（材料物理与化学专业论文）汽车轻量化高强度钢板成形性能研究.pdf

摘要当今汽车工业面临着来自于能源、环境和安全问题的巨大挑战。为了满足同趋严格的环保和节能要求，降低汽车燃油消耗、减少汽车有害物排放已成为业界的主攻方向，而减轻汽车自身重量又是汽车降低油耗和减少排放的有效措施之一。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。本文对d c 0 4 、d c 0 6 、d p 4 5 0 、d p 6 0 0 、b 1 8 0 h l 及m s 6 0 0 0 这几种典型的汽车用高强度铡板的成形性能进行了研究，通过单向拉伸试验得到高强度钢板的力学性能参数( a s 、o b 、肌 如、6 及屈强比等) ，并通过杯突试验得到评价高强度钢板胀形性能的指标腰值。结果表明，先进高强度钢板与传统低碳钢相比具有更加优良的力学性能和较好的成形性能；使用经验模型对高强度钢板的成形极限进行了预测，所得结果具有较强的实用价值；对高强度钢板的强化机制进行分析，根据其强化机理可以更好的预测其成形性能并指导实际生产；并对高强度钢板的加工硬化能力、烘烤硬化性能以及抗凹陷能力进行了研究，依据高强度钢板的性能特点将其应用于汽车覆盖件上取得了很好的效果并达到了车身减重的目的。通过对高强度钢板的金相组织进行观察，并对拉伸试样的断口形貌进行分析，进一步了解其强化机理和断裂机制。结果表明，高强度钢板优异的力学性能和成形性能归因于其特有的显微组织结构，另外通过显微组织形貌来评估高强度钢板成形性时应考虑其宏观变形情况，将二者结合起来共同分析其成形性能。利用d y n a f o r l t l 软件对高强度钢板的杯突试验进行了成形过程的有限元数值模拟，模拟结果与试验结果基本吻合，并尝试将高强度双相钢板d p 4 5 0 应用于汽车f - j ； b 板件，并对其冲压成形过程进行数值模拟，通过对工艺参数的调整，最终得到满意的结果。关键词：汽车轻量化；高强度钢板；成形性能；汽车覆盖件：有限元模拟a b s t r a c ta u t o m o t i v ei n d u s t r yi sf a c i n gg r e a tc h a l l e n g ef r o me n e r g yp r o b l e m ，e n v i r o n m e n t a lp r o b l e ma n ds a f e t yp r o b l e mt o d a y t h ed e c r e a s eo fv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o na n dt h er e d u c t i o no fn o x i o u se m i s s i o n sb e c o m em a i nt h r u s tt oa u t oi n d u s t r yi no r d e rt om e e tr i g i dr e q u i r e m e n ta b o u te n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m m o r e o v e r , l i g h t e n i n gv e h i c l e sb o d yw e i g h ti st h ef i r s ta v a i l a b l ea n de f f e c t i v em e a s u r et or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n c o n s e q u e n t l y , u l t r a l i g h ta u t o m o b i l ec o n t r i b u t e st oc o n s e r v a t i o no fe n e r g y , e m i s s i o nr e d u c t i o na n dt h ea c h i e v e m e n to ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y t h ef o r m i n gp r o p e r t yo fs i xt y p i c a lk i n d s ( d c 0 4 ，d c 0 6 ，d p 4 5 0 ，d p 6 0 0 ，b18 0 h1 ，m s 6 0 0 0 )o fa u t o m o b i l eh i g hs t r e n g t hs t e e li sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e r t h em e c h a n i c a lp r o p e r t y sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ( 以，t r b ，以，j g t ，y i e l dr a t i oa n ds oo n ) a r eo b t a i n e db yu n i a x i a lt e n s i l et e s t i n g i na d d i t i o n ，t h e ev a l u et h