薄板成形性

薄板成形性

薄板成形性(sheetmetalformability)

金属薄板冲压成形时抗断裂或失稳(总称失效)的能力。有的学者认为,薄板成形性还包括成形件的贴模性和形状稳定性。

薄板成形性不是材料的固有性质,它取决于设计变量(毛料、零件形状尺寸和模具)f(d)、过程变量(应力-应变状态,温度,润滑,速度),f(p)和材料变量(成分,组织,晶粒度,织构,第二相尺寸,形状和数量)f(m)。薄板成形性F可表示为:

F=[f(d),f(p),f(m)]在选择原料时,必须综合考虑制件的使用性能和原料本身的成形性能。具备最佳成形性能的材料应该是:

(1)加工时应变分布均匀;

(2)可达到高应变而无颈缩和断裂;

(3)承受平面内压缩应力而不起皱;(见压缩失稳)

(4)承受平面内剪切应力而不断裂;

(5)制件出凹模后能保持其形状,且表面光洁、损伤小。

当加工工艺条件一定时,薄板成形性主要取决于材料特性及其冶金学因素。

材料特性对成形性能的影响均匀分布应变的能力是薄板成形性的一种体现。冲压时,板材的应变分布越均匀,则对其成形越有利。而应变分布与材料的加工硬化指数n值、应变速率敏感指数m值和塑性应变比γ值(厚向异性系数)等3种特性有关,最终取决于n值和m值。使整体达到高的点应变量的能力则决定于许多因素,如基体材料、合金元素、温度、n值、m值、γ值、厚度、组织性能均匀性和夹杂与缺陷等。

硬化指数决定于流动应力与应变量的关系。对高n值的材料,流动应力随应变而迅速增加,这就将进一步的应变分布到那些低应变和低流动应力的区域。n值是拉胀(见薄板成形)工序时成形性好坏的指标。

应变速率敏感指数m为正值,表明流动应力随变形速率的增加而增加。结果有二:一是高速率成形时要求高的成形应力;二是变形速率一定时,由于流动应力的增加,材料的进一步变形受到约束,这有助于使应变分布得更为均匀。

高的n值和研值对拉胀成形性能有利,但对拉延性能影响较小。拉延时,在突缘金属被拉入凹模孔时不允许产生侧壁断裂,这时高的n、m值对侧壁的强化和防止侧壁断裂是有利的,但由于突缘的强化,金属难于拉入凹模,这是不利的。

塑性应变比γ值与拉延性能有关。γ值是材料抵抗变薄能力的度量。因拉延时,突缘材料在径向受拉、周向受压。γ值高表明材料具有良好的拉延性能。γ值常随板料的方向而变化,在冲制杯形件时,γ值的方向性会导致制件侧壁的高度不同(称制耳)。因而通常需要测定γ的平均值γ和板面内各向异性值△γ。

可以用成形极限图(FLD)表示金属薄板在出现局部变薄(失稳或颈缩)和断裂之前可能达到的变形水平。

材料成形性能对冲压件产生瓢曲或起皱的影响是一个被广泛研究的问题。拉延时,根据锥杯和冲杯试验的结果,通常认为高γ值和低△γ值可降低突缘和侧壁的起皱。n值的影响不是直接的,若压边力保持常数,则n值无影响。

与回弹有关的材料性能参数是:弹性模量E、屈服强度αs和应力一应变曲线的斜率或切向模量dσ/dε。

宽板弯曲时,金属处在平面应变状态。实验结果表明,铝合金比低碳钢的回弹更严重(E之比为3:1),高强钢比低碳钢的回弹值大(αs之比为2:1),双相钢比同样屈服强度的高强钢的回弹值大(双相钢的剪切模量大)。此外,几何因素明显地影响回弹量。随弯曲角、弯曲半径与板厚之比的增加,回弹量增加。

成形性与冶金学因素的关系材料的成形性及各种宏观力学特性与其微观因素(即冶金学因素)有着直接的关系,这些因素有织构、晶粒度、化学成分及夹杂物等。

(1)成形性与织构。织构的存在对金属材料的宏观性能有显著的影响,是造成材料各向异性的主要原因。

深冲用钢具有优良成形性的主要原因之一就是在轧制和再结晶退火后材料内形成很强的织构。体心立方结构的铁单晶沿晶胞对角方向强度最高,因为原子排列密度最大;沿面对角方向次之;沿体边方向最弱。如果方向垂直于板面,就能造成厚度方向的高强度,这正是γ值提高的原因,也是成形所需要的。

研究结果认为,面心立方金属和体心立方金属一样,也是板面为{lll}取向时γ值高,{100}取向时γ值低。由于γ值高成形性好,因此,{111}取向是使成形性提高的取向,而{100)取向是使成形性降低的取向。有的研究认为,{100}取向对成形性的影响更大,即使少量减少,{100)取向也会使成形性有相当的提高。而{111)取向增加的影响则不及{100}取向减少的影响显著。就织构对拉延中杯壁的强化效果而言,{111}和{110}取向大致相等,{100)取向造成的强度最低。在拉延中,使突缘变形所施加的力,以{111}取向为最小,{110}取向明显大于{111}取向,而{100}取向为最大。因而{111)织构对拉延是有利的。

