超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用《翻譯文章》

#先進(jìn)高強(qiáng)鋼解決對鋼成形性增長的需求斯圖爾特—凱樂，彼得1960年以前，對于高強(qiáng)鋼的要求是通過高碳鋼或冷軋鋼來滿足的。這些增加強(qiáng)度的辦法都是以犧牲材料的成形性為代價的。后來又出現(xiàn)了通過熱加工過程而發(fā)展起來的高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）。這種合金在保證更高強(qiáng)度的同時，使成形性最小程度的降低。這源于鋼的成分的改善，包括更小的晶粒尺寸，用其他元素去換鐵原子，或者加入其他元素，以此來改變其晶體結(jié)構(gòu)。早期的高強(qiáng)度低合金鋼，其最大屈服強(qiáng)度只有30-50ksi,新的高強(qiáng)度低合金鋼，其屈服強(qiáng)度可以達(dá)到110ksi。（注：關(guān)于這些板材成型的信息，來自于下面的參考文獻(xiàn)。即高強(qiáng)鋼的成型，來自于《金屬成型》2009年四月刊）現(xiàn)在，對于高強(qiáng)度鋼有了更高的要求。具體包括：1）通過減少鋼板的厚度來實(shí)現(xiàn)減重的目的，隨后再通過增加其屈服強(qiáng)度來補(bǔ)償。通過結(jié)構(gòu)分析，在保證板厚不變的同時，可以使鋼板的屈服強(qiáng)度加倍。但是，隨著板厚降低，屈服強(qiáng)度增加，板材的拉伸性能和彎曲性能會降低。2）局部強(qiáng)化，這一點(diǎn)通常要求板材的成型方式從拉深成型轉(zhuǎn)變?yōu)槔斐尚??？紤]通過修剪，將其分成三個獨(dú)立的且易于成型的部分，然后通過焊接將其連接起來。嘗試將來自同一塊板材的相同大小的部分，放入帶有三個型腔的模具當(dāng)中，在型腔之間沒有粘結(jié)，使得板材可以流動并形成相鄰的壁，這樣成型模式就變?yōu)槔炷Ｊ?。隨著強(qiáng)度的增加其拉伸性降低。3）在那些易于發(fā)生嚴(yán)重局部變形的地方，高強(qiáng)度鋼件應(yīng)具有清晰的功能設(shè)計(jì)與特征線，這要求材料有更高的可拉伸性能。AHSS或“新設(shè)計(jì)鋼”為了滿足高強(qiáng)鋼更高成型性的要求，鋼材研究者們已經(jīng)采取了一種全新的途徑來增加鋼材的強(qiáng)度。低強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度低合金鋼都只有單一的鐵素體相—這是一種純鐵的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中碳含量很低。先進(jìn)高強(qiáng)鋼（ AHSS）出了鐵素體相外，還具有一個或多個微觀相結(jié)構(gòu)，諸如馬氏體相，貝氏體相，還有殘余奧氏體相。普通高強(qiáng)鋼等級可分為三種成型類型：1）具有相同原始屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的鋼，是根據(jù)鋼的成型性的好壞決定了鋼的級別。這種成型性的提高是總的延伸率對屈服強(qiáng)度的一種作用（圖 1）。對于材料的抗拉強(qiáng)度和加工硬化指數(shù)（n次方）也可以畫出類似的曲線。與相同強(qiáng)度的低合金高強(qiáng)鋼相比，雙相先進(jìn)高強(qiáng)鋼總延伸率的增長使得沖孔半徑對厚度的比例減小。雙相鋼能夠在高應(yīng)力的位置極大的限制材料的變形（應(yīng)變）局部化。這些應(yīng)變梯度的差異非常大，這些差異產(chǎn)生的一個主要原因是產(chǎn)品尺寸的不同。