a te v a l u a t e sh i g hs t r e n g t hs t e e l se x p a n d i n gp r o p e r t yi so b t a i n e db yc u pd r a w i n gt e s t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e lh a sp r e f e r a b l em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n db e t t e rf o r m i n gp r o p e r t yc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm i l ds t e e l m o r e o v e r , t h ef o r m i n gl i m i to fh i g hs t r e n g t hs t e e li sp r e d i c t e db yt h ee m p i r i c a lm o d e l s ，a n dt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i cm o d e lf o rr e l a t i v i t yi so fp r a c t i c a lu s e f u i n e s s t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e dt h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so fh i g hs t r e n g t hs t e e l ，b yw h i c ht h ef o r m a b i l i t yc o u l db ep r e d i c t e d f u r t h e r m o r e ，t h ew o r kh a r d e n i n gc a p a c i t y , b a k e h a r d e n i n gp r o p e r t i e sa n da n t i - h o l l o wc a p a c i t yo fh i g hs t r e n g t hs t e e la r er e s e a r c h e d 硒w e l l t h er e s u l t sh a v es o m es i g n i f i c a n te f f e c t so nh i g hs t r e n g t hs t e e lf o r m i n gp r o c e s s ，a n dt h eh i g hs t r e n g t hs t e e li sa p p l i e dt oa u t o - b o d yp a n e lt oa c h i e v et h eg o a lo fl i g h t e n i n gt h ev e h i c l e sb o d yw e i g h t m o r ep a r t i c u l a rk n o w l e d g eo fs t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s ma n df r a c t u r em e c h a n i c si sg a i n e db yr e s e a r c h i n gt h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ea n df r a c t u r ea p p e a r a n c e t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n df o r m a b i l i t yo f h i g hs t r e n g t hs t e e ld u et oi t ss p e c i f i cm i c r o s c o p i cs t r u c t u r e t h em a c r o - f e a t u r eo ft r i a ls a m p l es h o u l db ec o n s i d e r e dw h e na s s e s st h ef o r m a b i l i t yo f h i g hs t r e n g t hs t e e l a tl a s t ，t h i sr e s e a r c ha l s om a d ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gf o rc u pd r a w i n gt e s to fh i g hs t r e n g t hb yd y n a f o r m r e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e s tr e s u l ti se q u a lt ot h es i m u l a t e dr e s u l t a n