第6講沖壓性能控制

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第六講LessonSix張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630092/1/20231第四章鋼材的性能控制主要內(nèi)容MainContent金屬的強(qiáng)化機(jī)制

強(qiáng)韌性能控制沖壓性能控制電磁性能控制熱強(qiáng)性能控制2/1/202324.3沖壓性能控制沖壓性能及其測定影響沖壓性能的主要參數(shù)工藝參數(shù)控制2/1/202334.3.1沖壓性能及其測定沖壓或拉延是金屬壓力加工方法之一。它是指板材坯料于室溫在沖頭的作用下，通過與沖頭相配合的模孔，靠塑性變形而獲得一定形狀和尺寸的殼體零件的過程。因在沖壓中所用的原料為板材，所以它也叫板沖壓。為保證沖壓產(chǎn)品具有合格的尺寸形狀和性能，必須要求板料要有良好的沖壓性能。此良好的沖壓性能，除與材料本身有關(guān)外，還與生產(chǎn)的工藝條件有關(guān)。2/1/20234沖壓性能金屬板料的沖壓性是指在沖壓變形過程中不產(chǎn)生裂紋等缺陷的變形極限。拉延和模壓2/1/20235沖壓性能的測定杯突法模擬法模擬拉延成形杯形件深沖法模擬深沖成型錐形杯法模擬深沖和拉延復(fù)合工藝?yán)煸囼?yàn)法確定屈強(qiáng)比常用確定塑性變形比的方法2/1/20236杯突法杯突法也叫艾利克森試驗(yàn)法。它是在艾利克森試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。這種方法一般適用于厚度等于或小于2mm的板材和帶材，但必需時亦可用以試驗(yàn)厚度為2－4mm的板材和帶材。試驗(yàn)時，將規(guī)定的鋼球或球狀頂頭向壓緊在規(guī)定壓模內(nèi)的試樣加以壓力，直到產(chǎn)生裂紋為止。此時所壓入的深度值(mm)，即為金屬的杯突深度，也叫杯突值。杯突值越大，沖壓性能越好。2/1/20237杯突試驗(yàn)2/1/20238杯形件深沖法杯形件深沖試驗(yàn)是用所規(guī)定尺寸的沖頭和模孔，把不同直徑的圓形板料一次沖成圓杯形件，測出未發(fā)生破裂的最大圓板料的外徑D，求出此最大圓板料外徑D與沖頭直徑d之比D／d。此D／d叫極限沖壓比。極限沖限比越大，說明板料外緣沿環(huán)向所受的壓縮變形就越大，因而杯壁(或杯底)所能受的拉應(yīng)力就越大，沖壓性能就越好。此試驗(yàn)方法適用于深沖的變形條件。2/1/20239杯形件深沖試驗(yàn)2/1/202310錐形杯法錐形杯試驗(yàn)，是用所規(guī)定尺寸的球形沖頭把一定尺寸的圓板料壓入規(guī)定尺寸的錐形?？變?nèi)，直到產(chǎn)生裂縫為止，測量產(chǎn)生破裂時的錐形杯口外徑D(mm)，稱此D為錐形值。當(dāng)圓板料、沖頭和?？椎某叽缫欢〞r，D越小或錐形值越小，說明板料外緣所受的壓縮變形和沖頭壓入深度也就越大，因而沖壓性能也就越好。此試驗(yàn)方法應(yīng)用較廣。但對容易出現(xiàn)皺折的較薄的板料(＜0.4mm)，用此方法比較困難。2/1/202311錐形杯試驗(yàn)2/1/202312拉伸試驗(yàn)法通過拉伸試驗(yàn)可以測出材料屈服極限ss，強(qiáng)度極限sb，屈服點(diǎn)延伸和延伸率等。從而可以確定材料的屈強(qiáng)比ss

