冷轧薄板加工硬化指数及塑性应变比的测定及分析

冷轧薄板加工硬化指数及塑性应变比的测定及分析 黄微涛 向浪涛 张丽萍 （重钢股份公司钢研所) 摘 要： 测定重钢生产的 St14/SPCE 的 n 值、r 值，对试验结果进行分析，研 究 n 值、r 值在整个应变区间的变化趋势。 关键词：深冲薄板 n 值 r 值 SPCE St14 Measurement and Analysis of Working-hardening Index and Plastic Strain Ratio for Deep Stamping Sheet Abstract: Measure the n and r of St14/SPCE produced by Chonggang Steel co.LTD, analysize the values, research the variation trend of n and r in the whole strain interval. Keywords: Deep stamping sheet, n, r, SPCE St14 前言 众多研究表明，断后宽度缩减率、冲压开裂率、极限深拉比、孔径伸长率是表征材料 深冲塑性的主要指标。同时薄板材的加工硬化指数（n 值） 、塑性应变比（r 值）又与以上 指标有着良好的对应关系：随着 r 值的增加，断后宽度缩减率也明显增加，而冲压开裂率 明显降低；n、r 值越大，汽车专用板材的深冲性能越好，极限深拉比越高；孔径伸长率伴 随着 r 值的增加而提高 1。 公司冷轧薄板厂在开发 SPCE、St14 深冲板初期，因缺少必要的检测手段未能开展 n、r 值的有关研究，常出现产品冲压性能不稳定，成型性能较差，并伴随出现冲压开裂的 质量异议。为此，钢研所与薄板厂共同确定了在钢研所补充少量的检测手段，将 n 值、r 值的测定工作开展起来，这为深冲薄板的 n、r 值的研究创造了必要条件。 1 试验原理 1.1 塑性应变比 r 值 对试样进行拉伸实验，测试制定塑性应变水平下长度和宽度变化，应变水平应超过屈 服延伸阶段，并低于最大力时的塑性应变量。在单轴拉伸应力作用下，试样宽度方向真实 塑性应变和厚度方向真实塑性应变的比为 r 值。即 r= / （1）ba 式中 ( / )，为宽度方向真实塑性应变； =( / )，为厚度方向真实塑性b0 a0 应变。由于长度的变形量比厚度的变形量测量更容易、更精确，在塑性变形深长量不超过 最大力对应的塑性伸长量 范围内，由体积不变原理得到下式计算 r 值。gA r=( / )/( / ) （2）b00Lb 式中 为试样进行制定应变后的标距、 为试样进行制定应变后的宽度、 为试样原L 0L 始标距、 为试样原始宽度 2。0b 1.2 应变硬化指数 n 值 试样在均匀塑性变形范围内以规定的恒定速率轴向拉伸变形。用整个均匀塑性变形范 围的应力应变曲线，或用均匀塑性变形范围的应力应变曲线的一部分计算拉伸应变硬 化指数 n 值。在单轴拉伸力作用下，真实应力与应变数学方程式中的真实应变指数可表示 为 （3）nk 式中， 为真实应力， 真实应变 3。 2 试验方法 试验材料确定为 SPCE、St14 钢种上，原料厂家为八钢和攀钢，产品厚度主要为 1.0mm 和 0.8mm。 图 1 应力应变曲线 注：曲线 1 为长度方向应变，曲线 2 为宽度方向应变。 此外，为比较材料塑性应变的各项异性情况，需要测定与轧制方向成 0、45、 90方向试样的 r、n 值。 采用单轴拉伸试样方法，利用横向、纵向引伸计对试样宽度、长度方向应变进行测量， 并自动绘制材料的应力应变曲线，如图 1。在均匀塑性变形阶段下，根据引伸计采集到 的试样达到规定应变下数据，利用 n、r 值计算公式，自动计算出不同应变下的 n、r 值， 以评价材料的成型性能。 3 测定结果及分析 3.1 试样宽度精度的影响 由于采用引伸计进行测定，试样的宽度精度对测试结果影响明显，具体见表 1，从表 中数据可发现，当标距内试样宽度有差异时，r 值差别较大，n 值基本不变化。当试样宽度 在 0.2mm 波动范围， 不同变形量下 r 值波动范围从 0.214 到 0.899，说明试样宽度的波动 对材料塑性应变比的测试结果影响明显，而对加工硬化指数 n 值基本无影响。 表 1 试样宽度精度与 n、r 值的关系 试样方向 钢号 厚度/mm 宽度/mm r3% r5% r8% n15-20% 90 St14 0.8 12.8 2.259 2.221 2.801 0.232 90 St14 0.8 12.9 2.045 2.033 2.029 0.232 90 St14 0.8 13.0 2.172 1.978 1.902 0.235 波动范围 0.214 0.243 0.899 0.003 因此，在现有设备条件下，采用集中加工，提高剪切精度、减少磨床加工余量的方法， 以减小宽度偏差，提高试样宽度精度。从对宽度的测试情况来看，宽度 12.5mm 试样，实际 宽度控制在 12.7-13.0mm。 3.2 试样厚度的影响 取相同方向，以 0方向为例，不同厚度的 SPCE 试样比较其 r、n 值的差异，见表 2。 从表中看出，同宽度下厚度从 0.8mm 增大到 1.0mm，相同变形量下的 n、r 值均出现不同程 度降低。 