第6讲冲压性能控制

金属塑性变形理论

Theoryofmetalplasticdeformation

第六讲LessonSix张贵杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大学金属材料与加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/1/20231第四章钢材的性能控制主要内容MainContent金属的强化机制

强韧性能控制冲压性能控制电磁性能控制热强性能控制2/1/202324.3冲压性能控制冲压性能及其测定影响冲压性能的主要参数工艺参数控制2/1/202334.3.1冲压性能及其测定冲压或拉延是金属压力加工方法之一。它是指板材坯料于室温在冲头的作用下，通过与冲头相配合的模孔，靠塑性变形而获得一定形状和尺寸的壳体零件的过程。因在冲压中所用的原料为板材，所以它也叫板冲压。为保证冲压产品具有合格的尺寸形状和性能，必须要求板料要有良好的冲压性能。此良好的冲压性能，除与材料本身有关外，还与生产的工艺条件有关。2/1/20234冲压性能金属板料的冲压性是指在冲压变形过程中不产生裂纹等缺陷的变形极限。拉延和模压2/1/20235冲压性能的测定杯突法模拟法模拟拉延成形杯形件深冲法模拟深冲成型锥形杯法模拟深冲和拉延复合工艺拉伸试验法确定屈强比常用确定塑性变形比的方法2/1/20236杯突法杯突法也叫艾利克森试验法。它是在艾利克森试验机上进行的。这种方法一般适用于厚度等于或小于2mm的板材和带材，但必需时亦可用以试验厚度为2－4mm的板材和带材。试验时，将规定的钢球或球状顶头向压紧在规定压模内的试样加以压力，直到产生裂纹为止。此时所压入的深度值(mm)，即为金属的杯突深度，也叫杯突值。杯突值越大，冲压性能越好。2/1/20237杯突试验2/1/20238杯形件深冲法杯形件深冲试验是用所规定尺寸的冲头和模孔，把不同直径的圆形板料一次冲成圆杯形件，测出未发生破裂的最大圆板料的外径D，求出此最大圆板料外径D与冲头直径d之比D／d。此D／d叫极限冲压比。极限冲限比越大，说明板料外缘沿环向所受的压缩变形就越大，因而杯壁(或杯底)所能受的拉应力就越大，冲压性能就越好。此试验方法适用于深冲的变形条件。2/1/20239杯形件深冲试验2/1/202310锥形杯法锥形杯试验，是用所规定尺寸的球形冲头把一定尺寸的圆板料压入规定尺寸的锥形模孔内，直到产生裂缝为止，测量产生破裂时的锥形杯口外径D(mm)，称此D为锥形值。当圆板料、冲头和模孔的尺寸一定时，D越小或锥形值越小，说明板料外缘所受的压缩变形和冲头压入深度也就越大，因而冲压性能也就越好。此试验方法应用较广。但对容易出现皱折的较薄的板料(＜0.4mm)，用此方法比较困难。2/1/202311锥形杯试验2/1/202312拉伸试验法通过拉伸试验可以测出材料屈服极限ss，强度极限sb，屈服点延伸和延伸率等。从而可以确定材料的屈强比ss

/sb屈强比ss

/sb可以粗略地反映金属材料加工硬化的大小。当ss

/sb小时，也就是ss小，

sb大时，说明材料的加工硬化大。这样，冲压变形时，板料外缘压缩变形所需的力就小，在变形过程中形成的壳体又不易破坏。说明ss

/sb小时，冲压性能好。2/1/202313关于延伸率和屈服点延伸对冲压性能的影响：延伸率大时，说明材料在冲压时，可经受较大的塑性变形，对冲压有利。而屈服点延伸的增大，会使冲压件的表面上出现明显的吕德斯带，使产品的表面质量下降。2/1/202314塑性变形比为确定材料的冲压性能，在实践中经常用板料的宽度和厚度方向上产生塑性变形的比值R的大小来确定。其试验方法是，将板材试样在拉伸试验机上使之产生15－20％的拉伸变形，然后根据其变形前后所测定的尺寸，按下式计算：2/1/202315板材拉伸试样计算公式2/1/202316若在试验中所规定的变形比R＞1时，则说明，板料在宽向容易变形，而在厚向不容易变形。这样，板料在冲压过程中以板面方向的变形来抵抗破裂，表明冲压性能好。相反，若R＜1时，说明宽向不容易变形，而厚向容易变形，这时板料易产生破裂，冲压性能不好。2/1/2023174.3.2影响冲压性能的主要参数晶粒大小、形状和织构的影响夹杂物的影响形变时效的影响2/1/202318晶粒大小、形状和织构的影响金属的晶粒大小和形状对板材的冲压性能有相当重要的影响。当晶粒尺寸增大时，屈服极限降低，