/sb屈強(qiáng)比ss

/sb可以粗略地反映金屬材料加工硬化的大小。當(dāng)ss

/sb小時，也就是ss小，

sb大時，說明材料的加工硬化大。這樣，沖壓變形時，板料外緣壓縮變形所需的力就小，在變形過程中形成的殼體又不易破壞。說明ss

/sb小時，沖壓性能好。2/1/202313關(guān)于延伸率和屈服點(diǎn)延伸對沖壓性能的影響：延伸率大時，說明材料在沖壓時，可經(jīng)受較大的塑性變形，對沖壓有利。而屈服點(diǎn)延伸的增大，會使沖壓件的表面上出現(xiàn)明顯的呂德斯帶，使產(chǎn)品的表面質(zhì)量下降。2/1/202314塑性變形比為確定材料的沖壓性能，在實(shí)踐中經(jīng)常用板料的寬度和厚度方向上產(chǎn)生塑性變形的比值R的大小來確定。其試驗(yàn)方法是，將板材試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上使之產(chǎn)生15－20％的拉伸變形，然后根據(jù)其變形前后所測定的尺寸，按下式計算：2/1/202315板材拉伸試樣計算公式2/1/202316若在試驗(yàn)中所規(guī)定的變形比R＞1時，則說明，板料在寬向容易變形，而在厚向不容易變形。這樣，板料在沖壓過程中以板面方向的變形來抵抗破裂，表明沖壓性能好。相反，若R＜1時，說明寬向不容易變形，而厚向容易變形，這時板料易產(chǎn)生破裂，沖壓性能不好。2/1/2023174.3.2影響沖壓性能的主要參數(shù)晶粒大小、形狀和織構(gòu)的影響夾雜物的影響形變時效的影響2/1/202318晶粒大小、形狀和織構(gòu)的影響金屬的晶粒大小和形狀對板材的沖壓性能有相當(dāng)重要的影響。當(dāng)晶粒尺寸增大時，屈服極限降低，