表 2 厚度与 n、r 值的关系 试样 方向 钢号 厚度 /mm 宽度 /mm r3% r5% r8% r10% r15% r20% n15-20% 0 SPCE 0.8 12.7 1.744 1.831 1.817 1.804 1.762 0.924 0.240 0 SPCE 0.8 12.7 1.631 1.780 1.831 1.827 1.768 0.957 0.257 0 SPCE 0.8 12.8 1.842 1.914 1.894 1.877 1.836 0.984 0.248 0 SPCE 0.8 12.8 1.769 1.828 1.810 1.787 1.717 0.938 0.245 平均值 1.781 1.841 1.845 1.830 1.774 0.960 0.250 0 SPCE 1.0 12.8 1.709 1.757 1.772 1.761 1.709 0.937 0.244 0 SPCE 1.0 12.8 1.722 1.760 1.808 1.805 1.709 0.936 0.232 0 SPCE 1.0 12.8 1.762 1.788 1.786 1.767 1.709 0.937 0.240 平均值 1.731 1.768 1.789 1.778 1.709 0.937 0.239 3.3 试样方向的影响 取相同厚度，不同方向 St14 试样比较其 r、n 值的差异，见表 3。从表中看出：相同 厚度、相同变形量下，r 值在 90方向上高于 0方向， 45方向最小；n 值在 90、 45、0方向基本相等。 表 3 试样方向与 n、r 值的关系 试样 方向 钢号 厚度 /mm 宽度 /mm r3% r5% r8% r10% r15% r20% n15-20% 0 St14 0.8 12.7 1.744 1.831 1.817 1.804 1.762 0.924 0.240 0 St14 0.8 12.8 1.942 1.914 1.894 1.877 1.836 0.984 0.248 0 St14 0.8 12.8 1.769 1.828 1.810 1.787 1.717 0.938 0.245 平均值 1.818 1.858 1.840 1.823 1.772 0.949 0.244 45 St14 0.8 12.8 1.125 1.257 1.547 1.588 1.352 0.921 0.241 45 St14 0.8 12.8 1.137 1.356 1.621 1.572 1.371 0.932 0.235 45 St14 0.8 12.8 1.203 1.377 1.588 1.593 1.324 0.905 0.238 平均值 1.155 1.330 1.583 1.584 1.349 0.919 0.238 90 St14 0.8 12.9 2.063 2.139 2.194 2.208 2.150 1.098 0.234 90 St14 0.8 12.9 1.933 1.945 1.965 1.975 1.969 1.034 0.232 90 St14 0.8 12.9 2.039 1.981 1.980 1.954 1.954 1.030 0.231 90 St14 0.8 12.9 1.946 1.968 1.977 1.989 1.972 1.036 0.232 平均值 1.997 2.008 2.029 2.032 2.011 1.050 0.232 3.4 变形量对 r 值的影响 取不同宽度、不同厚度、不同方向的试样，分别取变形量在 3%、5%、8%、10%、15%、20%下进行了 r 值测试，得到的结果如表 4、图 2。 表 4 变形量与 r 值的关系 组 号 试样 方向 钢号 厚度 /mm 宽度 /mm r3% r5% r8% r10% r15% r20% A 90 St14 0.8 12.9 1.946 1.968 1.977 1.989 1.972 1.036 B 0 St14 1.0 12.8 1.709 1.757 1.772 1.761 1.709 0.937 C 0 St14 0.8 12.7 1.631 1.78 1.831 1.827 1.768 0.957 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 3% 5% 8% 10% 15% 20% 变 形 量 r值 A B C 图 2 r 值与变形量关系图 从图形走势来看，r 值随着变形量增加，逐渐增大，当变形量为 8%-10%的时候，r 有最大值，此后 r 值开始减小，变形量为 15%-20%时，r 值急剧降低，当变形量为 20%时， r 值降低为最大值的 50%左右。而通常的汽车专用板材 r 最大值在变形量 15%-20%时出现， 这说明我们生产的深冲薄板能够承受的最大变形量较小，一般在 8%-10%附近。 4 结 论 （1）试样的宽度精度对试验测定结果影响较大，制取试样要尽量提高精度。 （2）检验的冷轧薄板 r 值随着变形量增加，逐渐增大，当变形量为 8%-10%的时候，r 有最大值，此后 r 值开始减小，变形量为 15%-20%时，r 值急剧降低，当变形量为 20%时， r 值降低为最大值的 50%左右。