RelationshipBetweenStrengthandElongationforDPandTRIPAHSSGrades70600%)ua」&0%)ua」&uoLUs4030201000200Fig.1500 800 1100 1400 1700YieldStrength(MPa)圖.1雙相鋼和相誘變可塑先進(jìn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度和延伸率之間的關(guān)系（ YieldStrength:500 800 1100 1400 1700YieldStrength(MPa)TotalElongation:總延伸率，DP:雙相鋼，TRIP:相誘變可塑鋼）另外，應(yīng)變的最大值是顯著增加的，并且在低于原來深度的情況下達(dá)到失效條件。雙相鋼的強(qiáng)化是從改變梯度開始的， 同時減少甚至阻止他們的擴(kuò)散。 應(yīng)變值提高是由于在微觀組織中引入了馬氏體區(qū)。Fig.2MaximumAllowableStretch65(450)45(310)ksi(MPa)Yieldstrength55(380)CentersofOriginalCircles80(550)FormingaFrantBumperwithHSLASieelsandaDPSteelFig.2MaximumAllowableStretch65(450)45(310)ksi(MPa)Yieldstrength55(380)CentersofOriginalCircles80(550)圖.2用HSLA與DP成型前保險(xiǎn)杠過程(PercentStretch:拉伸比例， CentersofOriginalCircles:原界中心，Yieldstrength:屈服強(qiáng)度，MaximumAllowableStretch :最大允許拉伸量)

