Неравномерность пластической деформации холоднокатаных сталей повышенной прочности в процессах листовой штамповки

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 низкои 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 макрои 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 микрои макропластической неравномерности деформации;

2. разработать показатели количественного определения макрои микропластической неравномерности деформации в процессах однои 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-сталсйI.

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 микрои макродеформации ири однои 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 макрои 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 макрои 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 макрои 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 макрои 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 деформацииб) 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 аи 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 однои 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).