QP980高强钢前纵梁后段零件冲压成形性分析

文：郭 运  刘贞伟   连昌伟  （宝山钢铁股份有限公司研究院；汽车用钢开发与应用技术国家重点试验室）

0.引 言

近年来，轻量化以及安全性能提升的需求使高强钢在汽车车身上的应用比例明显上升。其中，先进的高强钢因具有较高的强度和较好的成形性也备受关注和重视[4-6]。QP 钢（quenching & partitioning steel）作为最具代表性的第三代先进高强钢^（3^rd generation advanced high strength steel,3^rdAHSS），具有超高的强度，在变形过程中的TRIP效应（固态相

变）使该钢种同时兼备了良好的成形性。目前，QP钢主要用于车身安全结构件，尤其是难成形零件。

QP钢进入实际应用的时间较短，研究QP钢的成形特性是推广该钢种进一步应用的必要前提。 GAO X L 等通过 Nakazima 试验以及对断口形貌的观察，依据断裂准则对 QP980 的 FLC 进行了预测。借助DIC方法，DING L等研究了应变速率对 QP980材料断裂性能的影响，结果显示应变速率的提升会加速扩散缩颈向局部缩颈的转变，从而造成材料成形性下降。刁可山等通过对材料性能的比对研究认为 QP980 成形性能优于 DP980，与 DP780相当，并通过复杂样件的试冲验证了上述结论，QP 钢同样适用于液压成形，且成形性优于同级别的DP 钢。DU HJ等用 QP980 代替 DP600 进行某车型B柱加强板的生产，在不损失碰撞性能的同时实现零件单件减重2.4 kg，成本降低30%。

强度的提升在一定程度上会损失材料的成形性，高强钢零件的设计和工艺开发存在一定难度。造型相对复杂的关键部位零件多采用热成形，但是相对较高的开发成本限制了热冲压零件的应用。 QP钢超高的强度和良好的成形性使其具备“以冷代热”的潜力。研究从材料应用角度出发，对 QP980 材料特性进行了分析，并对某车型前纵梁后段零件进行成形性分析，提出了优化改善措施，为QP钢在类似深拉深零件上的进一步应用提供有益参考。

1.QP980材料特性分析

采用宝钢生产厚度为 1.6 mm 的 HC600/QP980钢板进行材料特性检测，主要化学成分如表 1 所示。光学显微组织形貌如图1所示，由铁素体（F）、马氏体（M）和残余奥氏体（A）三相构成。其中，残余奥氏体多以岛状形态分布于组织中。在塑性变形中残余奥氏体发生固态相变（即TRIP效应），避免过早的应力集中，提升材料的成形性能。残余奥氏体的含量和稳定性对TRIP效应影响明显，其稳定性对材料的成形性更为关键。

拉伸试验结果表明，QP980 的抗拉强度约 1 072 MPa，均匀延伸率可达到20%，主要拉伸性能如表2所示。硬化指数（n值）是衡量材料变形能力的重要指标，n值越大表明材料阻止过早的局部变形能力越强。对于超高强钢，n值具有明显的瞬态效应。以工程应变1%为步长，对应力应变曲线进行分段拟合计算，得到不同应变范围的瞬态n值分布，如图2所示。QP980材料的n值呈现稳步增长的特征，并在均匀变形结束时保持较高的指数，这是由于变形过程中的TRIP效应提升了材料的变形能力。QP钢可适用于造型相对复杂、变形量较大以及需要高强度的结构类零件。

通常采用成形极限曲线衡量薄板材料发生断裂失效之前所能达到的最大变形能力。利用Nakazima 试验法测得厚度为1.6 mm 的HC600/QP980 板料FLC曲线如图3所示，其中最低点FLC0=21%。

2 零件工艺性分析及有限元分析

前纵梁后段位于纵梁总成后部、前围板前下方，是正面碰撞时的主要传力路径，如图4所示。为保护乘员舱安全，减少碰撞侵入量，该部位多采用高强钢或超高强钢成形以避免碰撞过程中发生弯曲变形。

2.1工艺排布

零件为不规则形状，X方向上截面变化较大，Y 方向上呈非对称结构，端头为全开放式，如图 5 所示。造型特征决定了零件的成形和回弹控制都具有较大难度。将该零件的工艺方案设定为：拉深、激光切割、侧整形。

