先进高强度钢应用手册

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1、撰写人：_日 期：_先进高强度钢应用手册国际汽车钢板研究组织2006.9湖南大学汽车车身设计与制造国家重点试验室译（第1版）2009.1IV前言 近几年来，为了减轻汽车重量和提高汽车安全性，汽车钢板的开发技术、应用技术方面有了许多新的发展。由国际钢铁公司资助的项目ULSAB （汽车车身轻量化技术）和USLAB-AVC(先进概念车）等，主要在车身上大量采用先进高强度钢，研究汽车的轻量化设计的一些理念。先进高强度钢的应用，需要新的成形技术和连接技术。 这本指南是汽车钢铁研究组织的多位专家的合作成果。其中，特别感谢以下专家：Dr Heiko BeenkenMr Willie BernertMr Kl

2、aus BlmelDr Bjrn CarlssonDr Jayanth ChintamaniMr Bart DePompoloMr Daniel Eriksson Mr Peter Heidbche 特别感谢Stuart Keeler博士，他是一位金属成形领域的著名专家。他负责本书的编辑工作。国际汽车用钢组织包括全球的下面钢铁公司:宝山钢铁公司Edward G. Opbroek国际汽车用钢组织主席翻译感言偶然在网上搜索到这本ADVANCED HIGH STRENGTH STEEL APPLICATION GUIDLINES，当时非常高兴，这本书中包括了一些工厂中常遇到的一些问题，比如，先进高强

3、度钢与传统钢的区别，DP钢与TRIP钢的区别，各种回弹机理。当时只看了一些感兴趣的章节。后面继续看这本手册，发现中间还包括很大的信息量，激起了翻译该本手册的兴趣。翻译过程中，感觉收获比较多，比如局部延伸率，这在国内文献中很少看到。本手册第一章介绍了先进高强度钢的微观结构、宏观力学性能等；第二章中介绍了先进高强度钢零件的设计、冲压和应用中的一些问题；第三章介绍了先进高强度钢的连接方法；第一章的知识用于解释第二章、第三章中的某些现象。第四章是书中的一些专有名词及其解释，为了方便读者看英文版本，该章有中文和英文。第五章是参考文献。阅读本手册，可快速全面掌握先进高强度钢涉及到的问题，对这些问题有个初步

4、的了解。如果对其中某个问题很感兴趣，可以在第五章查找相关的文献，或在实践中研究相关问题。相信该手册对先进高强度钢生产企业、汽车生产企业、模具企业、高校或研究所都有一定参考价值。由于译者外语水平和知识有限，本文翻译中难免有一些错误之处，请大家批评指正。同时建议读该文献原文，第四章中的词汇为中英文，对阅读原文可能有所帮助。 刘迪辉 申光举译 2009年1月30日目 录前言I翻译感言II第1章 先进高强度钢概述11.1 定义11.2 AHSS钢组织21.2.1 DP钢31.2.2 TRIP钢41.2.3 CP钢51.2.4 MS钢6 FB钢61.2.6 TWIP钢61.2.7 HF钢71.2.8 P

5、FHT钢71.2.9 新的AHSS钢种81.3 HSS钢和低强度钢组织81.3.1 软钢81.3.2 IF钢81.3.3 BH钢81.3.4 各向同性钢（IS）91.3.5 CM钢91.3.6 HSLA钢9第2章 成形102.1 概述102.2 成形仿真技术的发展102.3 薄板成形122.3.1 力学性能122.3.2 成形极限232.3.3 成形模式282.3.4 模具设计362.3.5 回弹392.3.6 落料、冲孔和修边操作522.3.7 压机要求542.3.8 多步成形592.3.9 应用要求602.4 管成形622.4.1 高频焊接管622.4.2 激光焊接钢管662.4.3 关键

6、点67第3章 连接683.1 概述683.2 焊接过程683.2.1 电阻焊683.2.2 高频感应焊接773.2.3 激光焊接793.2.4 无涂层钢板的电弧焊813.3 钎焊823.4 粘接833.5 机械连接843.6 复合连接853.7 高强度钢零件维修和更换中的材料问题86第4章 词汇注解87第5章 参考文献98精品范文模板 可修改删除第1章 先进高强度钢概述 先进高强度钢应用指南主要集中讨论采用先进高强度钢的车身覆盖件、结构件、外覆盖件的冲压成形、加工和连接技术等。在车身零件中采用传统的高强度钢替代中低强度的钢时常遇到成形性变差的问题。为了克服这个问题，进一步减轻车身重量，如何提升

7、高强度钢的成形性能是这些年研究的关键问题。先进高强度钢中的多相钢基本满足了高强度钢成形性的要求，这些材料既可具有高强度性能，也能够具有良好的成形性。1.1 定义汽车用钢有多种分类方法。一种是根据钢种划分，也就是按钢组织划分。常用的钢包括低强度钢（包括IF钢，软钢），传统高强度钢（HSS钢，包括CM、HSLA、BH、HSSIF钢等），和新型先进高强度钢（包括：双相钢（DP）、相变诱导塑性钢（TRIP）、复相钢（CP）和马氏体钢（M）。更高强度钢包括FB,TIP,Nano,热成形钢和成形后热处理用钢等。一种是根据钢板的强度划分，汽车选材一般按强度选择。与一般文献分类不同，本文把强度高的钢分为HSS

8、和AHSS。这种分类中，高强度钢HSS的屈服强度为210550MPa，抗拉强度为270700Mpa，超高强度钢(UHSS)的屈服强度在550MPa以上，抗拉强度在700MPa以上。很多钢种可跨两个或多个强度等级。第三种分类方法是根据钢板的机械性能或成形性能划分的，如延伸率、硬化系数n,扩孔系数等。图1-1是一个各类钢的延伸率与成形性的关系，低强度钢用为暗灰色，传统高强度钢为亮灰色，早期的AHSS用彩色标出。图1-1A和图1-1B显示了不同钢种所覆盖的大致强度等级。图1-1A 钢的延伸率与强度的关系图1-1B 采用新的化学成分、工艺、微结构来取代更高性能和成形性 传统的高强度钢HSS与先进高强度