dt h e n ，h i g hs t r e n g t hd u a lp h a s es t e e l ( d p 4 5 0 ) i sa p p l i e dt ot h ec a ro u t d o o r t h es i m u l a t i o na n a l y s i sf o rf o r m i n gp r o c e s si sp e r f o r m e da n dt h ec o n t e n tr e s u l ti so b t a i n e db yc o r r e c t i n gt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：u l t r a l i g h ta u t o m o b i l e ；h i g hs t r e n g t hs h e e t ；f o r m a b i l i t y ；a u t o b o d yp a n e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l o g y独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨墨太至或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：弓瞻签字日期：如亨年陀月，7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁盗墨兰盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗墨墨盘望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：与情导师签名：咩僻签字日期：2 内g 年任月，7 日签字日期：渺腈，月，彦日第一章绪论1 1 课题的背景及意义第一章绪论当今社会面临着来自于能源和环境问题的巨大挑战，汽车工业也面临着同样的问题。我国的汽车工业是近年来发展最快的行业之一，特别是轿车，近年来以平均超过2 0 的增长率快速发展。2 0 0 6 年中国汽车产量达到6 0 0 万辆，2 0 0 7 年达到8 5 0 万辆，据预计2 0 0 8 年中国的汽车产量将突破千万辆，已成为继美、日之后的世界第三大汽车生产和消费国。汽车在给人们的生活带来便利的同时，也带来了交通拥挤、环境污染等诸多社会问题。因此，开发以油耗低和排放少为特征的“环境友好型汽车”成为了发展的趋势。研究表明，汽车轻量化是实现这一目标的主要措施，车重每减轻1 0 ，可节省燃油3 0 0 7 t i j 。但是，在过去的l o 多年当中，由于舒适、安全性要求的提高，同时混合动力和替代能源的推出都会给汽车带来额外的质量，汽车的质量在逐年增大 2 1 ，这显然不是我们所期望的。自第一次石油危机以来，汽车的轻量化研究工作就开始了，近几年来汽车轻量化的研究得到飞速发展，具有代表性的汽车轻量化项目有美国的p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ra n e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) 、欧洲的s u p e rl i g h t - c a r ( s u s t a i n a b l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e so fe m i s s i o nr e d u c e dl i g h tw e i g h tc a rc o n c e p t s ) 、国际钢铁协会组织的u l s a b a v c( u l t r a l i g h ts t e e la u t ob o d y a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t s ) 、阿赛洛钢厂的a b c ( a r c e l o rb o d yc o n c e p t ) 和蒂森钢厂组织的n s c ( n e ws t e e lc o n c e p t ) 等项目，这些项目的共同点是希望降低汽车质量的2 0 4 0 。这些项目的研究结果表明，钢铁仍然是汽车制造的主要材料，但其内涵却发生了很大的变化，即由原先的以软钢为主发展到以高强度钢板为主，结合相关的先进钢铁加工技术的使用，在实现汽车轻量化的同时，还提高了汽车车身的被动安全性和刚度等。钢铁企业为了抓住这个发展机遇，也将重点放在了开发高强度材料上。在新品种日益丰富的同时，高强度钢板的使用特性也越来越受到关注。高强度钢在抗碰撞性能、耐蚀性能和成本方面较其它轻型材料具有较大的优势，在汽车中的应用也逐年增加。其优良的成形性、抗凹性和碰撞特性将为汽车减重提供极大的潜力。图1 1 所示是u l s a b a v c 项目概念车身结构的钢材使用情况，从中我们可以看到多种先进的高强度钢板都被用于车身结构的制造。因此，通过使用高强度钢板以实现汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。第一章绪论n s b j 雌p t q i g v , , c ! k t b - s h 曲n_ ? 