圖.2闡述了一種鋼的前保險(xiǎn)杠的成型過程研究的結(jié)果，這種前保險(xiǎn)杠研究用到了多種低合金高強(qiáng)鋼和雙相鋼。我們通過前保險(xiǎn)杠測量出了兩種帶有尖峰的應(yīng)變梯度。當(dāng)檢測雙相鋼是這種應(yīng)變梯度發(fā)生了巨大的改變一當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到 7%至9%時就已使得雙相鋼產(chǎn)生疲勞。由于馬氏體區(qū)的加入是非常重要的，冶金學(xué)家找到一種能補(bǔ)充新的馬氏體區(qū)從而生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的鋼一相變可塑性剛（ TRIP）。這些鋼的等級比單獨(dú)的雙相鋼有能顯著地使應(yīng)變梯度變得平緩。 另外，在局部縮頸處（成型極限曲線）的最大允許應(yīng)變增長。2）在保證成型性不變的情況下提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉極限。馬氏體鋼（MS，圖.3）是一種具有堅(jiān)硬馬氏體結(jié)構(gòu)的單相鋼。取決于溫度的不同， MS鋼的總延伸率從15%到5%都有。用MS鋼生產(chǎn)的大部分都是冷彎。TheAdvantagesofCPandMSGrades50403020100200500 800 1100 1400 170050403020100200500 800 1100 1400 1700YieldStrength(MPa)0600Fig.3總延伸率，Constant圖.3CP與MS級別鋼的優(yōu)勢（YieldStrength:屈服強(qiáng)度，總延伸率，Constantformabilityincreasedstrength :—般成型增加的強(qiáng)度， Complexphasesteel :多相鋼,Martensiticsteel:馬氏體鋼)其他屬于先進(jìn)高強(qiáng)鋼類別的都是有很多相（CP的鋼，這些鋼的強(qiáng)度是由于它們有尺寸極細(xì)小的晶粒且微觀組織中含有貝氏體，馬氏體，殘余奧氏體和珠光體。多相鋼具有吸收咼能量以及咼殘余變形能力的特征。3）為了獲得最終的性能需要特殊的加工過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以制造出以前認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的的零部件。在現(xiàn)實(shí)生活中，一份采購訂單可能需要成型非常復(fù)雜的部分，而這部分又要求如MS鋼這樣極高的強(qiáng)度。這份訂單可能并不要求成型為MS-只是要求產(chǎn)品最終具有MS鋼的性能?，F(xiàn)在制造的很多零部件都是采用熱成型技術(shù)或者屈服強(qiáng)度為50到70ksi，總的延伸率為18%硼基鋼。這種鋼被加熱到850到900C，被放置在一個具有壓力的情況下然后成型。成型屈服強(qiáng)度基本是6到13ksi，50%以上的總延伸率，它們都是常數(shù)。我們能通過獲得非常嚴(yán)重的變形來制造具有復(fù)雜特性的零部件。在快速成型后，冷模淬火的部分能達(dá)到MS鋼最后的強(qiáng)度。然而比正常沖壓速度慢很多的時候，使用更多的傳統(tǒng)成型過程在打擊過程中能生產(chǎn)出以前已經(jīng)證明不能生產(chǎn)出的部件。發(fā)展前景從低合金高強(qiáng)鋼到先進(jìn)高強(qiáng)鋼的發(fā)展趨勢（圖.4）是非常值得注意的。在北美生產(chǎn)輕型車輛的先進(jìn)高強(qiáng)鋼的用量從2007年的9.5%估計(jì)到2015年會增長到34.8%。PredictionsforMetallicContentinNorthAmericHnLiytitVeHidesMediumHSS15.8%BakeHardenabte6.6%「MediumHSS15.8%BakeHardenabte6.6%「t.A<%毀嚴(yán)dAluminum&ConventionalHSSHSS12.7% 95% 08%MildSteel546%CorrventionalHSS2.2%AdvancedHSS34MiklSteelCorrventionalHSS2.2%AdvancedHSS34MiklSteel29%BakeHardenable&MediumHSS66%Fig.4_Source:Duck&rMZbr/cAvwfeAluminum&Magnesium2.5^b圖.4北美輕型車輛金屬含量的預(yù)測（資料來源：世界各地制造， ConventionalAHSS:普通高強(qiáng)鋼，AdvaneedHSS:先進(jìn)高強(qiáng)鋼，Aluminum&Magnesium:鋁和鎂，MildSteel:中強(qiáng)鋼，MediumHSS:中強(qiáng)先進(jìn)鋼，BakeHardenable:加熱硬化）我們現(xiàn)在依舊在尋找具有更好性能的先進(jìn)高強(qiáng)鋼。 到目前為止，我們的討論覆蓋了第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼（圖.5）。通過奧氏體基體化的第二代產(chǎn)品我們使成型性能得到了很大的提高，例如TWIP鋼（雙相誘變可塑性鋼），這種鋼在現(xiàn)在才剛開始做與生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的。然而這些鋼能達(dá)到60%的總延伸率和非常高的n值，由于它們加入了很多有很高價格的合金元素導(dǎo)致它們非常昂貴。 而且，它們復(fù)雜的成分使得它們焊接具有挑戰(zhàn)性。Next-GenAHSS-BetterPropertiesTReducedCost70%Generation2Austenitic-Based60 ConventionalSteelsHSIFHSLA-CurrentAreaofResearch?Improvedproperties?ReducedcostGeneration30 70%Generation2Austenitic-Based60 ConventionalSteelsHSIFHSLA-CurrentAreaofResearch?Improvedproperties?ReducedcostGeneration30 0 200 500 ?lmpnwedwddabilrty'Generation1]Fig.58001100T&nslieStrength(MPa^14001700圖.5第二代高強(qiáng)鋼一更好的性能，價格更低（ ConventionalSteels:傳統(tǒng)鋼，Austenitic-BasedSteels:奧氏體化鋼， CurrentAreaofResearch:當(dāng)前區(qū)域研究，Improvedproperties:性能的提高， Reducedcost:價格的降低，Improvedweldability焊接性能的提高。）許多研究者都認(rèn)為大部分的零部件不需要第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的機(jī)械性能， 所以現(xiàn)在已經(jīng)開始研究并發(fā)展第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼。第三代鋼的特征是比第二代有更少的相，并且具有更好的成型性和焊接性。特別關(guān)注的領(lǐng)域盡管我們希望先進(jìn)高強(qiáng)鋼能應(yīng)用于車輛和其他產(chǎn)品，但還是有很多的擔(dān)憂。其中：回彈；成型速度和熱量在模具中的積聚；以及壓力的噸位和能量。當(dāng)成型較低強(qiáng)度的鋼時回彈總是存在的，并且要求模具的補(bǔ)償量滿足圖紙的要求?；貜椓康拇笮≈苯优c屈服強(qiáng)度有關(guān)。所以如下面的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，尤其是CP和MS鋼，由于回彈量太大導(dǎo)致極其的難以控制。（圖.6）。然而一般低強(qiáng)度的AKDQ鋼通?；貜椓吭?%到3%,HSLA岡的回彈量通常在8%到12%,MSH的回彈量則在16%到24%之間。SpringbackVarieswithYieldStressYieldStrengthFig.6圖.6不同屈服強(qiáng)度導(dǎo)致的各種回彈 （YieldStrength:屈服強(qiáng)度，Springback:回彈，Strain:應(yīng)變）回彈，側(cè)壁彎曲，平板扭曲在它們各自的成型過程中都有自己的初始不平衡應(yīng)力。這種不平衡應(yīng)力通常是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)導(dǎo)致的一非對稱的幾何形狀或裁剪過程，迅速變化的界面或不等的法蘭長度。其他引起不平衡應(yīng)力的因素有不確定的成型工藝參數(shù)，包括潤滑，拋光，壓邊力，毛坯的定位以及拉拔機(jī)頭的斷裂和磨損。由于在AHSS勺應(yīng)用中回彈是一個非常主要的影響因素，所以在設(shè)計(jì)階段之前必須先指出回彈現(xiàn)象從而避免利用二次成形補(bǔ)償回彈。為了在設(shè)計(jì)階段把回彈降到最小，我們應(yīng)：?避免直角或者尖角。?使用6到10。的較大敞開角來補(bǔ)償過度彎曲和回彈。?避免在兩個內(nèi)壁之間使用大的過渡半徑。?使用開放式而不是封閉式的沖壓。?在設(shè)計(jì)部件允許的部分采用加強(qiáng)筋，底閥，多處凸緣等等，來阻止彈性力的釋放和減少回彈。?在產(chǎn)品設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)設(shè)計(jì)與成型性相匹配的沖孔半徑。當(dāng)半徑小于 2t時能減小回彈角及板加工后的變化。因?yàn)殇摰募庸び不怯捎诶斐^模具半徑導(dǎo)致的，這種增加的強(qiáng)度會引起回彈的增加和側(cè)壁彎曲。這使得重新加工變得困難。因此，沖壓錘應(yīng)盡量限制材料移動而超過它們半徑的現(xiàn)象。汽車設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會提出溝槽和帽檐結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 不幸

