成形性测试 , 让您可以充分利用更强的汽车钢

拉伸试验问题

超高强度钢是汽车行业的一种成熟材料 , 常用于选定的车身结构加强件、保险杠加强件、车门防撞梁以及座椅框架和机构件。

超高强度钢有助于实现 5 星级碰撞评级 , 并减少构件重量达 40% 。 它还允许汽车制造商降低成本并提高生产效率 , 同时开发更具创新性的构件设计 , 使其在市场上更具竞争力。

尽管具有诸多优势 , 但许多汽车制造商仍然在选择更软牌号的钢材 , 错失了竞争优势。 其原因在于 , 在考虑成形性时 , 他们完全依赖拉伸试验的延伸率结果。

" 拉伸试验是最常用的试验，” SSAB 高级成形专家 Lars Troive 博士解释说： " 其目的是将试样拉至断裂。 然后 , 测量长度延长了多少。 其值就视为延伸率。 例如 , 如果试样在断裂前测量值为 80 毫米 , 然后变为 88 毫米 , 则表示延伸率为 10% 。"

他接着说： " 尽管拉伸试验长期以来一直是判断钢材成形性的最常见做法 , 但该方法并不能正确表述现代更高强度的钢种的这种机械性能。 这是因为与传统更柔软的钢种相比 , 这些更强韧钢材的表现不同 , 局部塑性变形也更多。"

预测超高强度钢形变的更准确方法是创建成形极限图 (FLD), 也称为成形极限曲线。 单个成形极限图 (FLD) 提供了使用不同几何形状的试样进行若干材料失效测试 ( 即杯凸试验 ) 的图形描述。 每个试样 ( 即坯料 ) 具有独特的宽度 - 长度比 , 从而导致不同的变形模式直至失效。 它们会以不同的方式变形 , 具有自己的应变路径。

在执行成形极限图（FLD）试验之前 , 先将每个试样涂成白色 , 然后通过以 " 斑点图案 " 随机分布的黑色点进行覆盖。 涂上白色底色 , 以便与黑色图案形成良好的对比。

在试验过程中 , 通过压机内置的两个摄像头拍摄斑点图案。 摄像头捕获整个成形操作期间每个点的移动 , 预估应变路径直至开裂。 在对各种不同的 ( 坯料 ) 几何形状进行凸杯试验时 , 每次试验您将获得两个值：主应变和次应变。 然后 , 在 X 和 Y 坐标图中绘制成形极限图（FLD）, 并用一条线连接所有获得的应变值。 该曲线代表了钢板开裂 ( 断裂 ) 风险较高的成形极限。

图 1：随机点状散斑图案 ( 左图 ) 和绘制在成形极限图 (FLD；右图 ) 上的主要和次要应变。

换句话说 , 成形性试验决定了在钢发生断裂前 , 你能成形到何种程度 , 具体取决于应变状态和材料的变形方式。

看看图2中的拉深杯就可以了解，超高强度钢的成形能力超乎想像。

图 2：从软钢到超高强度钢的一组拉深杯 , 如 1400M, 拉伸强度为 1400Mpa 。

更精确的超高强度钢（UHSS）成形试验结果

" 直观地看 , 成形极限图（FLD）试验中的细长试样与拉伸试验中的试样成形方式几乎相同。" Troive 说： " 它在中间会变窄 , 就像拉伸试验的试样一样 , 这被称为 " 单轴变形 " 。 那么 , 拉伸试验结果为什么不同于极限成形图（FLD）试验结果呢？"

" 我们做了一个简单的试验 , 在拉伸试验的试样上标识一个 2mm x 2mm 的方形网格图案 , 该试样在失效后进行测量 ," Troive 继续说道。 " 以百分比衡量 , 2mm 的长度产生的延伸量比80mm 的长度（拉伸试验中使用的测量值）产生的延伸量大很多 , 其中以毫米为单位的总延伸量除以 80 毫米 , 即表示此长度的平均延伸率。"

图 3：例如 , 测试相同的超高强度钢，在2mm范围内20%的局部应变（网格图案）比在80mm范围内所显示的百分比要大得多，这是在拉伸（拉延）试验中通常得到的结果。

这解释了为什么两种试验 ( 拉伸和 FLD) 在试验结果方面存在如此大的差异 , 从而导致对超高强度钢的可形成程度有非常不同的结论。

解释成形极限图（FLD）

由于成形极限图（FLD）提供如何成形特定牌号的超高强度钢的最准确数据 , 了解如何解释结果至关重要。

如今 , 汽车行业通常对成型工艺使用有限元 (FE) 仿真分析。 在此基础上 , 成形极限图（FLD）是非常重要的工具 , 因为它能够显示计算的应变是否在安全成形区域内 , 或者它们是否接近失效。