9、钢AHSS的根本区别在于微观结构。HSS微观结构主要是单相铁素体，AHSS包括铁素体、马氏体、贝氏体，或残余奥氏体。这些含量不同导致钢板有一些不同的特性，如一些AHSS钢比HSS钢具有较高的应变强化能力，一些AHSS钢有超高的屈服应力和抗拉强度，并具有热烘烤强化特性。 为了使本文在全世界内都可使用，对钢板采用了复合定义方法，定义为：钢种+屈服极限（MPa）+抗拉强度（MPa）。例如，DP500/800表示双相钢，最小屈服应力500MPa，最小抗拉强度为800MPa。这种定义方法在ULSAB-AVC项目中采用过。表1-1 ULSAB-AVC项目使用的AHSS钢板 需要指出的是世界上不同钢铁公司的

10、产能不同。上面的钢覆盖了全世界大部分的AHSS钢，在准备使用高强度钢时需要同相应的钢铁公司联系，了解钢铁公司所生产钢板的具体参数和性能，包括：力学性能参数和范围，厚度和宽度，热轧钢板、冷轧钢板、表面镀层，化学成分等。1.2 AHSS钢组织 传统钢的组织在1.3中做简要的介绍，本节主要介绍AHSS钢的一些知识，说明不同的AHSS钢性能不同，原因是它们晶相组织不同、生产工艺不同。所有的AHSS钢，主要控制钢的冷却速度，控制奥氏体向铁素体的转化过程。 DP钢 DP钢第一相为铁素体晶格，第二相为马氏体，马氏体分布在铁素体晶格之间，可称为岛状马氏体。增加马氏体的含量一般会提高材料的强度。通过控制冷却过程

11、，从奥氏体（热轧钢）或者从铁素体、马氏体、奥氏体（连续热处理冷轧钢或带涂层的钢）等中，先把部分奥氏体转换为马氏体，然后通过快速冷却把残余奥氏体转换为马氏体，这样可得到双相钢。如果需要板料边缘有更强的抗开裂能力（一般又扩孔试验来检测），热轧钢组织中还有一定含量的贝氏体。图1-2是双相钢的金相示意图，DP钢由铁素体和导状马氏体构成，铁素体一般是连续的，为材料提供了良好的塑性。当材料变形时，主要是铁素体围着马氏体变形，使这种材料具有高应变强化性能。图1-2 双相钢金相示意图（铁素体+岛状马氏体） 与同样屈服应力的普通钢相比，DP钢的应变强化性能和高延伸率使材料具备更高的强度。图1-3是HSLA和DP

12、钢的工程应力应变曲线的对比。 与HSLA钢相比，DP钢有较大的小应变强化能力，高抗拉强度，低屈强比图1-3 DP350/600比HSLA 350/450有更高的屈服强度 与传统钢相比的另一优势是DP钢和其它AHSS钢具备烘烤强化特性。热烘烤强化特性，是指经过机械强化的板料，在烤漆温度条件下，材料的屈服强度有所增加。AHSS的热烘烤强化特性的强度，取决于材料的化学成分，以及钢板受到的热处理过程。其它关于热烘烤强化特性见.7节。 在DP钢中，碳使在实际冷却速度下，使铁素体向马氏体转化，增加钢的强度。锰、铬、钼、钒、镍等元素，单独或联合作用，增加材料的硬化能力。碳、硅、磷等作为一个固溶强化物，增加了

13、铁素体向马氏体的转化。这些条件需要良好的平衡，才能达到良好的电阻焊接性能，并具备独特的力学特性。但是，当更高强度等级的钢，如DP 700/1000),要根据实际焊接条件进行调整，才能得到比较好的焊接性能。 TRIP钢 TRIP钢的在铁素体晶格中含有残余奥氏体，除了含量最少为5%的残余奥氏体外，还含有一些硬相，如马氏体、贝氏体。TRIP钢一般需要在某个温度上保温一段时间，以产生一定贝氏体。TRIP钢中碳硅含量比较大，也使结构中残余奥氏体的比例增加。TRIP钢的金相示意图见图1-4所示。图1-4 Trip钢金相示意图 同DP钢一样，在变形中硬相围绕软相的变形模式，使材料具备高应变强化特性。与DP钢

14、不同的是，在应变增加时，材料中的残余奥氏体逐渐向马氏体转化，在高应变时，还会使材料进一步硬化。在图1-5中表示了这种现象，图中有HSLA、DP、TRIP钢的应力应变曲线。TRIP钢的初始应变强化特性比DP钢稍低，而在DP钢大应变强化能力消失时，TRIP钢还能继续强化。图1-5 TRIP 350/600比DP350/600，HSLA350/450有更高的延伸率 与传统HSS相比，TRIP钢的应变强化能力强，使材料有更强的延展性能。设计者常利用材料的应变强化特性来使零件达到特定的力学性能，因此，应变强化特性（包括烘烤硬化特性）性能比较重要。在高应变时还具有应变强化性能，使TRIP钢在极端的拉延条件

15、下比DP钢具有一定优势。 TRIP钢的含碳量比DP钢要高，即使在常温时，TRIP钢中也具有一定的残余奥氏体。硅、铝的含量高，加速铁素体和贝氏体的形成。这些元素也使残余奥氏体中具备一定碳的含量。在贝氏体转换到铁素体时减少碳的析出，对TRIP钢的性能非常重要。硅、铝常用于减少贝氏体中碳的析出。 调整碳的含量，可以改变发生残余奥氏体向马氏体的转化的应变水平。碳含量低，在刚变形时残余奥氏体就相马氏体转换，增加了应变强化能力和成形性。碳含量高，残余奥氏体比较稳定，只有发生的应变超过冲压成形中的应变时，才发生残余奥氏体向马氏体的转化。在高碳含量条件下，成形后的零件中还具有残余奥氏体，只有在进一步变形后，比

16、如碰撞条件下，才发生残余奥氏体向马氏体的转化。 TRIP钢可用于加工复杂的车身零件，它具备的应变强化特性使材料在碰撞变形中吸收更多的能量。TRIP钢中所需要的一些合金，降低了材料的点焊特性。该问题可通过修改焊接循环来解决，比如，脉冲点焊或多步焊。 CP钢 CP钢是一种强度非常高的钢。CP钢结构中，具有马氏体，一定含量的奥氏体，分布在铁素体、贝氏体晶格内。通过长时间的结晶过程或采用Ti,Cb等微量元素，使材料晶体非常细。与DP钢相比，在同样800MPa以上的抗拉强度时，CP钢具有更高的屈服应力。CP钢具备高能量吸收能力和高残余变形能力。 MS钢 MS钢制造过程中，在热轧或热处理中的奥氏体在钢带退