的是，兩塊平行板或者是需要彎曲側(cè)壁的板之間有90。夾角時，都會使得回彈增大的潛在可能性變大。在限制材料半徑及運(yùn)動的情況下為了獲得需要的通道高度，成型帽檐部分需要兩步方法一形成凸緣部分的加工過程（圖.7）。首先，在成型90°角的半徑是在過度彎曲面和回彈補(bǔ)償部分的配合面。 在帽檐部分的操作過程中使這部分頂端的大半徑變得平緩，這可能需要在平面部分需要額外的過渡彎曲，頂部才產(chǎn)生平行板。Two-StepFormingaHatSectionwithSmallRadiiFig.7PartandCross-Section

AfterFirstStagePartandCross-Section

AfterSecondStageFig.7PartandCross-Section

AfterFirstStagePartandCross-Section

AfterSecondStage圖.7兩步成型小半徑帽檐部分（PartandCross-SectionAfterFirstStage:第一階段后零件截面部分，PartandCross-SectionAfterSecondStage:第二階段后零件截面部分）多部成型操作證明有助于零件形成小的，精確的幾何特征，但是這只能在重新加工成型中實(shí)現(xiàn)。另外一個這樣的方法叫做Shapeset，是由通用汽車研究開發(fā)的成型凸緣模具（圖.8）。一個成型模具或拉深工具（沒有拉伸機(jī)頭）成型零件后，然后零件被放入到被設(shè)計(jì)好的用來鎖定其他凸緣的第二個工具上。 具有鎖定機(jī)頭的低壓力墊作用在毛坯上，上模具鋼距離底部機(jī)頭中心（ BDC）的少于或者接近6mm。然后零件被從一個模具導(dǎo)柱前拉伸至壓到底部機(jī)頭中心。

