автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Неравномерность пластической деформации холоднокатаных сталей повышенной прочности в процессах листовой штамповки

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Холоднокатаные листовые стали повышенной прочности

1.2 Основные показатели штампуемости листовых сталей и методы их определения

1.2.1 Пластичность при одноосном растяжении

1.2.2 Показатель деформационного упрочнения

1.2.3 Нормальная пластическая анизотропия

1.2.4 Комплексные критерии штампуемости

1.2.5 Диаграммы предельных деформаций (РЬО-кривые)

1.2.6 Диаграммы предельных устойчивых деформаций 25 /

1.3 Влияние микрострукгуры на неравномерность пластической деформации стали

1.4 Выводы и задачи исследования

2. Материал и методика исследования

2.1 Состав и свойства исследуемых материалов

2.1.1 Микролегированные стали

2.1.2 Стали повышенной прочности: двухфазные и ТЯ1Р-стали

2.2 Методика определения механических свойств при одноосном растяжении

2.2.1 Стандартные механические характеристики

2.2.2 Коэффициент нормальной анизотропии

2.2.3 Коэффициент деформационного упрочнения

2.3 Исследование неравномерности пластической деформации в процессах одно- и двухосного напряженного состояния

2.3.1 Определение полей деформаций

2.3.2 Система оптического обсчета полей деформации АикЮпс!®

2.3.3 Определение показателя неравномерности пластической деформации

2.4 Построение диаграмм предельных деформаций

2.5 Металлографические и текстурные исследования

2.5.1 Металлографические исследования в оптическом и растровом электронном микроскопе

2.5.2 Стереологические методы и количественные структурные показатели

2.5.3 Параметры текстуры

2.6 Статистическая обработка результатов

3. Экспериментальные исследования предельного формоизменения в процессах осесимметричной формовки заготовок из листовых холоднокатаных сталей

3.1 Формовка гидростатическим давлением

3.2 Формовка механическим пуансоном с жестким прижимом фланца заготовки

4. Неравномерность пластической деформации тонколистовых холоднокатаных сталей в процессах одно-и двухосного напряженного состояния; Закономерности развития микроструктуры и текстуры

4.1 Закономерности развития неравномерности пластической деформации

4.2 Неравномерность пластической деформации при одноосном растяжении в колонне растрового микроскопа 1п эКи-методом

4.3 Стереологические и количественные показатели микроструктуры листовой холоднокатаной стали при оценке НПД

4.3.1 Индекс анизотропии А1 и показатель поворота границ зерен в направлении максимальных деформаций а)

4.3.2 Деформация микроструктуры

4.4 Компьютерное моделирование структурных изменений в процессах одно- и двухосного напряженного состояния

4.4.1 Одноосное растяжение

4.4.2 Гидроформовка

4.5 Особенности строения изломов исследуемых образцов

4.6 Текстура холоднокатаной листовой стали в процессах однои двухосного напряженного состояния при оценке НПД

4.6.1 Одноосное растяжение

4.6.2 Гидроформовка

4.6.3 Формовка жестким пуансоном

5. Построение диаграммы предельных устойчивых деформаций учетом макро- и микроструктурной неравномерности деформации

6. Исследование неравномерности пластической деформации в процессах формовки с использованием способов регулирования толщины

6.1 Комбинированная формовка

6.2 Гидроформовка с противодавлением жидкостью

Выводы

Повышение эффективности использования металлопродукции является актуальной задачей современного развития производства. Особое внимание уделяется снижению массы машин и механизмов за счет повышения прочности сталей и, соответственно, увеличения допустимых нагрузок. Однако увеличение прочности часто сопровождается снижением технологической пластичности, определяющей возможности холодной листовой штамповки (ХЛШ), или ухудшением характеристик разрушения, определяющих эксплуатационную надежность стальных деталей.

Практика холодной штамповки тонколистовых холоднокатаных низко- и ереднелеги-рованных сталей повышенной прочности (СПП-сталей), используемых в автомобилестроении, показывает, что применяемые в настоящее время показатели штампуемости ис всегда дают достоверную информацию о качестве листового проката, т.к. не учитывают влияние структуры и неравномерности пластической деформации (НПД) в процессах формообразования.