17、火、或在热处理冷却环节，几乎全部转化为马氏体。MS钢中的基体是马氏体，中间具有少量的铁素体或奥氏体。在多相钢中，MS钢具备最高的强度等级。在成形后热处理也可以得到马氏体组织。MS钢具备最高的强度等级，抗拉强度可达1700MPa左右。MS钢在淬火后进行热处理，可达到比较好的塑性，在极高的抗拉强度时也具备充足的成形性能。 在MS钢中，碳可增加马氏体的强度。锰、硅、铬、钼、硼、钒、镍也用于增加马氏体的强度。在CP钢制造过程中，钢板快速退火时，大多数奥氏体都转化为马氏体。CP钢也具备同样的冷却过程，MS钢的区别在于它中间的残余奥氏体很小，并且形成的组织更精细。 FB钢 由于局部延伸率比较高，FB钢也称

18、为拉伸翻边钢，高扩孔钢。FB钢具有精细的铁素体和贝氏体。材料硬化主要是由于组织的细化，以及贝氏体的硬化所导致的。目前的FB钢一般为热轧钢。 FB钢与HSLA钢或DP钢相比，有比较强的边缘拉延性能，高扩孔系数。与同强度的HSLA相比，FB钢还具有高的应变强化系数和延伸率。FB钢具备良好的焊接性能，在拼焊板中广泛使用。这些钢具备高碰撞性能和良好的疲劳寿命。 TWIP钢TWIP钢中马氏体的含量比较高，达1724%，在常温下，TWIP钢全部变成奥氏体。这使晶格的主变形模式为孪生的。这使钢板的瞬态应变强化系数（n值）很高，应为组织结构变得越来越细。孪生的边缘同晶格边缘有同样的作用，使材料的强度增加。TW

19、IP钢具有极高的强度，并有极高的成形性能。在工程应变为0.3时n值能达到0.4，在应变为50%时还能保持该值。抗拉强度超过1000MPa HF钢 使用热成形强化钢，在奥氏体温度范围（900-950 C）下热成形，可以成形具有复杂几何形状的零件，避免回弹问题。 热成形工艺中，三种力学条件下的状态比较重要 椭球1：抗拉强度超过600Mpa的钢，一般要采用落料模 椭球2：对复杂几何零件的成形，需要大的延伸率（超过50%），低的强度才能成形。为了避免成形后零件表面氧化，一般加上铝、硅涂层。 椭球3：成形冷却后，零件材料的强度高于1300MPa，需要采用一些后续工艺，使零件最后成形（不需要再次成形，专用

20、剖分或切边设备等）。每个零件需要2030秒，同一时间可冲压多个零件，这样，每个循环可生产2个或更多的零件。热成形硼钢一般用在安全或结构件上。1.2.8 PFHT钢 PFHT钢在冲压后热处理，可达到高的强度。限制PFHT钢广泛使用的原因是难以得到准确的零件几何形状。采用PFHT钢的一种工艺方案是首先固定零件，然后加热（电炉或感应炉）零件，快速冷却。材料在低强度状态下成形（椭球1），在加热处理后达到高强度（椭球2）。 一种是对比较便宜的PFHT钢采用水淬工艺，可使钢的抗拉强度达到9001400MPa。因为淬火时间很短，镀锌涂层在热处理后还能保存。为了满足零件尺寸要求，需要特别的化学成分，这需要和钢

21、材供应商做紧密的联系。 一种是对合金热成形钢进行空冷淬火工艺，得到的钢具有良好的成形性能。这种钢材的焊接性能好，并适合液压成形。在保护气的热炉中加热，在保护气或自然状态下硬化。在材料中添加碳、锰等或其它合金，如铬、钼、硼、钛等元素，可增加这种钢的硬化能力和温度稳定性。这种钢在硬化前、硬化中、硬化后状态下都容易焊接，并且容易采用常规方法涂层（常规电镀或高温电镀）。 新的AHSS钢种 为了满足汽车用钢的需要，钢铁工业中开发出不同种类的高强度钢，这些钢是为了减少密度、增加强度，增加延伸率等。例如，纳米钢主要是为了避免DP、TRIP材料低边缘延伸率而开发的。在铁素体晶格中不是采用的岛状马氏体，而是特别

22、细的纳米微粒（10Nm），这抗拉强度为750MPa的这种热轧钢已经开发成功。这种钢具备良好的延伸率或局部延伸率（扩孔系数）。其它开发的钢种是有超精细的组织结构、低密度、高弹性模量的钢。1.3 HSS钢和低强度钢组织 软钢 软钢主要微观组织是铁素体。如深拉延钢（DQ）,铝镇静深拉延钢（AKDQ），这些钢在产品中大量使用。 IF钢 IF钢含有很少量的碳，强度低，高硬化系数。IF钢比软钢具有更高的延展性。IF钢强化的原因包括：产生固溶强化物、析出碳化物和氮化物、细化组织，或添加磷元素等（一种固溶强化物）。高强度等级的钢在结构或容器中广泛使用。 BH钢BH钢基本组织是铁素体，强化机制是固溶强化。这种钢

23、的特别性质来源于独特的化学成分和加工工艺。在钢铁成形的固溶强化物中碳含量不变，在成形后零件烤漆时，这些固溶强化物中的碳析出，增加成形件的强度。 各向同性钢（IS）IS钢的主要组织是铁素体。这种钢的各向异性参数，在拉延中出现凸耳的倾向很小。1.3.5 CM钢高强度CM钢的强化机制是靠固溶强化。 HSLA钢HSLA钢的强化机制是采用合金微量元素来增加碳的析出和组织结构的细化。第2章 成形2.1 概述 AHSS钢的成形与常规HSS的成形并没有大的区别。这些年来，HSLA钢的强度级别逐渐增加，在这些钢的成形中积累了很多知识和经验，这些经验可用于AHSS钢的成形。为了满足汽车提高碰撞安全性的同时减轻车身

