汽车用DP钢与TRIP钢的成型性能试验研究
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双相钢和相变诱导塑性(TRIP)钢引言节省燃料和保证安全的要求是高强度钢在汽车工业中的应用稳步增长的驱动力。
与其它材料,如轻金属铝、镁,或是塑料和复合材料相比,高强度钢除了减轻重量外,还有另外的优点,即其加工工艺类似于传统的低碳钢。
因此,高强度钢在减轻重量的同时其总的制造成本也下降。
其它竞争材料在这方面的情况则截然相反(1)。
根据强度和成形性的不同要求,采用不同的高强度带钢和薄板钢。
以无间隙原子钢为基础的高强度钢具有优异的冷成形性能(2)。
当深冲作为主要加工方法,而抗拉强度要求约400N/mm2时,低碳含磷钢和烘烤硬化钢得到大量应用。
如果对深冲性的要求不很严格, Lankford值r 1.0左右足够时,可以使用更高强度级别的钢种。
和微合金带钢和薄板钢应用的同时,具有双相显微组织的钢种(3)的应用也相当普遍。
这种类型钢在同等抗拉强度时具有较高的均匀延伸率和总延伸率,如图1所示(4)。
但如果从同等的屈服强度来考虑,这种优势消失。
特性及工艺路线双相显微组织指在铁素体基体上分布着一定量的第二相。
该组织具有网状、弥散和两相组织的特征,如图2(5)。
第二相通常是马氏体,其典型的体积分数约为20%。
这样的显微组织构成影响应力一应变曲线。
屈服强度由软相即铁素体的塑性流变的起动所决定。
在此阶段,硬相还处于弹性区。
根据两相组组织的混合规律,当施加的应力较高时,材料显示较高的加工硬化行为。
两相中应变的分布是不一样的,以致于软相中的应变和硬相中的应力高于复合体平均值。
即使在变形的稍后阶段硬相变成塑性时,这种现象仍然存在。
这样复杂的情况的示意图如图3所示。
应用有限元的方法,可以计算出最终力学性能(6)。
显微组织的详细分析表明,双相钢也包含有一定量的残余奥氏体。
由于铁素体组分内部拉应力较低(7),这也导致相对低的屈服强度。
生产这种80%铁素体加上20%马氏体显微组织的常规步骤是重新加热至两相区α+γ,加热的温度应为根据平衡图形成20%奥氏体的温度。
QP和DP钢面内成形性能与边部成形性能对比研究袁志鹏;牛超;束祺成【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2024(16)6【摘要】目的以宝钢生产的QP980、QP1180、DP980、DP11804种典型超高强钢材料为研究对象,进行QP、DP钢种材料面内与边部成形特性对比分析。
方法采用单向拉伸设备以及成形试验机,并结合DIC分析技术,对4种材料的力学性能、面内成形性及边部成形性进行试验研究。
结果与DP钢相比,同等强度级别QP钢的均匀延伸率及加工硬化系数均明显更高。
在面内成形应变状态下,同等强度级别QP钢极限成形深度均明显大于DP钢的,但主、次应变大小差异不大。
在边部成形应变状态下,同等强度级别QP、DP钢极限成形深度以及主、次应变大小均差异不大。
QP、DP钢面内成形最大主应变均明显大于边部成形最大主应变。
结论与同强度级别DP钢相比,QP钢具有更高的均匀延伸率及加工硬化系数。
QP钢材料的加工硬化系数高,材料内部协同变形能力强,面内成形性能明显优于DP钢材料的,但两者的边部成形性能差异不大;QP、DP钢材料能承受更大的面内主应变,受边部加工硬化及毛刺的影响,冲裁后,边部应变明显降低,在QP、DP超高强钢零件设计制造过程中,应尽可能避免边部发生较大的变形。
【总页数】7页(P115-121)【作者】袁志鹏;牛超;束祺成【作者单位】宝山钢铁股份有限公司研究院;汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢)【正文语种】中文【中图分类】TG306【相关文献】1.汽车用第三代高强度钢QP980冲压成形性研究2.汽车外板用DP钢与BH钢的成形性能对比研究3.580DP与700DP热轧双相钢的力学性能与成形性能4.QP980高强钢前纵梁后段零件冲压成形性分析5.基于响应面法的DP800车用高强钢激光-电弧复合焊接焊缝成形研究因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