(2)成形性与晶粒度。和一般结构用钢材不同,冲压用材并不追求高的σs值,相反希望有低的σs值以利于冲压变形和有较高的抗拉强度增加硬化效果。因此,冲压用材要求有较大的晶粒尺寸。

晶粒度对成形性的影响一般认为是对n值的作用结果。n值是受晶粒度影响最敏感的量,与γ值不同的是,n值在板材3个方向上的数据均比较接近。表示晶粒度与”值关系的有著名的莫里森(Morrison)公式:

n=5/(10+d-1/2)

式中d为平均晶粒直径,mm。通常生产的深冲钢板,其晶粒度是6~8级,晶粒尺寸为22~45μm,n值的变化值为0.04。大多数深冲钢板的n值在0.22左右,因此,晶粒度的变化可能使n值在0.18~0.26之间波动,这对板材成形加工的成功与否是至关重要的。

有的研究认为,钢的γ值与晶粒尺寸也有一定关系。晶粒长大增强了再结晶开始时形成的织构。所以增加晶粒尺寸对改善γ值是有利的。

虽然增大晶粒尺寸对提高成形性有利,但晶粒也不宜过大。晶粒度大于6级则会恶化成形后板材的表面状态。在平面应力条件下断裂时,大尺寸晶粒对局部应变有不利的作用。

(3)成形性与化学成分。钢的化学成分是决定钢板成形性的基础,因此,在生产冲压用钢中,对成分的严格控制是十分必要的。

碳:冲压用钢要求的碳含量很低,一般C<0.1%,常用的C≤0.08%(如中国的08Al),优质冲压钢C≤0.04%(如中国的K08Al),超深冲钢(IF钢)则达到C≤0.005%。低碳除了能降低屈服强度、提高塑性指标外,还可促进有利织构的发展。研究认为碳含量对有利织构的影响是以固溶碳含量的形式表现的。随钢中固溶碳含量的增加,平行于板法向的取向密度降低,而{100}附近的取向加强。如果没有固溶碳,则再结晶织构会强烈地优先选择平行于板法向的取向。固溶碳、氮原子还会使轧制后放置的钢板产生时效。钢中的碳在室温下大部分析出而形成碳化物,进而影响晶粒尺寸,间接地影响n值。

氮:氮一般能使钢的屈服强度和抗拉强度增加、硬度值上升并引起应变时效,还会和钛、铝等形成带尖角的夹杂物,这对冲压成形是不利的。因此冲压用钢总是要尽量降低氮含量。但对于铝镇静钢,则需要有适量的氮与铝形成氮化铝(AlN),以改善晶粒度,同时促进有利织构的形成和发展。

铝:铝在优质冲压钢中一般是作为脱氧剂加入的,其作用主要是去除吹氧冶炼时溶于钢液中的氧,另外作为定氮剂(形成AlN),抑制氮在铁素体内的固溶,消除应变时效,提高低温韧性。

氧:氧与许多元素的亲和力强,易于在钢中形成各种夹杂物,这对钢的性能不利。另外,如果氧过高也会影响其他添加元素的效果。如向钢中添加钛以固定碳和氮时,如果O≤0.015%,则钢的{111}织构强而{100}织构弱,γ值较高。但当O>0.015%时,则{111}织构强度明显下降,γ值也明显下降。

磷:在低碳钢中,适当加入磷,可以生产成形性优良的深冲高强钢板。有的研究认为,在脱碳脱氮的薄钢板中加入0.05%~0.08%的磷,反而可以提高钢板的γ值。

钛和铌:对钢而言,一般认为钛和铌是有用的合金元素,特别是在深冲钢中,这两种元素同氧、碳、氮都有极强的亲和力,是一种非常好的脱氧、固碳和固氮的元素。在低碳或超低碳(C≤0.005%)钢中加入适量的钛或铌,可以得到γ>2.0的优质深冲钢板和完全无时效钢。

(4)成形性与钢中夹杂物。夹杂物是降低钢材力学性能和工艺性能的主要因素。对于冲压钢板,不论沸腾钢、镇静钢,在铸锭表面附近有夹杂物时,轧制成薄板后,这些夹杂物就会暴露出来,成为缺陷。夹杂物一般是在炼钢、浇铸和凝固中产生的。在冲压用钢中常见的夹杂物有Al2O3、MnO、SiO2、MnS等。夹杂物往往是脆而坚硬的,其塑性与金属基体的塑性不同,材料未变形时可以和基体紧密结合在一起,一旦材料发生塑性变形,二者就会脱离,在金属内部形成孔洞并最终导致材料失稳和断裂。

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