В связи с этим особую актуальность приобретает комплексный подход к оценке штампуемости листовой стали, учитывающий, наряду со стандартными механическими характеристиками и показателями штампуемости, влияние структурных изменений при ХЛШ па развитие макро- и микропластической неравномерности деформации материала.

В большинстве известных работ [1-9] изучено влияние параметров структуры на показатели прочности и технологической пластичности, в том числе применительно к бесперлитным двухфазным ферритно-мартенситным сталям (ДФМС) и сталям с пластичностью, наведенной превращением, (ТШР-сталям), применяемым в качестве листовых сталей для холодной штамповки (прежде всего, в автомобилестроении). Оказалось, что стали этих классов обладают благоприятным сочетанием прочности и пластичности при сравнительно невысоком значении предела текучести в исходном состоянии, что позволяет получить высокий уровень прочности штампуемых деталей и снизить их массу на 15-20% [10-18]. Однако опыт производства СПП-сталей показывает широкое рассеяние пластических характеристик в зависимости от уровня прочности стали и параметров их структуры [19-23], к которым относятся: объемная доля, форма, размеры и распределение участков мартенсита, а также размеры зерна и состояние твердого раствора феррита. В связи с этим неотъемлемой частью повышения качества металлопродукции является разработка новых критериев, учитывающих особенности микроструктуры и установление количественных закономерностей, связывающих изменения в структуре стали с процессами пластической деформации [23-31]. В настоящее время довольно подробно исследована микронеоднородность пластической деформации в процессах одноосного растяжения и влияние на неё структурных параметров, что однако пс позволяет прогнозировать поведение материала в условиях сложнонапряжснного состояния, осложняет выбор и разработку оптимальных режимов деформации.

В связи с этим целыо настоящей работы является определение взаимосвязи между микроструктурой тонколистового холоднокатаного материала и распределением полей деформаций в различных процессах формоизменения. Особое внимание уделено изучению течения материала в процессе гидростатической формовки в сравнении с традиционной формовкой жестким пуансоном и разработке оценочного структурно-чувствительного количественного показателя неравномерности пластической деформации, который мог бы использоваться при построении диаграмм предельных устойчивых деформаций.

Работа является частью комплекса исследований, ироводимых Фрайбергской Горной Академией (Германия) по заказу Немецкого Научного Сообщества (Deutsche Forschungsgemeinschaft) в рамках общего проекта "Исследование изменений микроструктуры высокопрочных сталей в процессах холодной листовой штамповки».

В диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи:

1. исследовать структурно-деформационные изменения в СПП-сталях в процессах XJILLI и закономерности развития их микро- и макропластической неравномерности деформации;

2. разработать показатели количественного определения макро- и микропластической неравномерности деформации в процессах одно- и двухосного напряженного состояния и методику построения диаграмм предельных устойчивых деформаций;

3. методами компьютерного моделирования оценить влияние способа деформации на распределение полей деформаций в микроструктурных составляющих СПП-сталсй; I

4. использовать показатель неравномерности пластической деформации в процессе комбинированной формовки и гидроформовки с противодавлением жидкостью для определения условий максимального снижения неравномерности деформации в изделии;

5. определить оптимальные технологические режимы деформации СПП-сталей при комбинированной формовке и гидроформовки с противодавлением жидкостью, обеспечивающие минимальную неравномерность деформации но контуру куполообразных изделий.

Новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• всесторонне исследованы и описаны неравномерность микро- и макродеформации ири одно- и двухосном напряженном состоянии листовых холоднокатаных / СПП-сталей;

• разработан структурно-чувствительный метод определения стадии устойчивой деформации применительно к процессам изготовления тонкостенных осесим-метричпых оболочек гидроформовкой и формовкой жестким пуансоном;

• разработан и предложен новый метод определения момента потери устойчивости деформации в процессах ХЛШ, применяемый при построении диаграмм предельных устойчивых деформаций для гарантированного получения качест- / венных изделий при максимальном использовании ресурса деформационной пластичности материала.