1 q *1 *6 、圉11u l s a b a v c 概念车身结构f i 9 1 1t h es t n l c t l l r e o f u l s a b - a v c c o n c e p tc 盯钢板的元素含量及分布、晶粒形态和大小、力学性能指标、形变织构的分布等特征性能共同影响和决定着其成形性能，为了工程应用上能准确评定高强度钢板的成形性能并制定合理的冲压工艺，园而需测定钢板的成形性能，但是基于这些特征性能之间存在的关联性和一致性。在考核时，没有必要把所有的特征性能逐一进行检测，只需要测试一些具有决定性和代表性的性能指标，就能比较准确地推断其他的性能并预测和判定其成形性能。当然，在确定检测项目时，应考虑钢板的种类、用途以及检测的可操作性等方面的因素。随着材料的高强度化，冲压成形时的缺陷问题增多，使成形困难。不管是从材料性能方面还是从冲压工艺方面都必须进行改善。因此，在研究开发和生产高强度钢板的同时必须对其成形过程建立起一套合理的、与钢种无关的统一评价方法。本课题旨在对几种典型的汽车轻量化高强度钢板性能进行研究，不仅为高强度钢板的成形工艺和技术发展提供重要的理论基础及试验依据，而且借助学科优势通过对材料变形前后的微观组织结构与成形性能之间关系的规律性研究，建立起成形中的起皱、开裂等成形缺陷问题评价系统，具有深刻的理论研究意义和广阔的工程应用前景。12 高强度钢板简介与研究现状1 2 1 高强度钢板的性能特性及应用采用高强度钢板的原因首先是改善汽车的安全和碰撞功能，现代汽车必须满足政府规定的各部分乘用空间的安全性尤其是正面碰撞和侧面碰撞的要求，虽然采用更大的质量和安装更多的安全装置和手段渤a b s ，空气气囊等池可使汽车更加安全，但与降低燃油消耗和排放相悖；为使汽车降低排放和具有更好的燃油经济性( 满足汽车燃油经济法规c a f e 的要求) ，就必须轻量化；采用高强度钢板，既可减少汽车质量，在降低燃油消耗的同时降低排放，又可提高汽车的安全性。为强化竞争能力，包括提高汽车的功能与使用户更为满意( 车辆操纵、噪音等) ，并使汽车制造成本下降，售价降低，就第一章绪论必然导致高强度钢的应用，这些正是应用高强度钢的驱动力。先进的高强度钢具有较低的屈强比；较好的应变分布能力；和较高的应变硬化特性；同时先进高强度钢的力学性能更加均匀，因而其回弹量的波动小，同时这类钢具有更好的碰撞特性和更高的疲劳寿命。这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成型性和低的平面各向异性等优点p 。因此采用这类钢具有更多的降低板厚、减薄规格的可能。各类钢的伸长率与屈服强度的关系示于图i2 。依据不同材料的工程应力应变曲线，我们可以掌握其具体的力学性能，如屈服强度的大小、初始加工硬化率的快慢等等。这些不同的钢种的工程应力应变曲线，是各钢种应用的重要依据之一，在后文中将会着重介绍。mi wh t 舢hi 卜一无间隙原子钢；m i l h 氐碳铝镇静钢；h s s i 卜高强度阼钢；b h 烘烤硬化钢：i s 一各向同性钢；c m n 一碳锰钢：h s l a 一高强度低合金钢：d p 双相钢；c 卜复相钢；t 砌p 相变诱发塑性铜；m a 卜马氏体钢：t w i p 一孪晶诱发塑性钢；s t a i n l e s r 不锈铜；bs t e e l 熟冲压用钢图12 各类汽车用板的屈服强度和伸长率的关系f i g l 0 r e l a t i o n s h i p b e t w i r l y sa n d e l o f v a r i o u ss h e e t s f o r a u t o m o b i l e作为车身外板常用板材规格为：06 5 10 m m ，铜类包括：烘烤硬化钢增磷钢，i f钢，其屈服强度为1 5 0 3 0 0 h 伊a 。并涂层处理：包括：电镀锌板( e g ) ，电镀锌合金板( e g a )热浸镀锌板( g d 和热浸镀锌合金钢板( g a ) 及冷轧板。汽车车身内板所用板材规格为：05 0 一l2 m m ：激光拼焊板坯为12 - - 2 0 r a m ；所用钢类为i f ，i f 超深冲钢，屈服强度1 2 0 - 3 0 0 m p a ，并涂层处理，热浸镀锌扳和热浸镀锌合金板。汽车车体的结构件，所用板材规格为o8 0 屯5 m m ，用钢种类为：h s l a 钢，烘烤硬化钢，固溶高强度钢( c - m n ) ，双相钢，相变诱发塑性钢( t r i p 钢) ，钢板的屈服强度为1 8 0 3 4 0 m p a 和3 4 0 5 5 0 m p a 。目前超高强度钢板在汽车上的应用正在扩大，包括屈服强度大于8 0 0 - 1 0 5 0 m p a 的多相钢，通过合金化和控轧、控冷得到职相钢和t k i p 钢，以使具有高的伸长h 值和延展翻边成形性，这类钢板焊接较困难：另一类为热处理钢板( 非涂层的冷轧与热轧板1 连续退火钢板，成形后热处理板材；第三类为：回复退火钢包括保险杠增强体，侧边防冲撞柱；第四类为淬火硬化钢( 侧边防冲撞柱) ；第五类为马氏体级钢，用于门粱和侧边防冲撞柱。汽车板材的发展趋势是：汽车外板用较高强度的烘f * g 第一章绪论烤硬化钢和烘烤硬化双相钢，汽车内板用烘烤硬化钢；其他结构件用较高强度的烘烤硬化钢，双相钢5 0 0 6 0 0 ，双相钢7 8 0 8 0 0 ，双相钢9 8 0 10 0 0 ，t r i p 钢6 0 0 8 0 0 ，复相钢8 0 0 1 0 0 0 ，2 0 0 2 年后高强度钢的应用迅速增长。