24、重量的需要，在传统HSS的基础上开发出了一些新的钢种，就是AHSS钢。 为了满足汽车用钢的需求，开发的高强度钢壳分为两类。第一类与现有的HSLA钢相比，有更高的成形性和能量吸收能力。这类钢包括DP、TRIP钢等，这些钢的硬化系数都比较大。第二类钢与现有的HSLA钢相比，有更高的强度。这类钢包括CP、MS钢等。这些钢最初只用于底盘零件、悬架零件、车身骨架等，现在还用于车门或其它车门零件等。在图1-1B中的其它钢，都是为了满足某项特别要求而开发的，包括边缘翻边能力（如FB钢）、成形后材料的硬化（如PFHT钢）、以及减少零件的回弹（如HF钢）等。 AHSS钢的成形并没有带来新的回弹问题，但使目前存在

25、的问题更加严重。这些问题包括模具上受到更大的力，需要更大的设备，回弹的控制与补偿问题更加突出。并且，由于压边力不充分，厚度减薄，AHSS更容易起皱。 为了使本文在全世界内都可使用，对钢板采用了复合定义方法，定义为：钢种+屈服极限（MPa）+抗拉强度（MPa）。例如，DP500/800表示双相钢，最小屈服应力500MPa，最小抗拉强度为800MPa。从这种定义方法中可以分析材料硬化强度量。 为了满足成形的需要，需要掌握钢板的准确力学参数，这不仅需要钢材提供者与钢材使用者具备相关的知识，而且需要两者的沟通。一个例子是延伸率与局部延伸率。延伸率一般是在一个大面积成形中，材料的拉延能力。局部延伸率指在

26、一个小区域的拉延能力，如括孔，拉伸翻边或切边边缘的拉延等。通过钢板微观组织的改变，得到的DP、TRIP钢，具备高的硬化系数，高延伸率，高的能量吸收能力，高的延伸率会减少局部延伸率等。 AHSS成形知识的重点放在了解冲压零件对材料的特别要求，分析冲压零件的极端变形模式，介绍材料的力学属性。除此之外，AHSS钢成形还需要更大的成形力、动力、润滑、工艺设计和维护。 总之，本指南成形部分主要介绍力学性能、成形极限、传统成形模式、回弹、冲头力等。现在DP钢具备更多的知识，因为DP钢已经在车身上工业应用了一段时间。TRIP钢方面积累了很少经验，现在是从研究向工业应用转化阶段。2.2 成形仿真技术的发展 多

27、年前大学、研究所中开展薄板冲压成形的研究，并且在工业中使用软件评价薄板冲压成形性能已经有十多年。现在的成形分析软件只是虚拟制造的一个环节，虚拟制造还包括焊接、铸造、装配等。 薄板冲压成形仿真，准确地说是冲压工序模拟或虚拟试模。最新的仿真软件，可以对模具公司的每个实际工艺过程进行仿真。 试验证明，这些软件在预测传统板料的变形、应变、变薄率、成形难度、起皱、失稳等方面非常准确，对回弹预测方面也可提供一些帮助信息。回弹的预测精度与具体零件、输入信息和使用人员的经验等有较大关系。 一般软件中，对材料的硬化曲线，采用的简单的指数型应力应变曲线，把应变强化系数n作为常数。对AHSS钢，应变强化系数n应该是

28、应变的函数。商业软件中只需要提供真实应力应变曲线，不需要提供本构方程。在一些独家采用或大学中开发的软件中，还需要提供本构方程，采用这些软件对AHSS进行评价时，可能会带来一些误差。 AHSS钢的使用者需要进一步成形仿真技术。现在的一些软件可全程评价AHSS的冲压性能，分析采用AHSS钢与采用传统钢材的成形性的区别，评价工艺的修改的优劣，优化成形工艺。 高强度钢冲压成形的一些仿真环节如图2-1所示。在产品设计阶段，首先是评级该材料是否可制造。只有零件的CAD模型和材料，用一步法或反分析法可快速分析截面上的应变、变薄率、边缘线、成形问题、零件毛坯形状等关键问题。图2-1 AHSS成形工艺仿真过程

29、在制造工序选择、确定模具设计参数阶段，软件可分析各种输入条件下的输出结果，显示那些地方出现起皱，得到压力行程曲线。提供板料冲压成零件的整个环节。最后的成形缺陷可反向追述到出问题的环节。一些软件能够模拟多步成形的仿真。如级进模、模具的转移、串联冲压等。还可分析冲裁、其它移除材料的工序对回弹的影响。 高强度钢零件在使用中需要承受很大的载荷，需要进行碰撞分析。成形分析结果在结构分析中有特别的应用。以前，模型中不考虑冲压后材料变薄、硬化和残余应力，只采用设计的厚度和初始的材料参数。常出现最初的分析结果与实验结果不符，因为初始分析中零件的真实情况没有分析。现在可考虑材料的厚度、强度接近真实情况，提供了结

30、构分析仿真的精度，在制造真实模具前可分析零件中存在的问题，从而虚拟修改零件的模具、工艺过程甚至还可重新设计零件。2.3 薄板成形 力学性能通过对材料微观组织的修改，可得到多种AHSS钢，这使得钢厂能够提供多种性能的钢，满足汽车工业的需求。AHSS与传统的HSS的比较很复杂。在同样的抗拉强度下，有多种AHSS钢。例如，TRIP 450/800, DP 500/800和CP 700/800这些钢具有几乎相同的最低抗拉强度，但屈服应力不相同，整体延伸率分别为29%，17%和15%。一些AHSS在钢材出来后，材料力学性能就确定了。但TRIP钢在变形过程中残余奥氏体变化为马氏体。这些转化率随变形量、变形

31、速度、温度、以及各零件的几何形状、模具、以及压机等相关。对HF、PFHT钢等，在成形后的后续工艺中材料才得到最终的力学性能。相比，本节提供的AHSS的力学性能参数覆盖了其力学性能的趋势，以及这些趋势与传统的HSS力学性能不同的原因。准确地力学性能参数，需要在确定钢种、厚度后，与钢厂联系。现在还缺乏一些新的钢种TWIP、FB、Nano的数据，只作简单介绍。屈服应力与整体延伸率的关系AHSS中的屈服强度覆盖的范围比较大。拉延能力与标准拉伸试验中获取的延伸率相关。图2-2时AHSS与传统的HSS相比，屈服强度和整体延伸率的关系。图2-1 屈服强度与整体延伸率的关系（标距：50.8mm）注意到同屈服强