也隨著減小?？梢?，晶粒尺寸增大時、可使板材的沖壓性能提高。從另一方面來看，晶粒粗大會引起沖壓制品的表面出現(xiàn)桔皮狀。此外，晶粒過粗，雜質(zhì)會因晶粒間界的相對減少而集中，也會使金屬的變脆的傾向性增大。晶粒尺寸一般認(rèn)為以6－8級為宜。2/1/202319晶粒形狀對金屬沖壓性能有甚為明顯的影響。大量實(shí)驗(yàn)證明，具有餅形晶粒的板材其沖壓性能比具有等軸晶粒的好得多。2/1/202320關(guān)于餅形晶粒的沖壓性能一般均比等軸晶粒為佳的原因，過去有人認(rèn)為，可能是由于沿鋼板厚度方向，餅形晶粒的晶界面積比等軸晶粒的大，使之沿厚度方向更難變薄的結(jié)果?？墒牵谏a(chǎn)實(shí)踐中曾發(fā)現(xiàn)，有的銅板雖有餅形晶粒，但其沖壓性能也并不好。研究證明，只有{111}晶面平行板面的再結(jié)晶晶粒才具備高的塑性變形比(R)值，即良好的沖壓性能。這種再結(jié)品織構(gòu)，在一般情況下多以餅形晶粒出現(xiàn)。2/1/202321板材沖壓性能的好壞是與織構(gòu)有密切關(guān)系的。實(shí)驗(yàn)證明，與板面平行的{111}晶面越多，R值就越大，深沖性能就越好，而與板面平行的{100}晶面越多，R值就越小，深沖性能就越壞?？梢?，在<111＞方向不易產(chǎn)生塑性變形，而在<100>方向容易產(chǎn)生塑性變形。2/1/202322又因<111>方向與{111}晶面垂直，則當(dāng){111}晶面與板面平行時，在厚度方向上就不容易變形，也就是R值變大。同樣，因<100>方向垂直于{100}晶面，若{100}晶面與板面平行，則在厚度方向上就容易產(chǎn)生變形，R值就小。因此，為提高板材的深沖性能，應(yīng)設(shè)法增加平行于板面的{111}織構(gòu)，減少平行于板面的{100}織構(gòu)。2/1/202323夾雜物的作用夾雜物的類型、狀態(tài)以及分布對沖壓性能產(chǎn)生影響。在鋁鎮(zhèn)靜鋼中存在有由Al和鋼中的N相結(jié)合而形成的夾雜物AlN。AlN在高溫下溶于奧氏體內(nèi)，冷卻時在不同的溫度下，以不同的速度析出。若加熱后快速冷卻，使固溶體中的Al和N來不及以AlN的形式析出，便以過飽和的狀態(tài)存于鐵素體內(nèi)。2/1/202324在冷軋后晶粒被拉長，AlN在退火的加熱過程中析出，平行排列在冷軋纖維結(jié)構(gòu)之間。當(dāng)再結(jié)晶時，由于沿軋向平行排列的AlN阻礙了晶粒沿厚度方向長大而使晶粒成為拉長的薄餅形狀。此外，由于AlN能夠減少鋼中自由N的濃度，使之對位錯的釘扎作用減小或消除。這就會使屈服極限下降，有利于板材沖壓的進(jìn)行。2/1/202325在鋼中往往也存在著如硫化物、碳化物等不利的夾雜物。在軋制中被拉長的硫化物危害極大。碳化物也常為造成沖壓開裂的原因。同時由于夾雜物的影響而產(chǎn)生的帶狀組織也不允許超過規(guī)定。此外，在沸騰鋼中，由于偏析大、夾雜物多、帶狀組織嚴(yán)重，造成鋼板中部和邊部間的沖壓性能差別較大。而在鎮(zhèn)靜鋼中則不同，其偏析較輕，使銅板的中部和邊部的沖壓性能差別較小。但鋼板的表面質(zhì)量相反，沸騰鋼的表面質(zhì)量較好，而鎮(zhèn)靜鋼的表面質(zhì)量較差。2/1/202326形變時效的影響形變時效對鋼板，特別是對不用鋁脫氧的沸騰鋼板的沖壓過程有著重要的影響。在生產(chǎn)實(shí)踐中，鋼板進(jìn)行平整后，一般不可能馬上進(jìn)行沖壓。在存放和運(yùn)輸過程中，有時要發(fā)生形變時效，使其屈服點(diǎn)延伸增大，產(chǎn)生屈服平臺。2/1/202327當(dāng)用這種具有屈服平臺的鋼板進(jìn)行沖壓時，在沖壓件的表面上會形成所謂的“呂德斯帶”，使沖壓件的表面質(zhì)量下降。同時，由于形變時效的結(jié)果，也會使屈服極限升高，杯突值下降等等。形變時效是碳或氮原子向位錯中擴(kuò)散而形成了“柯氏氣團(tuán)”所引起的現(xiàn)象。顯然，如果鋼中有某種元素能與其中的碳或氮結(jié)合成穩(wěn)定的化合物，就應(yīng)該能夠免除或減輕形變時效。實(shí)踐證明，用鋁作鎮(zhèn)靜劑的鋼要比沸騰鋼的時效傾向小得多。08Al的形變時效不明顯，可能就是由于鋁和鋼中的氮作用而形成AlN的結(jié)果。2/1/2023284.3.3工藝參數(shù)控制目前對質(zhì)量要求很高的深沖和重深沖板材，通常是用鋁鎮(zhèn)靜鋼為原料。鋁鎮(zhèn)靜鋼板材大多是用在汽車制造上。為使鋼的屈服極限下降和延伸率增加，必須降低含碳量。一般規(guī)定，含碳量在0.08％以下。鋁的含量應(yīng)能保證形成適量的AlN，其值可取0.02－0.07％。2/1/202329以08Al鋁鎮(zhèn)靜鋼例08Al鎮(zhèn)靜鋼的良好沖壓性能的獲得是由于在鋼中具有餅形的晶粒。而這種晶粒又是AlN在適當(dāng)時機(jī)，以適當(dāng)?shù)男螒B(tài)析出的結(jié)果。這樣，在研究對沖壓性能的控制時，必須以獲得和控制AlN為主要出發(fā)點(diǎn)來進(jìn)行。2/1/202330熱軋工藝的控制板坯在加熱時，必須有相當(dāng)高的加熱溫度和相當(dāng)長的加熱時間，以便使AlN充分地溶解在固溶體內(nèi)。2/1/202331在生產(chǎn)中要求軋制溫度要盡量高些，軋后要進(jìn)行澆水急冷，其目的是防止AlN從熱軋板中析出。某廠規(guī)定，對成品厚度為2.0mm的帶材，其終軋溫度應(yīng)>840℃，并要求帶材軋出立即噴水，進(jìn)行均勻冷卻。2/1/202332熱軋帶材的卷取溫度要低。因成卷后冷卻速度減慢，若卷取溫度較高就會導(dǎo)致AlN的析出，不利于餅形晶粒的最后形成。一般認(rèn)為熱軋帶卷取溫度應(yīng)<620℃。2/1/202333冷軋工藝的控制在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：保證餅形晶粒形成且便于沖壓的冷軋總壓下量必須大于30％，小于65％。2/1/202334再結(jié)晶退火是使成品板材具有餅形晶粒的重要環(huán)節(jié)。再結(jié)晶之前就應(yīng)使AlN沿已變形的晶粒邊界或沿滑移帶析出。為此，加熱時要緩慢升溫或在再結(jié)晶尚未進(jìn)行的較低溫度給一定的保溫時間。然后再升至一定溫度進(jìn)行再結(jié)晶退火。退火后緩慢冷卻。2/1/202335如08Al鎮(zhèn)靜鋼的再結(jié)晶退火