Практическая ценность работы заключается:

• в разработке количественных структурно-чувствительных показателей макро- и микропластической неравномерности деформации сталей повышенной прочности;

• в разработке метода определения момента потери устойчивости в процессах ХЛШ листовых материалов по величине показателя неравномерности деформации па диаграмме предельных деформаций, гарантирующего получение качественных деталей;

• в снижении неравномерности деформации по контуру куполообразных изделий и увеличении протяженности стадии устойчивой деформации в процессах комбинированной формовки и гидроформовки с противодавлением жидкостью. Оба процесса формовки рассмотрены с позиций регулирования толщины в конечном изделии;

• полученные в диссертационной работе результаты и разработанные методы построения диаграмм предельных устойчивых деформаций вошли в курс лекций и лабораторных работ по теме «ХЛШ кузовных деталей автомобиля из СПП-сталсй» для студентов Фрайбергской Горной Академии по специальности ОМД.

Основные положения, которые выносятся на защиту:

1. закономерности развития макро- и микронеравномерности пластической деформации в процессах ХЛШ;

2. влияние структурно-деформационных характеристик на неравномерность пластической деформации (НПД);

3. оценка ресурса деформационной пластичности материала в процессах ХЛШ но характеристикам стадии устойчивой деформации: показателю неравномерности пластической деформации А„пд, индексу анизотропии А1 и протяженности второй стадии 11ПД Дs¡ тах;

4. методы построения диаграммы предельных устойчивых деформаций по показателям макро- и микронеравномерной пластической деформации.

1. Литературный обзор

Выводы

1. В результате исследований структурно-деформационных изменений в высокопрочных сталях ОРбОО и ТЯ1Р700, а также в стали ОСОб в процессах ХЛШ установлено, что пластическая деформация, протекающая в макро- и микрообъемах образца, крайне неравномерна и ее распределение, установившееся на начальной стадии пластического течения металла, сохраняется в процессе последующего деформирования.

2. Проведенные исследования позволили выявить трехстадийпость протекания неравномерности пластической деформации в исследованных процессах формовки, при которой снижение исходной НПД на 1-ой стадии ведет к стабилизации процесса на стадии устойчивой деформации, переходящей в стадию ее ускоренного роста. Представляющие большой практический интерес две последние стадии деформации (их длительность, абсолютные значения и монотонность изменения НПД) зависят от структуры материала и условий деформирования. При этом установлена прямая взаимосвязь НПД с линейной и угловой компонентами деформации. Так: а) чем больше угловая компонента деформации, тем больше протяженность стадии устойчивой деформации; б) резкое увеличение показателя угловой компоненты деформации со является критерием достижения момента потери устойчивости течения, сопровождающегося формированием и развитием межфазных микротрещин, предшествующих окончательному разрушению материала.

3. В результате исследований структурных изменений выявлено, что в мартенситсодержащих сталях момент потери устойчивости в процессе формовки жестким пуансоном и одноосного растяжения характеризуется разрушением и дроблением мартенситных пачек, а также количественным изменением полюсной плотности кристаллографических ориентировок (СЮР) вдоль а- и у-волокон. При этом процесс гидроформовки, реализующийся в условиях минимальных значений НПД, не приводящих к разрушению мартенситной фазы, характеризуется увеличением длительности стадии устойчивой деформации, а также ростом СЮР вдоль а-волокна.

4. На основе проведенных исследований разработаны показатели количественной оценки макро- (АНцД) и микропластической (А1) неравномерности деформации в процессах одно- и двухосного напряженного состояния, а также методика построения диаграмм предельных устойчивых деформаций (ДПУД), позволяющие эффективно использовать запас деформационной пластичности материала в том числе при разработке сложных комбинированных технологических процессов ХЛШ.

5. Методами компьютерного моделирования проанализировано деформационное поведение различных структурных составляющих в СПП-сталях при одноосном и двухосном (гидроформовка) напряженном состоянии. Компьютерное' моделирование микроструктурных деформаций показало хорошую сходимость с результатами in situ растяжения, а также позволило разработать алгоритм деформации для процесса гидроформовки с низкими значениями НПД на межфазных границах. Установлено влияние схемы НДС на распределение полей деформаций в структурных составляющих, а также показана роль межфазных границ и мартенситной составляющей как центров локализации НПД.