2.2可成形性仿真分析

采用数值模拟软件 AutoForm对零件进行全工序成形及回弹仿真分析，拉深工序有限元模型如图6所示，仿真材料参数如表3和表4所示。强化模型为 Swift/Hockett-Sherby 混合模型，屈服模型采用Hill模型。

拉深成形性及安全裕度如图7所示，该零件拉深成形的主要缺陷为开裂和起皱。其中一处开裂发生在顶部圆角，该位置也是拉深最深处，另外一处开裂发生在侧壁。拉深到底前3 mm的工艺补充面和零件产品面都出现了起皱，如图8所示。考虑软件对起皱判定标准的差异，认为工艺补充面的起皱在实际生产中可以消除，但零件表面的起皱需在产品设计过程中予以避免。

3.成形性改进措施

3.1 开裂原因分析及改进措施

QP980材料具有良好的成形性，均匀延伸率和 n值分别达到了20%和0.145以上，远高于同等强度 DP980 的 9%和 0.089，可用于深拉深零件的成形。前纵梁后段属于典型的深拉深零件，最大拉深深度达118 mm。通过FLD可以看到，2处开裂均位于一般拉深区域，无胀形和单向拉深情况发生，开裂是由于主应变过大所导致。观察料流方向，与主应变方向一致。因此，可以通过降低料流阻力的方式改善开裂的情况。零件初始拔模角度为3.25°～13.8°，建议增大拔模角度至10°以上。增大拔模角度不但有利于改善进料情况，还可以为后续回弹补偿留足空间。顶部圆角因造型变化急剧，材料成形阻力大，对该部位进行适当球化，有利于降低主应变以改善成形性。采用R100 mm的半径对圆角实施球化处理，整体冲压高度降低了约9 mm。

超高强钢的弯曲性能相对较差，由于奥氏体和铁素体的存在，QP钢的折弯性能优异。试验显示，厚度为1.2 mm的HC600/QP980板料90°弯曲时半径最小可达R0.5 mm，该零件设计内圆角半径为R8 mm。为进一步改善材料流入情况，将零件顶部倒角半径增大至R12~R15 mm，底部翻边圆角半径优化为R10~R12 mm。

3.2起皱原因分析及改进措施

起皱可分为失稳起皱和堆积起皱两类，失稳起皱主要是板料受压应力、不均匀拉应力及切应力作用，发生不均匀变形所致；堆积起皱主要是板料在流动过程中无法与模具贴合，局部区域板料面积大于相应的模具零件表面积，造成材料过剩无法被吸收，从而出现堆积起皱。拉深到底前5 mm附近的截面线如图9所示，此时后续起皱的区域仍处于悬料状态，横向（垂直于截面方向）材料截面线长度大于模具零件截面线长度。该位置零件表面的起皱属于堆积起皱，为吸收多余的材料，可在起皱的位置设置拉深筋或凹槽。经尝试，最终采用增设深度为5 mm的凹槽吸收多余材料的改进方案。

3.3改进措施验证

通过初步的成形性仿真计算及失效分析，对零件进行如下的优化和改进：①拔模角度增大至10° 以上；②开裂位置的顶部圆角采用R100 mm进行球化；③顶部倒角和根部倒角内半径分别优化至 R12~R15 mm和R10~R12 mm；④在产品前端顶部增加宽15 mm、深5 mm的吸皱凹槽。

采用 AutoForm软件对改进后的零件进行全工序仿真分析，拉深成形性及安全裕度如图10所示。原零件表面上的开裂及起皱情况均得到了改善，表明上述措施有效。

依据整改后方案进行零件开发和调试，实际冲裁零件如图11所示。实际开发中，前纵梁后段零件的侧壁卷曲和法向回弹量偏大，增加了调试的工作量。通过模具的多次调试，该零件开发实现了无开裂、起皱等现象，零件达到尺寸公差要求。

4.结束语

对宝钢生产的HC600/QP980 材料显微组织及基本力学性能进行了研究。研究结果显示QP980 材料具有良好的成形性，可用于深拉深零件的成形，具备“以冷代热”的工艺潜力。选取造型相对复杂，拉深深度较深的前纵梁后段零件开展QP980材料的应用研究，通过对零件拔模角度、倒角半径及局部特征的优化，成功开发出符合质量要求的 QP980前纵梁后段零件。由于QP钢强度高，回弹问题导致开发工作量大大增加，未来针对QP钢零件的回弹控制问题可开展更深入的研究。