DP钢与TRIP钢的组织性能介绍姓名:亓博丽学号:1104240579一、DP钢:双相钢(Dual Phase Steel)1、简介双相钢是指低碳钢或低碳合金钢经过临界区热处理或控制轧制工艺而得到的主要由铁素体(F)+少量(体积分数<20%)马氏体(M)组成的高强度钢。
一般将铁素体与奥氏体相组织组成的钢称为双相不锈钢,将铁素体与马氏体相组织组成的钢称为双相钢。
2、化学成分双相钢在化学成分上的主要特点是低碳低合金。
主要合金元素以Si、Mn为主,另外根据生产工艺及使用要求不同,有的还加入适量的Cr、Mo、V元素,组成了以Si-Mn 系、Mn-Mo系、Mn-Si-Cr-Mo系、Si-Mn-Cr-V系为主的双相钢系列。
(1)硅在双相钢中主要起净化铁素体,增加奥氏体稳定性以及固溶强化的作用。
硅对马氏体形成的形态和分布也有明显影响,高硅双相钢容易得到呈纤维状分布的马氏体,这有利于双相钢力学性能的改善。
(2)锰为扩大γ相区元素,起到稳定奥氏体的作用。
由于Mn的添加将降低Ac1,和Ac3,因此含锰钢在同样的处理条件下将比低碳钢得到更高的马氏体体积分数。
(3)合金元素铬可增加奥氏体淬透性,降低铁素体的屈服强度,有利于获得低屈服强度的双相钢。
(4)元素铝可以使铁素体从奥氏体中析出并增加奥氏体的稳定性,对珠光体的形成具有强烈的阻碍作用,有利于在实际生产中控制工艺参数。
(5)铌是目前应用较多的合金元素之一,双相钢中铌的添加可在热轧和奥氏体转变为铁素体的过程中延迟静态和动态再结晶,进而细化铁素体和淬火后的马氏体晶粒,提高双相钢的强度同时改善其塑韧性。
(6)V和Ti是强碳化物形成元素,由于其容易和C, N原子结合生成二次相,故可以起到细化晶粒,强化基体的作用。
3、性能指标由于双相钢的显微组织具有细化晶粒、晶界强化、第二相弥散强化、亚晶结构及残留奥氏体利用等强韧化手段,而使得双相钢综合性能优良,表现在其既具有高的强度又具有良好的韧塑性。
车用高强度TRIP钢的性能及其成形工艺目前,我国已成为汽车产销量的第一大国,随着汽车产量和保有量的增加,油耗、安全和环保已成为亟待解决的三大问题,除提出相应的法规进行约束外,各国汽车工业界认为,汽车轻量化是解决以上问题的有效手段,这是因为减轻汽车的质量可减少能源消耗和温室气体排放。
研究表明,汽车约75%的油耗与整车质量有关,汽车质量每下降10%,油耗下降8%。
对商用车的研究表明,汽车质量每减少1000公斤,油耗可下降6~7%,油耗的下降表明CO2、NOX等有害气体排放减少。
另外,汽车质量的减少,会降低动力和动力系统的负荷,提高行驶的平稳性和舒适性,因此需要提高汽车用钢板的强度、刚度和塑性,以尽量减轻汽车板的厚度和用量。
TRIP钢具有良好的强度,同时也具有良好的塑性,目前国内外大量用于生产汽车板和其他汽车零件。
国内外工业生产用TRIP钢的抗拉强度主要有600MPa和800MPa规格的,此外,1000MPa以上级别的TRIP钢也正在研制。
由于TRIP钢在热成形过程中会发生相变诱发塑性和形变诱发马氏体相变,所以热成形工艺参数、温度、变形速率、冷却速度等都会影响到成形后工件的组织和性能。
相变诱发塑性Q345B无缝管 bd钢通常为多相组织,由铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相组成。
TRIP效应是钢中的残余奥氏体在产生应变时转变为马氏体,从而提高了塑性,达到了强韧化的目的。
TRIP钢的特征归纳为:强度高、韧性大,具有良好的成形性,加工硬化指数较高,疲劳强度高,成形后烘烤硬化性能强,加工硬化指数高,受冲击时吸收能量较高。
由于Q345B无缝管钢中具有足够的残余奥氏体量,具有TRIP现象,即当制件受到外加应力冲压变形时,在应力集中区域的残余奥氏体转变为马氏体,使该区域的强度得到提高。
这种变化延迟了该区域的进一步变形,因而使均匀伸长率和总伸长率数值升高,提高了钢的塑性和强度,满足了汽车形状复杂零件成形和安全的要求。
TRIP钢良好的性能是残余奥氏体应变诱发相变和铁素体基体相共同作用的结果,因而在热成形连续冷却过程中需要控制工艺参数和铁素体的体积分数。
trip钢研究的现状与发展导言:trip钢是一种具有优异性能的高强度钢材,广泛应用于汽车、航空航天和建筑等领域。