高强度钢在不同车型的车身结构件上的应用比例列于表1 1 。表1 - 1 高强度钢在车身结构材料中的应用比例t a b l ei - la p p l i c a t i o no fh i g hs t r e n g t hs t e e li nt h ea u t ob o d y车身结构类型中用材比例用材2 0 0 0 年普通车型2 0 0 3 年超轻钢车体2 0 0 3 年超轻钢车体先进概念车软钢8 07高强度钢2 08 53 6超高强度钢86 4钢制零件替代铝合金和镁合金零件的例子列于表1 2 ，表中资料也显示了几种轻合金材料在汽车中应用时的竞争的例子。表1 3 所出为国际钢铁协会的超轻钢车身一先进概念车( u l s a b a v c ) 的用材情况和比例，可以看出9 7 的材料为高强度钢，而先进的高强度钢的比例占了8 0 以上，其中双相钢的比例高达7 4 【5 1 。表1 - 2 钢铁材料与其他材料竞争的例子( 有其他材料转化为钢的零件的例子)t a b l el - 2e x a m p l e so nc o m p e t i t i v em a t e r i a l ( p a r t sc o n v e r t e dt os t e e l )零件原用材料现用材料变化的原因挡泥板a l 合金高强度钢用d p 6 0 0 减薄制成防冲柱a l 合金高强度钢钢可满足减重目标前后门a l 合金高强度钢用d p 6 0 0 减薄刹车制动板复合材料高强度钢节约质量5 0 十字又架组件m g 合金高强度钢腐蚀问题传动组件a l 合金高强度钢钢可满足减重目标后管十字叉组件a l 合金高强度钢钢可满足减重目标模锻杆件a l 合金高强度钢a l 有严重的疲劳问题拖钩a 1 合金高强度钢轻质量微合金钢座位架m g 合金高强度钢用钢重新设计表1 - 3u l s a b a v c 的用材比例t a b l e l ，3p e r c e n t a g eo f v a d o u ss t e e l sf o ru l s a b a v ei 材料类型b h 钢h s l a 钢d p 钢h s i f 钢马氏体钢t 舳钢复相钢其他i 百分数肠1 017 4443l3由于采用了先进的高强度钢，增加了安全性，降低了噪音和振动，提高了燃油效率，降低了汽车总质量，并不增加成本，加速性、驾驶性能都有改善。先进的高强度钢在汽第一章绪论车超轻钢车身，超轻钢车身一先进概念车上应用，在减重、节能、提高安全性、降低排放等方面展现了广阔前景，和铝合金及镁合金相比亦具有很强的竞争能力。1 2 2 高强度汽车钢板的品种对于高强度钢板的分类有一些较常用的分类方法，例如，在u l s a b a v c 项目中，把屈服强度小于2 1 0 m p a 的钢板归为软钢，屈服强度在2 1 0 5 5 0 m p a 之间的成为高强度钢板，屈服强度大于5 5 0 m p a 以上的成为超高强度钢板。在国内我们通常把屈服强度为3 5 0 m p a 以上的低合金钢称作高强度钢，它具有良好的低温韧性、成型性和焊接性1 6 j 。高强度汽车板可分为普通冲压级、深冲级和超深冲级，按照其强化机理的不同又可分为若干种。如弥散强化型的低合金高强度钢板，相变强化型的双相钢板和烘烤硬化型的钢板等。下面我们简要的介绍几种具有代表性的汽车用高强度钢板：( 1 ) 高强度i f 钢i f 钢，全称i n t e r s t i t i a l f r e es t e e l ，即无间隙原子钢，有时也称超低碳钢，具有极优异的深冲性能，在汽车工业中应用广泛。i f 钢的基本原理是在钢中加入一定比例的币，使钢中固溶c 和n 的含量降到0 0 1 以下，使铁素体得到深层次的净化，从而得到良好的深冲性能。现代i f 钢的成分大致为：c 0 0 0 5 、n 0 0 0 3 ，t i 或n b 一般约0 0 5 。由于高纯净度和特殊的结构，i f钢有着杰出的变形性能和低的屈服极限。通过固溶强化元素的合金化，强度得到提高，而又不影响延性和，值。n b t i 合金化的i f 钢添加磷、硅、锰和硼，用以控制冷加工脆化。与普通铝镇静钢或钛合金化i f 钢相比，这种钢的缺点是再结晶延迟，所以要获得所要求的织构和延性，就要有足够高的再结晶退火温度，这种新i f 钢的生产需要使退火过程连续化，因为只有通过足够的快冷才能抑制不希望有的冷加工脆性。奥钢联生产的高强度i f 钢的延展性均匀，而且有着非常好的深冲性能，其表现为有很高的，值。这种钢板可以深冲成圆度对称而无裙状花边缺陷的部件。新i f 钢中的间隙原子极少，因而可以把微合金降到最低，从而可以避免普通i f 钢的缺点( 如涂镀性能差) 。高强度i f钢把无间隙钢的良好变形性能变成较高的强度水平，这种新i f 钢的磷和锰含量较高，而且还要添加少量硼，以避免晶界偏析。高强度i f 钢有很高的，值和刀值，在抗拉强度中等的钢中，以高强度i f 钢为最好，高强度i f 钢板主要是镀锌后用于制作汽车内板。( 2 ) 烘烤硬化( b h ) 钢板烘烤硬化( b a k e d h a r d e n i n g ) 钢板既具有强度又具有较高的可成形性。其通过加工过程中的加工硬化和烤漆过程中的时效现象来获得最终零件的强度。b h 钢是在钢种上发展过来的，起主要基理就是这种钢中所含有的n b 和n 没有i f 钢种中的含量高。