度；试样的加工方法为线切割。
本技术方案中，在制备拉伸试样时，在国家标准的基础上，加长拉伸试样，能够通过二次拉伸的延伸率结果反映出非断裂区的变形余量，从而进一步修正延伸率，提高评价高强钢材料成形性能的准确性。
优选的，作为一种改进，步骤II中，轧制方向和垂直轧制方向试样的数量分别取10件及以上，试样单向拉伸的重复次数大于10次。
本技术方案中，通过对取样量以及试验重复次数的限定，能够降低人为操作误差对检测结果的影响，从而进一步保证高强钢性能评价的准确性。
优选的，作为一种改进，步骤IV中，将所有试样两次单向拉伸后得到的综合延伸率ε0进行平均，将平均值作为综合延伸率ε0的结果。
本技术方案中，通过增加试验重复次数并取平均值的表征方式，能够保证综合延伸率ε0的结果准确性，降低误差干扰。
附图说明
图1为本发明基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法的流程图；
图2为NM450TP耐磨高强钢板的加长试样尺寸与取样方案；
图3为应用DIC方法测量的NM450TP板的折弯开裂应变；
图4为NM450TP耐磨高强钢板加长试样两次拉伸断裂的应变均值比较。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施方式所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；所用的实验方法均为常规方法；所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
方案总述：
一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，包括如下步骤：
步骤I：根据单向拉伸实验要求和万能材料试验机规格，设计和加工高强钢的单向拉伸测试试样(加长试样)；
高强钢拉伸试样的长度方向分别取沿轧制方向(RD)和垂直轧制方向(TD)，且试样在国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T 228.1-2010》的基础上，将原始标距L0和平行长度Lc增加为比例试样的1倍及以上的长度；试样的加工方法为线切割。
鉴于高强钢脆性材料的断裂对局部缺陷的敏感性，其断裂行为比韧性材料具有更大的随机性和分散性，为保证测试结果具有统计学意义，RD和TD方向试样的数量分别取10件及以上，从而保证每个实验条件下单向拉伸实验的重复次数大于10次。
步骤II：按照单向拉伸实验方法，将试样装夹在万能材料试验机(型号为：WDW-100)上，在10mm/min的加载速度下，按照室温试验方法GB/T 228.1-2010完成每个试样的第一次单向拉伸实验，得到试样断裂前的力-行程曲线以及断裂时刻的拉伸位移；对数据进行计算处理，得到每个试样第一次单向拉伸的应力-应变曲线和延伸率ε1；
步骤III：在每个试样第一次单向拉伸实验后得到的断裂试样中，选择每个试样断裂后两段中长度较长的一段，按照单向拉伸实验方法，将较长的一段断裂试样装夹在万能材料试验机上，完成第二次单向拉伸实验，得到较长的一段断裂试样断裂前的力-行程曲线以及断裂时刻拉伸位移；对数据进行计算处理，得到较长的一段断裂试样第二次单向拉伸的应力-应变曲线和断后延伸率ε2；由于延伸率受试样横截面积、标距的影响，应用Oliver公式对延伸率进行换算ε2处理；由于本文使用非标准拉伸件进行二次拉伸，根据GB/T17600.1-1998中Oliver公式对ε2进行修正，Oliver公式：εr＝(K/Kr)n*ε
其中：
εr为换算后延伸率；
Figure BDA0003902451770000061
为拉伸试样比例系数；
L0为拉伸试样原始标距；
S0为拉伸试样原始横截面积；
Kr为标准比例系数，取5.65；
n为近似材料常数，标准使用范围内取0.4；
ε为实测延伸率。
步骤IV：采用下式，计算每一个试样的综合延伸率ε0：
ε0＝k1*ε1+k2*ε2
其中，k1和k2为修正系数，且k1+k2＝1.2～1.5；将所有试样两次单向拉伸后得到的综合延伸率ε0进行平均，将平均值作为综合延伸率ε0的实验结果；
步骤V：考虑试样边缘状态、成形工艺条件和原材料宏微观组织性能分散度的影响，对综合延伸率ε0进行修正，得到等效延伸率ε的数据；
ε＝ke*kb*kd*ε0
或
ε＝[(ke+kb+kd)/3]*ε0
其中，ke、kb、kd分别为考虑边缘状态、成形工艺条件和性能分散度影响的等效延伸率的修正系数；将等效延伸率ε作为评价高强钢冷成形性能的最终指标。
修正系数ke与高强钢的具体切割加工方法关联，根据不同的边缘加工质量，ke取值范围为0.5～2；对于边缘加工质量较好的线切割以及断面打磨抛光的情况下，ke取较大数值；对于边缘加工质量较差的火焰切割，ke取较小数值。具体的：当表面粗糙度Ra≤0.2时，ke的取值范围为1.5～2；Ra为0.2～6.3时，ke的取值范围为1.5～1；Ra为6.3～100时，ke的取值范围为0.5～1。
修正系数kb与成形工艺条件相关，主要考虑折弯、翻孔等成形工艺条件的差异；折弯成形时，修正系数kb的取值范围为1.2～2。
修正系数kd考虑材料力学性能分散程度对延伸率的影响，且kd的取值范围为0.8～1.2。
实验例1
以5mm厚的NM450TP耐磨高强钢板为例，该材料的屈服强度σs超过1000MPa，抗拉强度σb超过1450MPa，属于高强钢范围。表1为NM450TP的基本力学性能参数。
表1NM450TP基本性能参数
Figure BDA0003902451770000071
采用本方案基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法对其性能进行评价，工艺流程如图1所示。