32、度的DP、CP、TRIP钢一般比HSLA钢具有更高的延伸率。许多AHSS没有明显的屈服应力，DP钢的某些高等级钢和TRIP钢有一些YPE，但都小于1%。而对HSLA等级钢，YPE可超过5%。2.3.1.2 抗拉强度与延伸率的关系抗拉强度与整体延伸率的关系见图2-3图2-3 抗拉强度与整体延伸率的关系根据零件的抗拉强度来定购材料时，TRIP、CP、DP比同等级的HSLA钢具有更高的整体延伸率。新开发的材料如TWIP, FB, HF, PFHT等钢的延伸率见第1章，图1-1B所示。.3 强化系数n材料的拉延性能与材料硬化系数n值有很大关系。图2-4中显示了n值与拉延能力的关系。图2-4 FLC与n

33、值的关系系数n值是决定FLC的主要参数，n值越大，FLC越高。系数n值，在不同应力等级中应变更加均匀。n值越高，变形中应变会更加均匀。图2-4中高的n值与低的n值相比，零件的允许拉延深度更大，或者说，在同一拉伸深度的安全裕度要大。传统的HSS钢屈服应力增加时n值降低，限制了这些钢的使用。图2-5 传统HSS钢屈服应力与n值的关系（n值在10%-20%应变内测量）仅仅比较DP钢和HSLA钢的n值是不够的，下面的实验曲线说明了其原因。HSLA和DP钢，按标准的试验方法，在应变5%到15%范围内，都为0.14。开始没有体现该差别，这不能解释DP钢具有更好的拉延性能。在一个给定强度上，不同的DP钢的n

34、值在一定的范围之内。与HSLA 350/450钢在整个应变范围内具有相同的n值，DP350/600在低的应变时具有高的n值，随着应变增加，岛状马氏体逐渐减少，n值会减少。为了描述这种效应，需要确定n值与应变的关系。HSLA 350/450和DP 350/600瞬态n值的曲线见图2-6所示。在应变小于7%时，DP钢的n值要大一些。高的n值，限制了材料的应变集中和出现最大的应变。减少零件上的应变等级，也就极少出现局部变薄的机率。减少材料变薄的零件如图2-7所示。采用DP 350/600替代HSLA 350/450时，使最大减薄量从25%到了20%。图2-6 工程应变与n值的关系图2-7 某零件上应

35、变的分布与DP钢在较大应变时n值变小，TRIP钢不断产生岛状马氏体，使n值在大应变时还能稳定。TRIP钢的n值见图2-8所示。图2-8TRIP、DP、HSLA瞬态n值与工程应变的关系TRIP钢n值比HSLA钢n值大，使其延伸率增加，如图2-2，2-3所示。在大应变时n值比较大，限制了应变集中的发生，增大了成形极限曲线的高度。TWIP钢因为其组织孪变模式，材料n值在38%的应变时增加到0.4，并稳定到应变52%以上。而HF钢只有达到成形温度时的成形性才比较好。.4 应力应变曲线应力应变曲线能够很直观的比较不同钢种或同一钢种不同级别的力学性能。工程应变应力曲线由其初始的标距、初始截面积得到。这些曲

36、线中直接可看到屈服点延伸率、抗拉强度、均匀变形延伸率，整体延伸率和其它应变等。相比而言，真实应力应变曲线是根据瞬态标距、瞬态截面积得到的。因此，在一定应变式曲线下的面积与产生同样变形需要的能量成比例，这些能量可以是一个零件发生这个应变水平可吸收的能量。图2-9是多种钢的工程应力应变曲线和真实应力应变曲线，这些钢包括HSLA, DP, TRIP, CP,MS等钢。为了比较每个图中加了一条软钢的应力应变曲线，这些图可以用于更换材料时，所需要的一些参数，如冲头力，压机吨位要求等。图2-9A 不同强度的HSLA冷轧钢板工程应力应变曲线（上）与真实应力应变曲线（下）图2-9B 不同强度的DP冷轧钢板工程

37、应力应变曲线（上）与真实应力应变曲线（下）图2-9C 不同强度的TRIP冷轧钢板工程应力应变曲线（上）与真实应力应变曲线（下）图2-9D 不同强度的CP冷轧钢板工程应力应变曲线（上）与真实应力应变曲线（下）图2-9E 不同强度的CP冷轧钢板工程应力应变曲线（上）与真实应力应变曲线（下）.5 厚向异性参数平均厚向异性参数（rm）定义材料在厚度方向的变形能力相比于其面内的变形能力。当rm大于1时，材料具有一定抵抗变薄的能力。当其大于1时，材料的圆筒拉延性能、扩孔性能和其它使材料变薄的模式的性能都有所提高。抗拉强度大于450MPa的钢板的rm值接近1，同等屈服应力的HSS、AHSS钢在变形模式中受到

38、rm值的影响相同。.6 应变率效应研究了应变率在10-3到103s-1的应变率试验。作为参考，一般冲压变形中101s-1的应变率，同预料一样，屈服应力、抗拉强度随着应变率的增加而增加。图2-10 屈服应力与应变率的关系图2-11 抗拉强度与应变率的关系但是，在应变率高于101/s后，每增加10倍的应变率，屈服应力、抗拉强度只增加16-20MPa,该值比软钢试验中得到的结果少。这说明两个应力比准静态拉伸试验的结果略高。但是，这些随应变率效应导致屈服应力、抗拉强度极限的改变很小，小于每一卷钢材的差值。应变率导致n值的改变见图2-12所示。屈服应力大于300MPa的钢板，在整个应变率范围内n值基本不