这使得b h 钢中含有一定数量的间隙原子，但这些间隙原子并没有影响其冲压性能，或者影响不大。烘烤硬化钢在冲压加工前的屈服强度低，由于其主要应用在汽车外壳上，经过冲压后要进行喷漆和烤漆。在烤漆过程中经热处理后，间隙原子会在烤漆温度下进行时效的反应，即由于冷轧带钢晶格中要有少量固溶碳，含有少量固溶碳的薄板经塑性变形冲压成型后，在1 6 0 - - 2 5 0 的温度下作几分钟的热处理，游离碳原子以扩散方式位错，由于柯垂尔气团的生成和细微的析出，而使位错锚定，热处理第一章绪论温度下诱发的位错导致钢板的加工硬化。这就使得b h 钢在此一过程中产生固溶强化，如图1 3 所示宏观上表现为成形后屈服强度的提高。零鼍泓荦霸抗拉强度m p a图1 3 烘烤硬化钢板的力学性能f i 9 1 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb a k e d h a r d e n i n gs t e e l( 3 ) 高强度低合金钢( h s l a )高强度低合金钢即h s l a 钢( m g h s t r e n g t hl o wa l l o ys t e e l s ) 是一种可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于o 2 5 【7 j ，比普通碳素结构钢有较高的屈服点或屈服强度和屈强比，较好的冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低，一般在2 5 以下，在热轧状态或经简单的热处理( 非调质状态) 后使用；因此这类钢能大量生产、广泛使用。各发达工业国家的低合金高强度钢产量约占钢产量的1 0 。在低合金高强度钢发展的初期，钢种的合金设计只考虑抗拉强度。钢中加入较高含量的s i 、m n 、n i 、c r 等某一合金元素以改善某一方面的使用性能，但获得高强度的主要手段仍然依赖于较高的含碳量。随着钢结构由铆接向焊接发展，为了提高钢的抗脆断性能，逐步向降低钢中含碳量和复合合金化的方向变化。上世纪中期开始，为节约合金元素，曾采用热处理的方法以获得强度和韧性的良好匹配。6 0 年代，开始了称之为微合金化和控制轧制生产的新阶段，出现了一些新的钢种。至7 0 年代，发展成熟的微珠光体钢和无珠光体钢、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢、热轧双相钢以及低碳马氏体钢。低合金高强度钢作为一种高效能材料，以其较低的成本和优良的性能显示了强大的发展潜能，在油气输送管线、深井油管、汽车钢板等领域中得到推广应用并占有重要的地位。我国很早便开始试制生产低合金高强度钢，并结合自身资源发展了m n 、m n - v 、m n t i 、m n n b 和m n m o 等一系列的钢种，已形成较成熟的自有体系h j 。( 4 ) 双相钢双相钢( d u a lp h a s es t e e l ) 的产生是高强度低合金钢的一个重要突破，也是高强度钢开发研制中的一个里程碑。双相钢是一种强度级别高，成型工艺性能好的材料。双相钢强度高，制造的部件重量轻，因此很受汽车制造厂的青睐。双相钢是由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到，其显微组织主要为铁素体和马氏体。普通的高强钢是通过控制轧制细化晶粒，并通过微合金元素的碳氮化物的析出来强化基体，而双相钢是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布着较硬的第一章绪论马氏体相，因此其强度与韧性得到了很好的协调【9 , 1 0 。双相钢的强度主要由硬的马氏体相的比例来决定，其变化范围为5 - - 一3 0 。双相钢的特别织构是通过退火，并骤冷到m s 温度以下而得到的。除了普通高强度钢板的共性特点外，双相钢还具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。d p 钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成型要求也较严格的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等，随着钢种性能和成型技术的进步，d p 钢也被用在汽车的内外板等零件上。( 5 ) t m p 钢在双相钢的开发和推动下，最近几年来t r i p 钢的发展十分迅速。t r i p( t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y ) 钢是是近几年为满足汽车工业对高强度、高塑性钢板的需求而开发研制的含有残余奥氏体的低碳、低合金高强度钢板。其原理是利用残余奥氏体的形变诱发相变、相变诱发塑性的特点，来提高钢板的塑性，从而改变钢板的成形性。即利用钢中奥氏体向马氏体转变时有较大的伸长率而设计的一类钢。在成型加工过程中，平展延伸的残余奥氏体转变成被叫做马氏体的硬钢相，这种由机械加工引起的相变机理有助于改善成形性能，这种相变机理就叫做相变诱发塑性( t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y ) 现象( 相变感生塑性) 。