本文将介绍trip钢的研究现状,探讨其未来的发展方向。
一、trip钢的定义和特性trip钢,即"Transformation Induced Plasticity"钢,是一种具有多相组织结构的高强度钢材。
其特点是在塑性变形过程中,通过相变反应产生的残余奥氏体转变,使材料具有较高的延展性和韧性。
二、trip钢的研究现状1. 组织结构研究trip钢的组织结构对其性能具有重要影响。
目前,研究者们通过调控合金元素的含量和热处理工艺等方法,实现了trip钢中奥氏体相和马氏体相的精确控制和优化,进一步提高了材料的强度和塑性。
2. 相变行为研究trip钢在塑性变形过程中的相变行为对其性能具有重要影响。
研究者们通过实验和模拟方法,深入研究了trip钢中的相变反应机制和相变动力学规律,为进一步优化材料的性能提供了理论基础。
3. 性能评价和应用研究为了评价trip钢的性能,研究者们通过拉伸试验、冲击试验等方法对其力学性能进行了详细测试。
同时,trip钢在汽车轻量化、航空航天结构和建筑工程等领域的应用也得到了广泛研究,取得了一系列重要成果。
三、trip钢的发展方向1. 优化组织结构进一步优化trip钢的组织结构,提高其强度和塑性。
通过微合金化和热处理等方法,实现奥氏体相和马氏体相的精确控制,提高材料的性能。
2. 开发新型合金元素研究者们可以通过添加新型合金元素,如微量的稀土元素和纳米颗粒等,来改善trip钢的性能。
这些合金元素能够影响材料的组织结构和相变行为,进一步提高其力学性能。
3. 模拟和预测方法的改进通过改进模拟和预测方法,可以更准确地预测trip钢的组织结构和力学性能。
这将有助于指导材料设计和工艺优化,提高trip钢的应用性能。
4. 拓展应用领域除了汽车、航空航天和建筑领域,trip钢还有很大的应用潜力。
汽车用DP钢与TRIP钢的成型性能试验研究*余海燕高云凯(同济大学)【摘要】通过金相试验、单向拉伸试验、成型极限试验、圆筒件拉深试验,对600MPa强度级别的DP钢和TRIP钢的基本力学性能、冲压成型性进行了比较分析,并对其焊接性能和碰撞吸能特性进行了讨论。
结果表明,与DP钢相比,TRIP钢具有更好的塑性以及高强度、高加工硬化能力、较好的深拉延成型性和吸能特性,而DP钢具有相对较好的焊接性能。
但与常规低碳钢板不同的是,TRIP钢圆筒件最大减薄出现在法兰圆角区。
主题词:双相钢相变诱发塑性钢冲压成型中图分类号:TG113文献标识码:A文章编号:1000-3703(2008)04-0051-04ExperimentalInvestigationonFormabilityforDPSteelandTRIPSteelUsedinAutomobileYuHaiyan,GaoYunkai(TongjiUniversity)【Abstract】Bymetallographictest,unilateraltensiletest,forminglimittestandcylinderpartsstretchingtest,mechanicalpropertiesandformabilityforDP600andTRIP600steelhavebeenanalyzedandcompared,Weldingandcrashenergy-absorptionperformancewerealsodiscussedinthepaper.TheresultsshowedthatTRIPsteelhadbetterplasticity,higherstrength,highermachininghardeningability,betterstretchingformabilityandenergy-absorptioncharacteristicthanDPsteel,whereasDPsteelhadbetterweldingperformancethanTRIPsteel.ItdemonstratedthattheflangefilletisthethinnestsectioninthecylinderpartofTRIPsteel,whichisdifferentfromconventionallowcarbonsteels.Keywords:Dual-phasesteel,Transformationinducedplasticsteel,Sheetmetalformability1前言随着节能减排要求逐渐严格和汽车制造技术的发展,越来越多的高强度钢板被用于汽车结构件和覆盖件的制造。