成形极限图（FLD）可分为三个部分：

• 右侧等双轴拉伸 ( 拉延 ) 。
• 中心平面应变。
• 左侧纯剪切 ( 拉深 ) 。

Troive 解释说： " 我们尝试利用成形极限图（FLD）为具有不同应变路径的多种材料失效测试提供图形描述。 基本上 , 成形极限曲线下方的区域被视为对成形操作是安全的。 由于冲压工艺或材料特性的微小变化，为了给可能出现的波动留有空间，常见的做法是将曲线降低一些。 成形极限图（FLD）被广泛用作成形仿真分析或应变测量的开裂标准。 "

" 然而 , 在某些情况下成形极限图（FLD）无法预测失效。 切割边缘就是这种情况之一。 切割边缘的延展性很大程度上取决于坯料的切割方式。 例如 , 是否使用了正确的冲切间隙？ 模具是否锋利？ 等等。 在这种情况下 , 我们转而依靠实际试验 , 并将结果与边缘的应变水平进行比较 ," Troive 说道。 ( 有关更多信息 , 请观看 Docol^®网络研讨会的视频 " 解决先进高强度钢边缘延展性问题的方法。" ）

不同类型的形状和成形将迫使材料以不同的方式变形。 通常 , 最坏的情况是零件在纯平面应变条件下成形。 简单折弯是此类成形操作的例子 , 会形成最短的失效应变路径。 有时 , 可能需要改变一个应变路径。 最简单的方法是优化坯料的几何形状 , 以防止材料被卡住 , 因此材料需要拉深而不是拉延。

拉伸和 FLD 试验结果比较

以往 , 汽车制造商使用软钢进行了大量的工作 , 拉伸测试与 FLD 测试的结果非常相似。 也就是说 , 拉伸试验在历史上更早确立, 因此传播更广泛。 只使用拉伸试验的风险在于 , 错过使用更强钢材的机会 Lars Troive 解释道：

" 如果只看拉伸试验数据 , 您可能会认为一切都不可能。 相反 ,如果您看一下可成形性结果 ,成形时局部应变从 10% 扩大到 20%， 我们说几乎增加了 100% 。 对于汽车应用 , 通过分析成形极限图而非仅观察延伸率 , 就可出现多种可能性。"

图 4： A₈₀ 拉伸试验 ( 白色方块 ) 和成形极限图试验 2 mm( 灰色方块 ) ( 结果以 % 表示 ) 。

当绘制拉伸强度试验的延伸率和成形试验的结果时 , 随着钢材强度的增加 , 这种差异很容易观测到。

超高强度钢可成形性的实际证明

许多汽车制造商在选择材料时已经在使用 FLD 数据。 此外 , 已有案例表明 , 在汽车应用中可以对具有极高抗拉强度的超高强度钢进行成形操作。

例如 , 顺普公司通过 3D 辊压成形 Docol^® 1700MPa 马氏体钢制造了更轻便、更坚固、更节省空间的车顶纵梁，该零件一直延伸到 A 柱。 这些更紧凑的设计增加了室内空间和驾驶员的视野 , 同时优化了 Ford 2020 Explorer 和 2020 Escape 安全气囊的布局。

利用高强度钢的其它优势

除了具有更高的碰撞性能和减轻重量外 , 选择合适的超高强度钢还为汽车制造商提供了其它有价值的优势：

1. 使用的材料更少： 超高强度钢的独特强度和技术特性可使汽车制造商通过利用更薄的零件壁厚来减少制造汽车零部件所需的材料量。
2. 材料成本更低： 从材料成本和成形成本来看 , 超高强度钢比其它高强度轻质材料更具成本效益。
3. 成型成本更低： 虽然您可能需要投资比软钢更坚固的模具构件 , 但超高强度钢通常使用传统的生产设备成形 , 让您可以充分利用已有的机器设备。
4. 成型更快 , 能耗更少： 您可以用冷成型的先进高强度钢代替热冲压硼钢。 无需复杂的热冲压模具 ( 同时需要大量的能源来加热和冷却 ), 也加快了生产节拍 , 从而节省了资金。
5. 可焊性： 由于其化学成分较低 , 许多超高强度钢可以使用标准焊接工艺进行焊接。

最大限度地发挥汽车零部件设计潜力

在为汽车零部件选择超高强度钢时 , 可带来很多创新的可能性。 然而 , 仅依靠拉伸试验中的延伸率数据判断可成形性将会导致选择更软的钢材 , 并错失改进机会。 相反 , 如果参考成形极限图 , 就可确保您能从选择超高强度钢中获得最大收益。

您是否希望利用 SSAB 的专业知识和经验帮助您确定某种特定的超高强度钢是否具有适合您汽车应用的足够成形性？ 请联系您当地的 Docol^®代表 。