在形变过程中，稳定存在的残余奥氏体向马氏体转变时引起了相变强化和塑性增长，为此残余奥氏体必须有足够的稳定性，以实现渐进式转变，一方面强化基体，另一方面提高均匀的伸长率，达到强度和塑性同步增加的目标【1 1 1 。t r i p钢实际上是双相钢的变种，这种钢具有多相织构，既有软的织构成分，又有硬的织构成分，另外，还具有相变感生塑性。t r i p 钢的性能范围为：屈服强度3 4 0 8 6 0m p a ，抗拉强度6 1 0 1 0 8 0 m p a ，伸长率2 2 3 7 。t r i p 钢既有高的强度，又有良好的冷变形性能，十分适合制造轻量化的汽车车身。t r i p 钢主要用来制作汽车的挡板、底盘部件、车轮轮毂和车门冲击梁等。此外，t r i p 钢板可作为热镀锌和z n n i 电镀锌的基板，以生产高强度、高塑性、高拉深胀形性以及高耐腐蚀性的镀锌板。1 2 3 高强度钢板的国内外研究现状目前，发达国家在高强度材料开发及其成形技术的应用方面正方兴未艾。国际钢铁协会成立了由1 8 个国家3 5 家钢铁公司组成的u l s a b ( u l t r a l i g h ts t e e la u t o b o d y ) 项目组，目的就是采用最先进的技术，在不增加成本的前提下，保证车身功能与抗冲击安全性，同时减轻车身质量。其中，围绕车门等覆盖件与悬挂件进行轻量化的研究中，采用了新材料以及新的成形方法来减轻车身质量。有学者通过提高汽车制造用工程材料的比强度、比刚度及相关功能特性来达到汽车轻量化。欧洲在热轧和冷轧高强钢的使用情况基础上，改善d p 5 0 0 钢等新钢种的成形性。新钢种与相同强度的z s t e 3 4 0 相比，拉伸成形性更好。而且，新开发的t i m 8 0 0 与常规深冲低碳钢相当，但强度却增加一倍。德国在汽车制造业方面广泛使用高强钢已给人们留下深刻的印象。各汽车制造厂车体用高强钢份额超过4 0 。例如德国欧宝c o r s a 牌小型轿车，整车大量使用高强度钢板，自身质量为8 1 2 6 k g ，在同类型汽车中是较轻的。蒂第一章绪论森也能够提供5 0 0m p a 和6 0 0m p a 这2 个级别的热浸镀锌、合金化镀锌和电镀锌钢板。胙e 公司成功开发了7 8 0m p a 和9 8 0m p a 级别的合金化热镀锌双相钢，m i t t a l 公司也成功生产了合金化热镀锌双相钢d p 5 9 0 、d p 7 8 0 、d p 9 8 0 和热浸镀锌双相钢d p 6 0 0 、d p 7 8 0 t 1 2 j 。阿塞洛t r i p 钢包括t r i p 6 0 0 、t r i p 7 0 0 、t r i p 8 0 0 和t r i p l 0 0 0 共4 个冷轧品种和1 个( t 鼬p 8 0 0 ) 热轧品种【l3 1 。该类钢用于汽车的座椅结构件、横梁、纵梁、中后强化件、挡板和防护强化件等，具有广阔的应用前景。在亚洲方面日本在1 9 8 5 1 9 9 5 十年间通过汽车用钢板高性能化( 高强度和高表面处理) 来节约能源。从1 9 8 5 至1 9 9 5 十年间，车身高强度钢板的使用比例由1 0 增加到3 0 ，随着表面处理性能的提高，汽车的寿命从6 7 年延长到9 3 年，一年可节省汽油3 5 7 万升。从近4 0 年来国内外汽车板发展的过程来看，超深冲钢板是在向着高洁净、超低碳、微合金方向发展。川崎钢铁公司开发出适用于汽车加强部件、抗冲击性优异的汽车用4 4 0 m p a级烘烤硬化钢板，并用于大发工业公司的汽车生产中。该钢板的主要特点是：解决了高强度与高成形性相矛盾的问题，不仅屈服强度上升，而且实现了原来b h 钢板没有的抗拉强度上升( 加工前4 4 0 m p a = c i i 工后5 0 0 m p a ) ，所以不仅可以用作汽车外板，还可以用作抗冲击部件和加强部件。日本神户制钢通过研究适用于驾驶室周围主要结构部件的5 9 0 m p a 以上级别的高强度钢板，开发出各种高强度钢板。神户制钢还开发出高延性9 8 0 m p a 级超高强度复合组织冷轧钢板，其伸长率为2 0 ，能承受复杂冲压成形，用于出口车的车门防护杆等安全防护部件。另外，日本于2 0 0 1 年开发出强度和加工性兼优的汽车高强度钢板，该钢板抗拉强度为8 0 0 m p a ，供汽车悬挂件等回转部件用。三菱汽车公司与新日铁、住友金属及神户制钢等合作开发出汽车底盘零件用t r i p 高强度钢板，在其新车型中已有8 0 余种底盘零件用t r i p 钢板制造。韩国浦项制铁公司已成功开发出8 0 0m p a 和1 0 0 0m p a 级的t r i p 钢，钢板的成形性能非常好，可以加工成复杂形状的汽车部件。目前，他们正着手开发1 2 0 0 v p a 级的t r i p 钢。与世界顶级汽车钢板生产厂家相比，我国钢铁厂家除了高强度马氏体钢等少数品种外，其余各类汽车用钢品种均能生产和研发。现在已有宝钢、鞍钢和本钢等多家钢铁公司与阿塞勒、蒂森克虏伯、新日铁以及浦项等国外项级钢铁公司密切合作，国内汽车用高强度钢板也在加快研制，例如宝钢近期又进行了6 0 0 m p a 冷轧相变诱发塑性( 1 1 心)钢和5 0 0 a 冷轧双相( d p ) 钢的开发，其中冷轧t r j p 钢实物性能已达到国外先进水平，该钢板具有高的伸长率和高的刀值，这些性能特点使其可以替代软钢冲压零件。同时，宝钢也在加快热轧先进高强度( a h s s ) 钢板的研制和批量生产。