汽车用高强度钢板有烘烤硬化(BH)钢、含磷强化钢、双相(DP)钢和相变诱发塑性(TRIP)钢等。
与其它高强度钢板相比,DP钢和TRIP钢都具有高强度和良好韧性的优点,是汽车轻量化的理想材料。
目前,DP钢在汽车上的应用比TRIP钢广泛。
如通用公司和福特公司用DP钢制造轮辐[1];意大利特科赛德公司用DP钢制造菲亚特汽车车轮[2];我国东风汽车公司采用540MPa强度级别DP钢生产EQ140汽车车厢横梁[3],使钢板厚度由原来的3.5mm减薄至3.0mm;宝钢产厚2.75mm和4.0mm的热轧DP钢已成功用于北京吉普车上[4];上海大学与上海汇众汽车公司合作研制的DP钢用于轿车底盘中的减振支座壳体和减振盖上[5]。
TRIP钢也已成功应用于汽车车门防护杆、保险杠、纵梁等碰撞吸能件上[2,6]。
Ojima等人[7]对用590MPa强度级别的TRIP钢制的前底板侧梁、前侧梁内板和外板及加强板等零件进行了试冲试验,并且按欧洲标准对这些零件装配后进行了正面碰撞试验,试验结果表明,相关安全指标均满足要求,而且质量比采用340MPa强度级别的钢板减轻了10kg;宝钢也采用所研制的TRIP钢板成功冲压出国内某车型上的两个典型零件[8],零件减重达10%~20%;上海汽车集团和上海大学联合研究将宝钢产400MPa强度级别的TRIP钢应用于ISTANA客车横梁件上[4]。
DP钢和TRIP钢在力学性能和可制造性方面还存在一些差异。
为此,本文通过金相试验、单向拉伸试验、成型极限试验、圆筒件拉深试验,对600MPa强度级别的DP钢和TRIP钢的基本力学性能、冲压成型性、焊接性能、碰撞吸能特性等进行比较分[基金项目:国家自然科学基金资助项目(50705067);同济大学青年优秀人才培养行动计划资助项目(TJKJ021)。
析,以期为它们的应用提供参考。
2试验研究为了获得600MPa强度级别的DP钢和TRIP钢相关力学性能参数,进行了金相试验、单向拉伸试验及成型极限试验。
试验用材料为厚1.0mm的冷轧TRIP钢和厚1.6mm的冷轧DP钢,所有试样均采用线切割方法获得。
其中,金相试验腐蚀液采用2%的硝酸酒精。
单向拉伸试验按GB/T228—2002规范在ZwickRoell拉伸试验机上进行,标距为50mm。
成型极限试验按GB/T15825.821995进行,通过改变试样宽度和润滑条件来增加应变途径,以使获得的成型极限数据点分布均匀。
试样长度为180mm,宽度分别取180、160、140、120、100、80、60、40、20mm共9种。
随着宽度从180mm减小到20mm,应变状态也实现了从双向拉伸到平面应变再到单向拉伸的转变。
试验中采用超声波测厚仪来测量厚度,精度可达到0.001mm。
3试验结果讨论图1a和图1b分别为试验所得600MPa强度级别的DP钢和TRIP钢的普通光学金相照片,图1c为TRIP钢的扫描电镜(SEM)照片。
图1a和图1b中大块状组织均为铁素体,图1a中分布在晶界上的组织为岛状马氏体,图1c中分布在晶界上的组织为片状贝氏体和微粒状奥氏体。
DP钢中铁素体主要保证其具有一定的塑性,马氏体相则赋予其高强度;而TRIP钢中主要由贝氏体提高材料强度,提供塑性的不仅有铁素体,还有因残余奥氏体向马氏体相变而引入的塑性提高。
因此,DP钢与TRIP钢的塑性能力是不同的。
(a)DP钢普通金相组织照片(b)TRIP钢普通金相组织照片(c)TRIP钢扫描电镜照片图1600MPa强度级别的DP钢和TRIP钢金相组织照片图2为DP钢和TRIP钢经单向拉伸试验后得到的工程应力应变曲线,表1为相应力学性能参数。
图2试验所得工程应力应变曲线表1试验材料的基本力学性能参数由图2和表1可知:a.TRIP钢有明显的屈服平台,而DP钢则呈现连续屈服的特点,故DP钢具有低屈服点、高抗拉强度的优点。
b.TRIP钢的断裂伸长率高达37.1%,而DP钢的断裂伸长率只有23.8%,即相同强度级别的TRIP钢延伸性能显著优于DP钢。
