冷轧薄板加工硬化指数及塑性应变比的测定及分析

冷轧薄板加工硬化指数及塑性应变比的测定及分析
黄微涛 向浪涛 张丽萍 （重钢股份公司钢研所)
摘 要：测定重钢生产的St14/SPCE 的 n 值、r 值，对试验结果进行分析，研究n 值、r 值在整个应变区间的变化趋势。

关键词：深冲薄板 n 值 r 值 SPCE St14
Measurement and Analysis of Working-hardening Index and Plastic Strain Ratio for Deep Stamping Sheet
Abstract: Measure the n and r of St14/SPCE produced by Chonggang Steel co.LTD, analysize the values, research the variation trend of n and r in the whole strain interval.
Keywords: Deep stamping sheet, n, r, SPCE St14
前言
众多研究表明，断后宽度缩减率、冲压开裂率、极限深拉比、孔径伸长率是表征材料深冲塑性的主要指标。

同时薄板材的加工硬化指数（n 值）、塑性应变比（r 值）又与以上指标有着良好的对应关系：随着r 值的增加，断后宽度缩减率也明显增加，而冲压开裂率明显降低；n 、r 值越大，汽车专用板材的深冲性能越好，极限深拉比越高；孔径伸长率伴随着r 值的增加而提高[1]。

公司冷轧薄板厂在开发SPCE 、St14深冲板初期，因缺少必要的检测手段未能开展n 、r 值的有关研究，常出现产品冲压性能不稳定，成型性能较差，并伴随出现冲压开裂的质量异议。

为此，钢研所与薄板厂共同确定了在钢研所补充少量的检测手段，将n 值、r 值的测定工作开展起来，这为深冲薄板的n 、r 值的研究创造了必要条件。

1 试验原理
1.1 塑性应变比r 值
对试样进行拉伸实验，测试制定塑性应变水平下长度和宽度变化，应变水平应超过屈服延伸阶段，并低于最大力时的塑性应变量。

在单轴拉伸应力作用下，试样宽度方向真实塑性应变和厚度方向真实塑性应变的比为r 值。

即
r=b ε/a ε （1）
式中b ε㏑(b /0b )，为宽度方向真实塑性应变；a ε=㏑(a /0a )，为厚度方向真实塑性应变。

由于长度的变形量比厚度的变形量测量更容易、更精确，在塑性变形深长量不超过最大力对应的塑性伸长量g A 范围内，由体积不变原理得到下式计算r 值。

r=㏑(b /0b )/㏑(0b /L b ) （2）
式中L 为试样进行制定应变后的标距、b 为试样进行制定应变后的宽度、0L 为试样原始标距、0b 为试样原始宽度[2]。

1.2 应变硬化指数n 值
试样在均匀塑性变形范围内以规定的恒定速率轴向拉伸变形。

用整个均匀塑性变形范围的应力—应变曲线，或用均匀塑性变形范围的应力—应变曲线的一部分计算拉伸应变硬化指数n 值。

在单轴拉伸力作用下，真实应力与应变数学方程式中的真实应变指数可表示为
n k εσ= （3）
式中，σ为真实应力，ε真实应变[3]。

2 试验方法
试验材料确定为SPCE 、St14钢种上，原料厂家为八钢和攀钢，产品厚度主要为1.0mm 和0.8mm 。

图1 应力—应变曲线
注：曲线1为长度方向应变，曲线2为宽度方向应变。

此外，为比较材料塑性应变的各项异性情况，需要测定与轧制方向成0°、45°、90°方向试样的r、n值。

采用单轴拉伸试样方法，利用横向、纵向引伸计对试样宽度、长度方向应变进行测量，并自动绘制材料的应力—应变曲线，如图1。

在均匀塑性变形阶段下，根据引伸计采集到的试样达到规定应变下数据，利用n、r值计算公式，自动计算出不同应变下的n、r值，以评价材料的成型性能。

3 测定结果及分析
3.1 试样宽度精度的影响
由于采用引伸计进行测定，试样的宽度精度对测试结果影响明显，具体见表1，从表中数据可发现，当标距内试样宽度有差异时，r值差别较大，n值基本不变化。

当试样宽度在0.2mm波动范围，不同变形量下r值波动范围从0.214到0.899，说明试样宽度的波动对材料塑性应变比的测试结果影响明显，而对加工硬化指数n值基本无影响。

表1 试样宽度精度与n、r值的关系
因此，在现有设备条件下，采用集中加工，提高剪切精度、减少磨床加工余量的方法，以减小宽度偏差，提高试样宽度精度。

从对宽度的测试情况来看，宽度12.5mm试样，实际宽度控制在12.7-13.0mm。

3.2 试样厚度的影响
取相同方向，以0°方向为例，不同厚度的SPCE试样比较其r、n值的差异，见表2。

从表中看出，同宽度下厚度从0.8mm增大到1.0mm，相同变形量下的n、r值均出现不同程度降低。

表2 厚度与n、r值的关系
3.3 试样方向的影响
取相同厚度，不同方向St14试样比较其r、n值的差异，见表3。

从表中看出：相同厚度、相同变形量下，r值在90°方向上高于0°方向， 45°方向最小；n值在90°、45°、0°方向基本相等。

表3 试样方向与n、r值的关系
3.4 变形量对r值的影响
取不同宽度、不同厚度、不同方向的试样，分别取变形量在3%、5%、8%、10%、15%、20%下进行了r值测试，得到的结果如表4、图2。

表4 变形量与r值的关系
从图形走势来看，r值随着变形量增加，逐渐增大，当变形量为8%-10%的时候，r有最大值，此后r值开始减小，变形量为15%-20%时，r值急剧降低，当变形量为20%时，r 值降低为最大值的50%左右。

而通常的汽车专用板材r最大值在变形量15%-20%时出现，这说明我们生产的深冲薄板能够承受的最大变形量较小，一般在8%-10%附近。

4 结论
（1）试样的宽度精度对试验测定结果影响较大，制取试样要尽量提高精度。

（2）检验的冷轧薄板r值随着变形量增加，逐渐增大，当变形量为8%-10%的时候，r 有最大值，此后r值开始减小，变形量为15%-20%时，r值急剧降低，当变形量为20%时，r 值降低为最大值的50%左右。

（3）冷轧薄板r值与试样取向有关，9O°时r值最大，45°时最小，0°时居中；n 值在90°、45°、0°方向基本相等。

（4）随着冷轧薄板厚度的增加，相同变形量下的n、r值均出现不同程度降低。

参考文献
[1] 梁新邦.力学试验标准化发展趋势[J].理化检验一物理分册,2003,39(1):39-42.
[2] GB/T 5027-1999，金属薄板和薄带塑性应变比（r值）试验方法[S].
[3] GB/T 5028-1999，金属薄板和薄带加工硬化指数（n值）试验方法[S].。