拉伸试样为加长试样，在轧制方向和垂直轧制方向分别取样10个，其具体的尺寸及取样方案如图2所示，图中单位为mm。试样采用线切割加工，试样的切割边缘采用打磨和不打磨两种状态，两次单向拉伸的测量标距分别为40mm和15mm。表2为NM450TP板两次单向拉伸的延伸率ε1、ε2与综合延伸率ε0计算结果，其中RD为轧制方向，TD为垂直轧制方向。经过第一次拉伸与第二次拉伸后的综合延伸率ε0应该大于ε1和ε2的平均值，因此必须添加修正系数k1和k2，且k1+k2的值必须大于1，本实施例中k1＝0.6，k2＝0.6。
表2NM450TP板两次单向拉伸的延伸率与综合延伸率(k1＝0.6，k2＝0.6)
试样及取向 <![CDATA[延伸率ε<sub>1</sub>均值]]> <![CDATA[延伸率ε<sub>2</sub>均值]]> <![CDATA[综合延伸率ε<sub>0</sub>]]>
试样A(RD，打磨) 11.1％ 9.4％ 12.3％
试样B(TD，打磨) 9.2％ 7.1％ 9.7％
试样C(RD) 10.1％ 8.7％ 11.3％
试样D(TD) 8.9％ 7.7％ 9.96％
单向拉伸时的应力状态、加载路径以及变形模式与弯曲成形过程存在较大差异，通过传统单向拉伸方法难以直接获取板料弯曲的开裂参数。图3为应用DIC(Digital imagecorrelation，数字图像相关)方法测量的NM450TP耐磨高强钢折弯开裂时刻的断裂应变。实验时，出现明显断裂(或载荷下降5％)时刻的板料外侧区域的应变值定为材料的断裂应变。可以发现，NM450TP的单向拉伸延伸率为9.7％，对应的总体应变值为0.15。但NM450TP钢板折弯时，其弯曲外侧的断裂应变值达0.22。由此可见，对于NM450TP耐磨高强钢板，采用传统拉伸试验得到的延伸率来评价其折弯成形性能将过于保守。
对于RD取样、边缘打磨的NM450TP板试样用于折弯成形时，修正系数ke和kd取1，修正系数kb取0.22/0.15＝1.5，因此，等效延伸率ε为：
ε＝ke*kb*kd*ε0＝1.0*1.0*1.5*12.3％＝18.5％
经本技术方案计算得到的等效延伸率为18.5％(0.185)，其数值更能体现高强钢局部变形能力：如NM450TP钢板折弯时，其弯曲外侧的断裂应变值达0.22。而传统的单向拉伸方法得出的NM450TP延伸率结果为9.7％(0.097)。
表3为对NM450TP耐磨高强钢板进行两次拉伸测得的断裂应变均值，检测方法为DIC法(数值图像相关法)。从表3和图4可以看出，与第一次拉伸相比，第二次拉伸的断裂应变量仅有很小幅度的降低。说明NM450TP板拉伸变形过程存在显著的非均匀变形特点，第一次拉伸时，颈缩断裂以外的区域变形非常不充分，因此塑性变形能力得以保留。
表3NM450TP板两次拉伸断裂应变均值
试样A 试样B 试样C 试样D
第一次拉伸 0.224 0.185 0.238 0.175
第二次拉伸 0.197 0.165 0.216 0.161
差值 0.027 0.020 0.022 0.014
本发明一种基于二次单向拉伸的超高强钢冷成形性能评价方法，能够考虑高强钢冷变形条件下的准脆性断裂材料特性，特别是适合于屈服强度在1000MPa以上具有明显脆性材料特性的超高强钢，可以避免传统拉伸实验方法获得的指标无法客观评价高强钢冷成形性能的不足，有利于为高强钢冷成形生产提供指导。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤I：设计和加工高强钢单向拉伸试样，对试样进行加长处理；
步骤II：第一次单向拉伸实验，获得断后延伸率ε1；
步骤III：第二次单向拉伸实验，在经过第一次单向拉伸实验后得到的断裂试样中，取断裂后两段中较长的一段试样，进行第二次单向拉伸实验，获得断后延伸率ε2；
步骤IV：修正得到综合延伸率，综合延伸率ε0=k1*ε1+ k2*ε2；
其中，k1和k2为修正系数，且k1+k2 = 1.2～1.5；
步骤V：对综合延伸率ε0进行修正，得到评价高强钢冷成形性能的等效延伸率ε；等效延伸率ε=ke*kb*kd*ε0或ε=[(ke+kb+kd)/3]*ε0；其中，ke、kb、kd分别为等效延伸率的修正系数，ke、kb、kd分别为考虑边缘状态、成形工艺条件和性能分散度影响的等效延伸率的修正系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于：步骤V中，ke关联边缘加工质量，且ke取值范围为0.5～2。
3.根据权利要求2所述的一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于：步骤V中，kb关联成形工艺条件，且kb的取值范围为1.2～2。
4.根据权利要求3所述的一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于：步骤V中，kd关联材料力学性能分散程度，且kd的取值范围为0.8～1.2。
5. 根据权利要求4所述的一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于：步骤I中，高强钢拉伸试样的长度方向分别取沿轧制方向和垂直轧制方向，且试样在国家标准《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 GB/T 228.1-2010》的基础上，将原始标距L0和平行长度Lc增加为比例试样的1倍及以上的长度；试样的加工方法为线切割。
6.根据权利要求5所述的一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于：步骤II中，轧制方向和垂直轧制方向试样的数量分别取10件及以上，试样单向拉伸的重复次数大于10次。
7.根据权利要求6所述的一种基于二次单向拉伸的高强钢冷成形性能评价方法，其特征在于：步骤IV中，将所有试样两次单向拉伸后得到的综合延伸率ε0进行平均，将平均值作为综合延伸率ε0的结果。
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