6. Результаты проведенных исследований НПД в процессах XJIIII легли в основу выбора технологических параметров для процессов комбинированной формовки (формовка жестким пуансоном + гидроформовка) и гидроформ-процесса (гидроформовка с противодавлением жидкостью) тонких оболочек из СПП-сталей. Изменения величины жидкостного противодавления и момента (относительной высоты купола) перехода от одного способа деформации к / другому на стадии устойчивой деформации позволили существенно снизить НПД в изделии (в 1,3-1,5 раза по сравнению с «чистой» гидроформовкой и в 1,3- -2,4 раза по сравнению с формовкой жестким пуансоном).

1. Engl В.: Hochfeste und höchstfeste warm- und kaltgewalzte Stähle für den . Fahrzeugbau, Tagungsband Meform 2000 - 30.-31. März 2000, Freiberg, s.37-67

2. Müller W.: High-strength steel for lightweight auto body manufacture, Thyssen technische Berichte Nr.6 (1999)

3. Bleck W., Steinbeck G.: Stahlwerkstoffe für den Automobilleichtbau, Materialprüfung Nr.43 (2001), s.6-16

4. Winkelgrund R.: Werkstoffe im Automobilbau, Sonderausgabe von ATZ/MTZ 19981999, s.76-80

5. Magee G.Z., Davies R.G.: Factors influencing automotive application on high strength steels. Journal of Metals, 1980, Vol.32, No. 11, p.28-35

6. Demeri M.Y.: The formability of a dual-phase steels. Met. Trans., July 1981, Vol.l2A p.l 187-1196

7. Magee G.Z., Davies R.G.: Automotive sheet steels for the 1980's. Ann Arbor. Michigan, June 17-18, 1980, paper 3, p. 1-12

8. Голованенко C.A., Фонштейн H.M. Новый класс материалов ферритно-мартепситпые стали высокой штампуемости //Сталь.-1980. No.7, с.615-620

9. Фонштейн Н.М. Структура и механические свойства низколегированных сталей с ферритно-мартенситной структурой. Новые конструкционные стали и сплавы и методы их упрочнения. - М., Металлургия, 1984, с.81-86.

10. Anforderungen an Karosseriewerkstoffe, Stahl und Eisen 115 (1995) Nr.4: s.55-63

11. Drewes E.-J.: Höherfeste Stähle heute und morgen, Stahl und Eisen 119 (1999) Nr.5, / s.l 15-122

12. Голованенко С.А., Фонштейн Н.М. Новый класс материалов — ферритно-мартенситные стали повышенной прочности в автомобилестроении //Автомобильная промышленность.-1982 No.8. с.27-29

13. Review of high strength steels available. Iron and Steel Int., 1980 Vol.57 No.2 p.46-47

14. Dual-phase steels: a product for eighties. Iron and Steel Int., 1981 Vol.54 No.2 p.89-90, 92-93, 95-97, 99

15. Balliger N.K., Naylor D.Y., Dasarathy C., Hudd R., e.a. Developments in dual-phase steels by the British Steel Corporation. "Adv. Phys. Met. And Appl. Steels. Proc. Int. Conf. Liverpool, 21-24 Sept. 1981". London, 1982, p.349-361

16. Onic M.,Zaip J.,Bodin A.'.Review of high strength steels application for autobody I parts. 41-st Intern. Conf. Proceedings , Baltimor, Maryland, USA,24-27 oct.,1999.

17. Shpelle J. О., Ollson К.,Use of high strength steels for light weight vehicles and crashworthiness improvement. Symposium Proceedings "High Strength steel automotive industry", Baltimor, Maryland, USA, 16-19 oct., 1994.

18. Stanley L. Dual-phase steels their characteristics and beneficial properties. Int. j Heat., 1980, Vol.47, No.9, p. 18-20, 22

19. Голованенко C.A., Фонштейн II.M., Букреев Б.А. и др. Опыт производства * штампуемых холоднокатаных сталей с ферритпо-мартенситпой структурой. Сталь, №6, 1985, с.68-71.

20. Тихонов А.К. Стратегия применения сталей для автомобилестроения. Труды четвертого конгресса прокатчиков, т.1, Магнитогорск, 16-19 октября 2001г.,с.34-37.