39、变，尽管不同的应变率下的n值可能有一些区别。图2-12 n值与应变率的关系.7 热烘烤强化效应应变时效是把钢板先达到2%的预应变，后在烘烤温度为170 oC烘烤30分钟，图2-13是评价加工强化与烘烤强化的方法，A到B是工作强化，卸载后到C点，后烘烤，然后加载到D点。图2-13 加工硬化与烘烤硬化的测量图2-14中，加工强化和烘烤强化所占的比例。HSLA基本上没有烘烤强化，AHSS钢，如DP,TRIP都有正的烘烤系数，DP钢的烘烤强化比HSLA钢和TRIP钢大，因为TRIP钢在低应变时具有更高的应变强化。在常温下保存，AHSS中没出现强度时效。在船运输时，根据运输条件，某些AHSS钢可能出现时

40、间效应。图2-14 TRIP, DP, HSLA的工作硬化、烘烤硬化.8 关键点（1） 同等抗拉强度的AHSS一般比HSS的整体延伸率大。（2） 与HSS相比，DP钢在变形初期时n值逐渐增大。高的n值，使材料变形均匀，减少过度变薄的发生。（3） 与DP相比，TRIP在高应变时还具有比较大的n值。与普通软钢相比，这类钢的n值高一些。（4） 抗拉强度超过450MPa的AHSS钢的冷轧钢和镀层钢板，以及所有热轧钢板，厚向异性参数rm约等于1。（5） 应变率增加10倍，高强度钢的抗拉强度、屈服应力只增加1620MPa，比软钢增加的少。并且n值在应变率105内时基本不变。（6） AHSS钢没有时效强化能

41、力。（7） DP、TRIP钢具有烘烤强化能力，而HSLC基本上不具备该能力。 成形极限在产品设计、制造整个环节中材料成形极限有很重要的作用。首先，在成形仿真阶段，需要根据材料成形极限曲线判断零件的成形性。其次，在模具设计与工艺设计阶段，需要零件的成形性能作为依据。最后，在试模问题处理阶段，采用成形极限曲线可分析零件的最后成形性，分析优化工艺的方法。在整个环节中，成形极限曲线都可以用于分析在各种人为因素和非人为因素作用下零件的成形问题。在本节中讨论两类成形极限曲线，一种是传统的成形极限曲线，可适合所有成形模式，一种是剪切边拉延极限曲线，主要适合材料减切边受到拉延的模式。.1 成形极限曲线(FLC

42、)全球在冲压件设计、模具设计制造、模具调试等环节中都采用FLC。FLC是一张由主、次应变构成的应变图，该图表示在不同的应变路径下，材料发生颈缩的主次应变。这些极限应变在判断板料的变形极限上非常有用，并可以分析其它点的安全裕度。试验确定FLC曲线方法是通过不同宽度的实际，通过球头冲压，产生不同的应变路径，得出不同应变路径下的成形极限。理论确定FLC曲线也经过了很多前期研究，它与材料的n值和厚度相关。图2-15是一条FLC曲线。不同钢种的FLC的曲线会有一些区别。图2-15中是板厚为1.2mm的软钢 170/300, HSLA 350/450, DP350/600的成形极限曲线。三条曲线的形状基本

43、线条，主应变的最小值可以用该公式计算。由于LSLA和DP钢的在大应变时n值基本相同（见图2-6），它们的FLC基本相同。由于软钢的n值相对比较大，它的曲线要高一些。图2-15 试验确定的板厚为1.2mm的软钢 170/300, HSLA 350/450, DP350/600的成形极限曲线TRIP钢、MS钢的成形极限曲线（图2-16）有一些其它问题，需要进一步的研究。比如，TRIP钢的n值与钢的化学成分与工艺有很大的关系，并且，成形的最后n值与冲压中的应变历史有关，这些应变历史决定了残余奥氏体向马氏体的转化。由于不同部位材料的应变路径都不一样，如双向拉延、平面应变、单向拉伸、压缩等，变形程度也不

44、一样，最后TRIP钢的n值，在不同设计中不一样，即使同样的设计，不同部位也不一样。MS体钢只允许很小的变形，得到FLC曲线非常困难。图2-16 早期FLC试验结果（TRIP 1.2mm，MS 1.5mm）如果厚度区别不同，FLC的高度只与大应变下的n值有关。一些钢板的材料参数见表2-1所示。图2-1 图2-15、2-16中钢板的材料参数HSLA 350/450和DP 350/600钢在应变为0.17时n值相同，两种材料的FLC曲线见图2-15所示。这两种钢的屈服应力和延伸率相近，但抗拉强度区别很大。更有意思的是软钢170/300和TRIP 400/600钢。两者大应变下的n值为0.230，但图

45、2-15中所示方程，还不能应用于TRIP钢，TRIP钢的理论FLC公式还需要进一步的研究。AHSS微观结构组织发生改变，就可得到不同性能的钢板，满足不同的需求。在试验钢板时，需要供应商提供钢种、等级的具体力学性能参数。.2 剪切边拉延曲线全球研究者对AHSS钢剪切边上的拉延能力开展了广泛的研究。在钢板制造到成形中，很多场合都会出现剪切边，比如钢板的分卷、落料、侧修（内、外切边），括孔和其它工艺。在扩孔和拉伸型翻边中很容易出现剪切边受大拉延。不同的变形模式中，零件的边缘变化与拉伸试验中厚度和宽度的变化类似。剪切边拉延性能由两种扩孔试验方法得到。一种是把带孔的板料固定，用一个平底冲孔模压向板料。当

46、模具下行时，孔边缘的周长增加。一种是把带孔的板料固定，用球形冲头加压。当翻边高度增加时，孔边缘的周长增加。采用两种方法得到的结果有对应关系。两种方法都可区分不同钢的剪切边拉延性能。但使用球头的扩孔试验与实际工程更为接近。孔半径或周长的增加程度，可用表示。不同钢种的比较，要保持切边质量的一致。要使剪切边的硬度，并避免损伤。模具需要采用硬度高、抗磨损能力强的材料。建议试验中采用带涂层的PM钢。研究中发现，采用球头的扩孔试验得到的结果比采用平底扩孔试验的结果更具有可靠性图2-17 磨损前后冲出板料的边缘的扩孔系数以上研究表明：1）当DP钢的剪切边变形时，一定要注意保持切边的质量，如果有毛刺，应该向里