我国钢铁企业所做的努力为汽车轻量化高强度钢板的国产化奠定了基础，也为国内汽车制造企业实现汽车轻量化的选材拓宽了渠道。1 3 有限元分析技术在汽车覆盖件冲压成形中的应用汽车工业作为衡量一个国家工业水平的重要标志，已被主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济的支柱产业。经济全球化和世界市场一体化的加速发展，更激化了汽车制造企业间的竞争，汽车更新换代的步伐不断加快，汽车产品的市场寿命正在缩短，第一章绪论汽车研发周期已经缩短到l 2 年，呈现出几乎每年都有款式新、质量优、性能好、造型美观、乘坐舒适的新车型面市的竞争格局。进一步缩短了汽车改型换代的周期，提高汽车品质已成为竞争取胜的决定因素。在汽车设计制造的整个周期中，车身模具特别是汽车覆盖件模具的设计制造水平，一直是制约汽车产品开发速度与品质的核心因素。因为仅模具设计和制造就占汽车研发周期约三分之二的时间与资金，模具的设计制造事实上已成为进一步缩短汽车换型周期、提高汽车品质的主要瓶颈。因此，以汽车覆盖件为主要代表的大型薄板零件的冲压成形技术已发展成为板材冲压成形技术中一个很重要的组成部分。汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室和车身的用薄钢板冲压形成的外表面零件和内部零件。汽车覆盖件因为要考虑外观的艺术造型、结构及强度的要求，很多零件的形状往往比较复杂。使零件的冲压工艺性较差，拉延过程中容易产生起皱或破裂现象，给冲模制造和维修带来很多困难。传统工艺设计过程中，对于形状不规则的较复杂拉延零件，只能是凭借经验和类比设计的方法来估计其拉延工艺的好坏。按照传统的生产方式，冲模制造完成后，必须用规定的板材在模具中冲压制件，再按制件上出现的各种质量问题如破裂、起皱、刚性不足、回弹过大、材料变薄严重等，对模具和冲压条件进行反复修正，直到冲制出合理制件为止。模具调试过程周期长、反复多、成本高、技术要求高，有时还会因冲制不出合格制件而导致全套工艺方案失败和模具报废。同时，在进行模具制造的过程中，落料模和修边模必须在拉深模和翻边调试合格、确定落料尺寸和修边线之后才能进行制造。这就使覆盖件的开发成为缩短生产准备周期、加快产品更新换代的主要环节i l 引。随着数值分析技术、塑性成形理论、冲压技术和计算机能力的发展，数值模拟逐渐应用于汽车覆盖件冲压成形的工艺和模具的优化设计，这对提高车身被盖件模具的研发能力具有重大意义。采用计算机进行覆盖件冲压成形过程的数值模拟，使从事覆盖件冲压的工程技术人员在进行设计制造冲压模具之前就可以在虚拟的环境中对准备实行的冲压工艺和模具进行考查和验证，帮助技术人员发现一些考虑不周的问题，把一些容易出现的隐患在设计阶段消除，从而提高设计的可靠性，减少模具制造中的问题，缩短生产准备周期。汽车覆盖件冲压成形过程是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，涉及金属板在拉深和弯曲的复杂应力状态下塑性流动、塑性强化，及其引起的回弹、起皱和破裂等问题。同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。因此，对冲压成形过程中板材成形而言，单凭经验很难预先估计，致使模具设计正确性也难以评价，问题只有在模具加工以后才能暴露出来，给模具调试造成极大的困难，甚至导致模具报废。汽车覆盖件冲压成形计算机数值模拟技术是解决这一难题的有效手段，已经成为国际模具加工领域的一个研究热剧1 4 , 1 5 j 。1 4 本文研究的内容( 1 ) 高强度钢板显微结构分析：借助于电子显微测试手段，既能研究宏观尺度范围的组织形貌，又能分析晶粒的微观结构、形貌。通过对几种具有典型性的高强度钢板的显第一章绪论微组织形貌的研究分析，为后序板料成形提出建议和注意事项。( 2 ) 板料成形性能分析：对高强度钢板进行单向拉伸试验，测定其力学性能( 包括屈服强度、抗拉强度、加工硬化指数、各向异性系数、延伸率等) ；采用杯凸实验，测定其腰值，直接评估其涨形能力并间接衡量其成形性能；根据以上的测试结果，给出高强度钢板组织结构和成形性能的分析报告，为后续冲压工艺制定提供依据。( 3 ) 试样的断口形貌进行观察分析：经过单向拉伸试验后，对试样的断裂处通过s e m进行观察，通过观察在微观状态下断口的形貌特征，根据其断裂机理的不同，判断钢板成形性能的优劣。( 4 ) 通过c a e 技术优化高强度钢板冲压成形工艺：使用u g 三维设计软件建立模型，借助d y n a f o r m 有限元分析软件对试样的成形过程进行模拟，将模拟后的结果与实际情况进行对比，通过一系列参数的修正，得到较理想的模拟结果后，再对较复杂的汽车覆盖件( 如汽车f - 夕b 板) 的成形过程进行模拟，预测可能出现的缺陷并对工艺加以优化，以求将缺陷问题尽可能的消灭在设计阶段。第二章高强度钢板成形性能研究第二章高强度钢板成形性能研究钢板的成形性能通过单向拉伸试验测定的结果来反映。我们知道金属薄板的成形性能不仅与其自身化学成分、微观组织结构有关，而且与它在冲压过程中的变形方式、附近材料的应变梯度和具体的冲压生产条件有关”。金属薄板成形性能与试验方法，分别通过单向拉伸试验和模拟成形性试验( 如杯突试验) 测得的基本成形性指标和模拟成形性指标进行综合评价。在室温条件下，单向拉伸试验在w d w - 1 0 0 型微机控制电子式万能试验机上进行，测试