21. Ефимов А.А., Фонштейн Н.М., Голованенко С.А. Влияние предварительной ' термической обработки на механические свойства ферритно-мартеиситной стали при статическом и динамическом нагружении. Термическое упрочнение при пркатке., М., Металлургия, 1985.

22. Kawalla R., Lang С., Lotter U. Beitrag der quantitativen Metallographie zur Optimierung von Gefuegen. Stahl und Eisen 114, 1994, Nr. 7, S. 61-70.

23. Орлов JI.Г., Саррак В.И., Соловьев В.А. и др. Проблемы пластической деформации и разрушения металлов и сплавов В кн.: Металлургия. Стали, сплавы, процессы. - М., 1982, с.223-235.

24. Голованенко С.А., Фонштейн Н.М. Конструкционные двухфазные стали. -Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. — М., ВИНИТИ, 1983, с.64-120. ,

25. Фонштейн Н.М., Скороходова Л.Г., Якубовский О.Н. и др. Влияние структуры на показатели технологической пластичности холоднокатаных низколегированных сталей повышенной прочности. — Металловедение и термическая обработка металлов. 1986, №9, с.58-60.

26. Reip Т., Grass Н. Mikrostrukturentwicklung waehrend und nach Massivumformung eines ausscheidungshaertendcn ferritisch-perlitisehen Stahles. Proceedings of 10th International Students Day of Metallurgy, Leoben 2003, p. 127-132.

27. Durst К., Goeken М. Quantitative Gefuegecharakterisierung mittels Rasterkraftmikroskopie und Elektronenmikroskopie Eine vergleichende Studie der 1 Superlegierung Waspaloy. Praktische Metallographie 38,2001, S.197-208.

28. Ohser J. Statistical analysis of microstructures a review of new development. Praktische Metallographie 38, 2001, S.151-168.

29. Soppa E., Schmauder S., Fischer G., Ritter R. FE-Modellierung des plastischen Werkstoffverhaltens unter Beruecksichtigung der Mikrostruktur. Freiberger Forschungshefte „Simulationstechniken in der Materialwissenschaft", 1999, S.l 10.

30. Slibar A.: Optimized passive safety crashworthiness of the passenger car as the goal of vehicle dynamics and biomechanics. Vienna tech. univ, Austria 1992, p.596

31. Hourman Т., Hochard J.L.: Use of dual phase high strength steels for lightweight vehicles and crashworthiness improvement. 32nd ISATA Symposium Proceedings: Materials for Energy-Effective vehicles (1999), p.207-215 /

32. Lopez I.P., Verdeja J.P. // Metaux Deformation. 1984 No.87 p.27-32

33. Tamura K., Shiokawa M. Proceedings of intern. Conf. "HSLA Steels: Technology and Applications". Philadelphia, USA 1983. p.503-514

34. Kruska J-U., Freier К. Symposium Proceedings "High-Strength steels for automotive industry". 1994. p. 159-169

35. Yoshida K., Yamamoto Y., Abe K. Report: On the application of high strength steel sheets for autobody parts, 1975

36. Пикерииг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Пер. с англ. -М.: Металлургия, 1982, 182с

37. Roos Е., Maile К.: Werkstoffkunde fur Ingenieure, Springer Verlag, Berlin 2002

38. Kawasaki Т.: Steel Techn. Rep., 1981, No.2, p.1-12

39. Pat. DE 380 3054. Preussag Stahl AG. Salzgitter. Germany.

40. Zimnik W., Freier K., Hussy S. //Preprint from Steel Research issue No.8/9/1993. p.420-424

41. Голованенко C.A., Фонштейн H.M. Двухфазные низколегированные стали. М.:Металлургия, 1986, 206 с.

42. Furukawa Т., Morikawa Н., Takechi Н. Structure and properties of dual-phase steels. R.A. Kot and J.W. Morris, ads. AIME. New-York. 1979. p.281-303

43. Ehrhardt В.: Verbesserung der Umformeigenschaften von hochfestem Warm- und Kaltband aus niedrig legierten Stählen durch Restaustenit, Aachen, Technische Hochschule, Diss., 1999

44. Engl В.: Modern LC and ULC sheet steels for cold forming: processing and properties. International Symposium. Aachen, Germany. 30.03-01.04, 1998, p.39-5047