c.TRIP钢具有较高的应变硬化指数n值,但DP钢具有较高的初始加工硬化能力,如图2中,当应变小于15%时,DP钢应力曲线明显高于TRIP钢。
因此,TRIP钢的均匀变形能力较强,有利于冲压成型较复杂的零件,而DP钢可用于生产早期成型有鼓包和褶皱的零件[1]。
d.DP钢的厚向异性指数r<1,而TRIP钢r>1,这说明在相同的变形下,DP钢比TRIP钢更易发生厚度方向的变形,而TRIP钢板拉裂的可能性和起皱趋向性降低。
图3为拉深后的TRIP钢成型极限试样,图4为获得的DP钢和TRIP钢的成型极限数据及其拟合曲线。
由图4可见:a.TRIP钢具有较高的FLD0(平面应变特征10μm10μmABC5μm试验材料σ0.2/MPaσb/MPaδ/%nrDP钢40465423.80.1590.864TRIP钢47265837.10.2321.0267006005004003002001000应力/MPa-0.050.050.150.250.350.45DP钢TRIP钢应变点)值,FLD0值反映了材料在平面应变状态下的极限变形能力。
根据塑性变形中主应变之和为零,平面应变变形中拉伸应变完全由板厚减薄来弥补,因此TRIP钢具有较好的极限变形能力。
b.在双向拉伸变形区域,TRIP钢的安全成型裕度比DP钢高。
所以,相同强度级别下的TRIP钢的冲压成型性优于DP钢。
图3拉深后的TRIP钢成型极限试样图4试验所得成型极限数据及拟合曲线图5为TRIP钢圆筒件拉深试验结果,其毛坯直径为200mm,压边力为120kN。
由图5可见,毛坯材料几乎全部流进模腔,拉深深度也达到了76mm。
图6为试验测得的法兰圆角区和底部圆角区第1主应变和第2主应变分布。
(c)底部圆角局部放大图5600MPa级别的TRIP钢圆筒件拉深试验结果由图5b和图5c可看出,法兰与筒壁的圆角处网格畸变非常严重,而筒底部圆角网格变形并不显著,图6中测得的应变也说明了这一点,法兰圆角区最大主应变已达到0.45,而底部圆角区最大主应变只有0.18左右。
按照塑性应变之和为零可得法兰圆角区厚向应变已达到-0.3左右,而底部圆角区厚向应变只有-0.15左右,也就是说法兰圆角区减薄比底部圆角减薄更严重。
这似乎与常规不同,因为底部圆角处于近似平面应变状态,此处拉伸所需的材料全部由厚度减薄来补充,故一般情况下此处易发生过量减薄。
而导致与常规情况有所差异的原因可能是因为TRIP钢的相变诱发塑性效应的作用。
有研究表明[9~11],残余奥氏体的相变与变形模式密切相关,在单向拉伸、双向拉伸和平面应变3种变形模式下,平面应变变形最有利于残余奥氏体的转变,且在压应力状态下残余奥氏体不能发生转变。
由于筒底圆角处变形近似为平面应变变形,故此处相变诱发塑性效应得到较大程度的发挥,应变硬化能力得到加强,变形得到较快转移,从而减缓厚度减薄;而法兰与筒壁处于压应力为主的变形状态,此处的相变诱发塑性效应并没有得到有效发挥,故此处厚度减薄较大。
图6实测法兰圆角区和底部圆角区应变4焊接性能钢板的焊接性能也是汽车选材的关键指标。
与普通低碳钢板相比,DP钢和TRIP钢在冶炼过程中加入了Si、Mn等元素,这些元素的存在使钢板焊接工艺性能下降,如焊接窗口狭窄、电极磨损剧烈、飞溅严重等问题相对突出[12~14],通常需要采用强焊接规范,即大焊接电流、短焊接时间。
图7为DP钢点焊试验中不同焊接点数下的电极及其焊点表面状态[13],可见在约200点时就出现了点蚀。
点蚀提高了其周围的电流密度和电极压力,导致其周围产生更严重的塑性变形和脱落,加速电极磨损。
电极磨损不仅影响电极寿命,而且严重影响了点焊质量的稳定性。
(a)电极0.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3应变法兰圆角区底部圆角区第1主应变第2主应变测点位置主应变-0.3-0.2-0.100.10.20.3次应变TRIP钢DP钢0.80.70.60.50.40.30.20.10(b)法兰与筒壁的圆角局部放大(a)TRIP钢圆筒拉深件(b)焊点表面状态图7DP钢在不同焊接点数下的电极与焊点表面状态文献[15]对TRIP钢的可焊性进行了试验研究,研究结果表明,焊接接头中心的硬度略高于基体硬度,但差异很小,而焊接热影响区硬度上升较明显。