47、。2）使用抗磨损、高硬度模具，最好是加上PM涂层的模具。需要提醒的是，括孔试验与孔边缘的质量密切相关。对210MPa的AKDQ钢，采用标准凹凸模间隙：板厚的812%，使扩孔系数为80%，而采用机加工的板料，对210MPa的软钢，括孔系数达280%。对400MPa的HSS钢，可达到180%。裁边时在零件边缘部位有0.5个厚度尺寸的硬化区。在做多种钢的扩孔系数对比试验时，需要保证孔切边质量的稳定性。在切边时不同材料的硬化程度类似，采用FLC不能够准确的确定零件边缘的扩孔系数。与Hilson的研究工作类似，但偏重于AHSS钢和其它HSS钢的结果如图2-18所示。采用机加工的孔和采用冲压出的孔的扩孔系

48、数有明显的区别。这可能是由于多相钢的局部延伸率降低了的原因，这些金属结构中，软的铁素体和硬的马氏体之间有剪切力。图2-18 孔边缘是加工出来的和冲压出来的测量的扩孔系数对这种倾向，可开发出新的AHSS钢，增加剪切边缘拉延性。AHSS通过改变其微观结构的形态、硬度、和不同温度下的金相组织比例，获取了整体延伸率的增加，但这些微观结果降低了局部延伸率，使扩孔、拉伸翻边性、弯曲等性能降低。组织与性能的关系见图2-19所示。图2-18 高强度钢分为局部延伸率高的钢或整体延伸率高的钢提高剪切边拉延系数的方法是得到均质的微观结构，这些结构包括单向贝氏体或者包括贝氏体的多相金属，消除掉大的马氏体颗粒，以上倾向

49、见图2-20所示。图2-20 修改材料微观结构,提高扩孔系数.3 关键点成形极限曲线（1） 世界上有多种确定或解释FLC的方法，这里采用的是由硬化系数n和厚度t表示的FLC0。（2） 这里的FLC是由软钢和传统的HSS钢研究得出的，也适合DP钢。（3） 在左边区域（负的次应变）,DP钢、TRIP钢的试验结果与仿真结果吻合比较好。左边描述为一个固定的变薄应变作为一个成形极限。（4） 对1.2mm的板料，HSLA 350/450和DP 350/600的成形极限曲线相同。（5） TRIP钢、MS钢、TWIP钢等，这些钢的FLC曲线的确定和理论解释都比较困难，需要进一步的研究。剪切边拉延极限（1） 剪

50、切拉延系数也成为局部延伸率，对零件的扩孔性能和拉伸翻边性能、弯曲性能有重要影响。（2） AHSS钢微观结构组织的更改，可以增加整体延伸率或局部延伸率。通常情况下不能满足两个延伸率都高。但是，两者增加或达到一个平衡状态是可能的。 成形模式不管是采用HSS或AHSS，设计者对零件采用的材料的成形性非常感兴趣。很遗憾的是，复杂零件成形时包含多种成形模式，与多种力学参数相关。同时，钢板尤其是AHSS钢板的成形性，不能由那种单一的变形模式确定。因此，AHSS与HSS的成形性，只能在单一的变形模式下进行比较。在本节中主要讨论了三种成形模式，拉延、拉深、碾压成形。.1 拉延随着拉延深度的增加，零件的硬化系数

51、n增加。当n增加时，如第节所讨论。（1） 材料拉延的极限可由FLC决定。（2） n增加时，在高的应力等级出现时，材料的应变比较均匀。在图2-6中可看出，DP钢与HSS钢相比，在较低应变下的n值比较大。因此，DP钢变形相比会均匀一些。零件为完全的拉延变化模式的设计者采用AHSS时会受益，因为采用高强度钢后材料变形比较均匀。这些变形如局部涨形，特征线，或其它需要局部变形比较大的特征，如图2-21所示。最大应变降低，会减少这些部分发生开裂的可能性图2-21 由平头或球头冲头导致的拉延应变超过2%后，瞬态n值变小，见图2-6。此时的n值与传统HSS相近。因此，同等屈服强度的HSLA的FLC曲线，可用作

52、DP钢的FLC曲线。在经过预变形的板料，如局部凹凸台或其它几何特征。由于AHSS较高的加工硬化速度，经过前期变形的板料的后续成形性可能与普通钢有比较大的区别。TRIP钢n值，在整个应变范围内都比HSS的n值高，见图2-8。高的n值，意味着能避免材料在一些设计特征部位过度的应变集中。高的n值，也意味着有高的FLC，见图2-16，例如，TRIP 350/600的成形极限曲线与软钢的近似。在拉延成形中，相比DP钢、HSLA钢等，TRIP钢有一些其它优势，比如，在高应力区域，应变容易出现集中，导致材料中残余奥氏体转为马氏体，这进一步增加变形部位的强度，使该部位的变形重新分布，应变减少。高n值和相变效应

53、，可在LDH试验中体现，结果如图2-22所示。试验中板料的材料参数是：TRIP 399/614 均匀变形延伸率=26.3%，整体延伸率=35.3%HSLA 413/564 均匀变形延伸率=16.9%，整体延伸率=27.5%试验中板料上涂了常用的防磨损油，采用一个锁止拉延筋，直径165mm，TRIP出现裂纹的高度要要高一些。图2-22 TRIP钢、HSLA钢的LDH值采用图2-22同样的试验设备和钢板，冲头行程由50mm改为25mm，这时测量的厚度方向上的应变见图2-23所示。这说明，TRIP钢有更强的抵抗板料局部变薄的能力。图2-23 在同样高度下TRIP钢的局部变薄程度低一些当屈服应力和抗拉

54、强度增加时，球形拉延试验结果显示，其拉延能力下降。图2-24 LDH试验（除MS钢1.5mm，其它均为1.2mm）材料的可拉延程度，与模具设计、润滑以及很多其它因素相关。计算机仿真可用于分析用AHSS替代HSS钢后的特别优势。.2 圆筒拉深典型深拉延如图2-25所示，可定义四周拉深或圆筒拉深。法兰面上的材料受到四周的拉伸，法兰面上板料向模腔中移动。除了圆筒件，还有一些零件方形盒角落，或者封闭的一些闭口零件。图2-25 圆形板料冲压成圆杯（周向拉延、深拉延，杯状拉深变形模式）影响板料拉深性能的参数时是各向异性参数rm,当该值大于1时，极限拉深系数（LDR）就大一些。极限拉深系数是指在第一次拉深中