也随着减小。可见，晶粒尺寸增大时、可使板材的冲压性能提高。从另一方面来看，晶粒粗大会引起冲压制品的表面出现桔皮状。此外，晶粒过粗，杂质会因晶粒间界的相对减少而集中，也会使金属的变脆的倾向性增大。晶粒尺寸一般认为以6－8级为宜。2/1/202319晶粒形状对金属冲压性能有甚为明显的影响。大量实验证明，具有饼形晶粒的板材其冲压性能比具有等轴晶粒的好得多。2/1/202320关于饼形晶粒的冲压性能一般均比等轴晶粒为佳的原因，过去有人认为，可能是由于沿钢板厚度方向，饼形晶粒的晶界面积比等轴晶粒的大，使之沿厚度方向更难变薄的结果。可是，在生产实践中曾发现，有的铜板虽有饼形晶粒，但其冲压性能也并不好。研究证明，只有{111}晶面平行板面的再结晶晶粒才具备高的塑性变形比(R)值，即良好的冲压性能。这种再结品织构，在一般情况下多以饼形晶粒出现。2/1/202321板材冲压性能的好坏是与织构有密切关系的。实验证明，与板面平行的{111}晶面越多，R值就越大，深冲性能就越好，而与板面平行的{100}晶面越多，R值就越小，深冲性能就越坏。可见，在<111＞方向不易产生塑性变形，而在<100>方向容易产生塑性变形。2/1/202322又因<111>方向与{111}晶面垂直，则当{111}晶面与板面平行时，在厚度方向上就不容易变形，也就是R值变大。同样，因<100>方向垂直于{100}晶面，若{100}晶面与板面平行，则在厚度方向上就容易产生变形，R值就小。因此，为提高板材的深冲性能，应设法增加平行于板面的{111}织构，减少平行于板面的{100}织构。2/1/202323夹杂物的作用夹杂物的类型、状态以及分布对冲压性能产生影响。在铝镇静钢中存在有由Al和钢中的N相结合而形成的夹杂物AlN。AlN在高温下溶于奥氏体内，冷却时在不同的温度下，以不同的速度析出。若加热后快速冷却，使固溶体中的Al和N来不及以AlN的形式析出，便以过饱和的状态存于铁素体内。2/1/202324在冷轧后晶粒被拉长，AlN在退火的加热过程中析出，平行排列在冷轧纤维结构之间。当再结晶时，由于沿轧向平行排列的AlN阻碍了晶粒沿厚度方向长大而使晶粒成为拉长的薄饼形状。此外，由于AlN能够减少钢中自由N的浓度，使之对位错的钉扎作用减小或消除。这就会使屈服极限下降，有利于板材冲压的进行。2/1/202325在钢中往往也存在着如硫化物、碳化物等不利的夹杂物。在轧制中被拉长的硫化物危害极大。碳化物也常为造成冲压开裂的原因。同时由于夹杂物的影响而产生的带状组织也不允许超过规定。此外，在沸腾钢中，由于偏析大、夹杂物多、带状组织严重，造成钢板中部和边部间的冲压性能差别较大。而在镇静钢中则不同，其偏析较轻，使铜板的中部和边部的冲压性能差别较小。但钢板的表面质量相反，沸腾钢的表面质量较好，而镇静钢的表面质量较差。2/1/202326形变时效的影响形变时效对钢板，特别是对不用铝脱氧的沸腾钢板的冲压过程有着重要的影响。在生产实践中，钢板进行平整后，一般不可能马上进行冲压。在存放和运输过程中，有时要发生形变时效，使其屈服点延伸增大，产生屈服平台。2/1/202327当用这种具有屈服平台的钢板进行冲压时，在冲压件的表面上会形成所谓的“吕德斯带”，使冲压件的表面质量下降。同时，由于形变时效的结果，也会使屈服极限升高，杯突值下降等等。形变时效是碳或氮原子向位错中扩散而形成了“柯氏气团”所引起的现象。显然，如果钢中有某种元素能与其中的碳或氮结合成稳定的化合物，就应该能够免除或减轻形变时效。实践证明，用铝作镇静剂的钢要比沸腾钢的时效倾向小得多。08Al的形变时效不明显，可能就是由于铝和钢中的氮作用而形成AlN的结果。2/1/2023284.3.3工艺参数控制目前对质量要求很高的深冲和重深冲板材，通常是用铝镇静钢为原料。铝镇静钢板材大多是用在汽车制造上。为使钢的屈服极限下降和延伸率增加，必须降低含碳量。一般规定，含碳量在0.08％以下。铝的含量应能保证形成适量的AlN，其值可取0.02－0.07％。2/1/202329以08Al铝镇静钢例08Al镇静钢的良好冲压性能的获得是由于在钢中具有饼形的晶粒。而这种晶粒又是AlN在适当时机，以适当的形态析出的结果。这样，在研究对冲压性能的控制时，必须以获得和控制AlN为主要出发点来进行。2/1/202330热轧工艺的控制板坯在加热时，必须有相当高的加热温度和相当长的加热时间，以便使AlN充分地溶解在固溶体内。2/1/202331在生产中要求轧制温度要尽量高些，轧后要进行浇水急冷，其目的是防止AlN从热轧板中析出。某厂规定，对成品厚度为2.0mm的带材，其终轧温度应>840℃，并要求带材轧出立即喷水，进行均匀冷却。2/1/202332热轧带材的卷取温度要低。因成卷后冷却速度减慢，若卷取温度较高就会导致AlN的析出，不利于饼形晶粒的最后形成。一般认为热轧带卷取温度应<620℃。2/1/202333冷轧工艺的控制在实践中发现：保证饼形晶粒形成且便于冲压的冷轧总压下量必须大于30％，小于65％。2/1/202334再结晶退火是使成品板材具有饼形晶粒的重要环节。再结晶之前就应使AlN沿已变形的晶粒边界或沿滑移带析出。为此，加热时要缓慢升温或在再结晶尚未进行的较低温度给一定的保温时间。然后再升至一定温度进行再结晶退火。退火后缓慢冷却。2/1/202335如08Al镇静钢的再结晶退火