圖.8兩步拉伸成型過程（punch:沖孔,Sheetsteel:薄板鋼,Mildsteel:中碳鋼,Highstrengthsteel:高強(qiáng)鋼，Allsteel:所有鋼）在零件中產(chǎn)生的拉伸力（大約2%）能有效的減小剩余壓力以及部分與部分之間的變化。較低的鎖定裝置需要避免在零件成型過程中零件的上升引起的反向壓力墊。用輥鍛模成型的時候需要用到壓力板來防止工件在成型過程中的滑動。 對于印刷模具需要的壓力板的要求通常與AHSS成型中所需要的沖孔力相等，加工AHSS壓力板的壓力是同等厚度HSLA的三倍。這種水平的夾持力在小的輥鍛?；蛘咝〉哪＞呙娣e內(nèi)是很難達(dá)到的。更多控制回彈的工具技術(shù)模具材料的成型壓力越大并且材料需進(jìn)一步加工來減小回彈時可能會產(chǎn)生大的工具撓度。成型鋼時必須控制鋼具有合適的斜度來控制工具的撓度和保證零件的質(zhì)量。對于回彈來說壓模應(yīng)當(dāng)包括用于補(bǔ)償輥鍛模而形成的過度彎曲。 根據(jù)不同級別的鋼，預(yù)計(jì)回彈角可高達(dá)10°。圖.9闡述了在由汽車/鋼合作伙伴發(fā)表的高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)沖壓手冊中發(fā)現(xiàn)的一種回彈補(bǔ)償技術(shù)。凸緣鋼的半徑小于零件半徑，再加上凸緣鋼和導(dǎo)柱上的應(yīng)力釋放。

凸緣鋼上的應(yīng)力釋放允許應(yīng)用在成型半徑上進(jìn)一步施加壓力OverbendinginaWipingDieBackrelief□nflangesteelFlange

steelApplyextrapressureBackrelief□nflangesteelFlange

steelApplyextrapressureBackreliefonlowerdie圖.9在輥鍛模中的過度彎曲（Pad:壓力板，F(xiàn)langesteel:凸緣鋼，Applyextrapressure施加的額外壓力，Backreliefonlowerdie:較低模具中的應(yīng)力釋放， Backreliefonflangesteel:凸緣鋼中的應(yīng)力釋放）在切實(shí)可行的情況下，考慮用旋轉(zhuǎn)成型工具代替凸緣輥鍛模。旋轉(zhuǎn)成型工具證明更容易對回彈補(bǔ)償量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及輥鍛模產(chǎn)生的拉伸載荷（額外的拉伸量）。成型速度，能量，熱量以及潤滑條件AHSS鋼在拉伸試驗(yàn)隨成型速度為10in./in./sec.開始每增加十倍，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度只是增加很少的2到3ksi。這個壓力的增加比AKDQ鋼的增加要少。對于相同的成型速度，加工硬化指數(shù)保持常數(shù)。然而隨著擠壓速度從每分鐘12次增加到16次時，材料強(qiáng)度的增長幾乎是可以忽略的，但零件數(shù)量，大量的能量和伴隨熱量增加達(dá)到了33%。當(dāng)改變鋼的類型從而改變強(qiáng)度是，越高強(qiáng)度的鋼需要越大的力，這就導(dǎo)致了產(chǎn)生更多的能量和熱量。這種熱量的增加會導(dǎo)致潤滑劑粘結(jié)甚至引起潤滑劑的失效。壓力機(jī)噸位和能量一個明顯需要關(guān)心的問題是擠壓機(jī)在擠壓AHSS時能達(dá)到的最大力。但是最初的擔(dān)心是，在實(shí)施擠壓過程時所能達(dá)到的擠壓能量并不確定并且需要壓力機(jī)一直不停的運(yùn)轉(zhuǎn)。壓力機(jī)的噸位和能量并相同。壓力機(jī)噸