55、板料直径与最大允许的凸模直径的比值。LDR对材料的强度和n值影响不敏感。抗拉强度超过450MPa的钢和热轧钢的rm值接近1，LDR平均在2左右。DP钢的LDR与HSS的LDR值基本相同。但TRIP钢的LDR稍大一些。由于TRIP钢的相变受变形模式影响（图2-26），在压缩翻边区域，转化为马氏体的量没有在圆筒壁平面应变上的转化量多。法兰面上与侧壁上马氏体转换的差别，使侧壁的强度高一些，增加了LDR值。图2-26 杯壁上的强度比法兰上的强度增加多一些，因为转化为马氏体的量多一些除了上面提到TRIP钢的LDR的试验值，其它钢板的LDR试验值见图2-27所示。图2-27 软钢、DP和MS钢的试验LDR

56、值LDR的绝对值与试验中的润滑、压边力、模具半径等其它系统因素相关。.3 弯曲通常弯曲的变形模式是绕一条轴线形成一定的曲率，如图2-28所示，在弯曲方向，应变由外层受拉，到中性层，到内层受压。在弯曲轴方向上的没有应变（平面应变）图2-28 典型的三点弯曲模式，外层纤维受拉，内层受压，中间有一个中性层当整体延伸率大一些的时候外部纤维能够受拉的程度会大一些，使允许的弯曲半径减小。对同一板厚的材料，由于强度的增加会导致整体延伸率的降低，最小弯曲半径也会大一些，如图2-29所示。图2-29 当材料的整体延伸率降低时，允许的最小弯曲半径（r/t）增大同等强度，AHSS的延伸率比HSS高。见图2-2，2-

57、3。DP钢和TRIP钢中，包含非均匀的软铁素体和硬的岛状马氏体。这种结果在加工硬化中的整体延伸率比较大，按常理可达到更小的弯曲半径。但是，这种变形模式中可使变形集中在硬向周围，导致比较低的局部延伸率（见图2-20）。DP，TRIP钢在弯曲时，造成弯曲半径上的局部裂纹，都是因为局部延伸率低下所导致的。.4 碾压成形碾压成形中使平板金属逐渐弯曲成特定形状。每个弯曲过程可由几套碾压模具构成，这样可减少应力集中和补偿回弹。碾压成形适合于成形一些几何形状复杂的AHSS零件，尤其是整体延伸率低的零件，比如MS。碾压成形可成形具有下面特征的AHSS零件（1） 不同微观结构、力学性能的半径。（2） 回弹补偿不

58、需要特别复杂的零件（3） 比较小的弯曲半径。这与材料力学性能和厚度有关（4） 与普通钢相比，减少成形工步。但碾压轮和机架上的作用力要大一些。经验显示这个力与强度成线形关系，但与厚度成平方关系。碾压模设计时要考虑机架的强度，以避免机架的弯曲变形。采用由6个站台的U型零件碾压成形模，可以得到不同钢板的最小弯曲半径和回弹量，见图2-30所示。图2-30 碾压成形与普通弯曲的最小弯曲半径（板料：MS 1050/1400 2mm）碾压的内最小半径主要与材料的抗拉强度和厚度有关系，图2-31，碾压比普通弯曲有更小的弯曲半径。图2-31 不同钢在弯曲和碾压成形中能成形的相对弯曲半径影响零件回弹的因素主要有弯

59、曲半径、板厚和零件的屈服应力。这些因素对回弹的影响见图2-32所示。当抗拉强度和弯曲半径增加时，回弹角增加。图2-32 抗拉强度和弯曲半径增加时，回弹角增加碾压成形能够控制弯曲应变，减少零件的回弹，如图2-33所示。图2-23 三种不同强度钢的成形，它们的回弹基本一样.5 关键点拉延（1） DP钢在小应变时比TRIP钢的n值高，这使材料均匀变形的能力稍强一些。允许的几何局部特征更苛刻一些。与HSS相比，DP钢的FLC并不会更高。（2） TRIP钢的n值在整个应变范围内都比较大，使材料应变均匀一些，材料出现应变集中，过度减薄的机会小一些。并且，FLC高一些，能够允许更大的应变。（3） 同软钢相比

60、，由于HSS和AHSS的拉延性能比较有限，这使零件设计、改变材料的变形模式，采用预成形、润滑的选择和其它工艺设计都非常重要。拉深（1） 因为HSS钢和DP钢的rm值约为1，它们的LDR值在2左右。（2） 由于侧壁转化为马氏体的量比法兰面上多一些，TRIP钢的LDR值比2稍大。弯曲（1） 对同一厚度，增加强度时延伸率降低，使材料允许的最小弯曲半径降低。（2） 同等强度下，AHSS比HSS有更高的延伸率（3） 碾压能使各种强度的钢板成形。（4） 碾压中采用过弯曲方法补偿回弹，不需要特别的模具。 模具设计高强度钢零件模具设计的两个基本问题是：（1） 薄板成形需要更大的力（2） 针对回弹补偿的需要，模

61、具上需要附加一些特征。.1 模具材料一般情况下，目前选择模具材料的方法也适合于AHSS钢成形模具。但是，这些钢强度的增加，模具材料上受到成比例增加的载荷。AHSS的硬度可比软钢的硬度高4-5倍。部分原因是这些钢的结构包含马氏体相，具有高的强度，对MS钢，马氏体基体的抗拉强度可达到1700MPa。AHSS成形力的增加，需要注意模具材料的规格，有下面三个基本问题（1） 为了防止模具结构的失效，需要保证模具结构的刚度和韧性。（2） 为了减少模具表面的磨损，需要更为坚硬的模具表面。（3） 模具表面粗糙度。拉深模具的使用寿命和性能，主要取决于维护期间允许的磨损、擦伤量。选择模具材料时，影响模具材料规格的主要因素包括：（1） 板料：强度、厚度、表面涂层（2） 模具：结构、加工性能，半径大小，表面抛光（3） 润滑（4） 每个零件成本选择模具时一定要清楚AHSS的性能。首先，是屈服强度，这是整个板料中最小的强度。其次，强度的增加量，这对成形中应变比较大的模具非常重要。这两个因素共同作用，可能使模具上局部载荷增加。这些局