先进高强钢
解决对钢成形性增长的需求 斯图尔特—凯乐，彼得
1960年以前，对于高强钢的要求是通过高碳钢或冷轧钢来满足的。这些增加强度的办法都是以牺牲材料的成形性为代价的。后来又出现了通过热加工过程而发展起来的高强度低合金钢（HSLA）。这种合金在保证更高强度的同时，使成形性最小程度的降低。这源于钢的成分的改善，包括更小的晶粒尺寸，用其他元素去换铁原子，或者加入其他元素，以此来改变其晶体结构。早期的高强度低合金钢，其最大屈服强度只有30-50ksi, 新的高强度低合金钢，其屈服强度可以达到110ksi。
（注：关于这些板材成型的信息，来自于下面的参考文献。即高强钢的成型，来自于《金属成型》2009年四月刊）
现在，对于高强度钢有了更高的要求。具体包括：
1）通过减少钢板的厚度来实现减重的目的，随后再通过增加其屈服强度来补偿。通过结构分析，在保证板厚不变的同时，可以使钢板的屈服强度加倍。但是，随着板厚降低，屈服强度增加，板材的拉伸性能和弯曲性能会降低。
2）局部强化，这一点通常要求板材的成型方式从拉深成型转变为拉伸成型。考虑通过修剪，将其分成三个独立的且易于成型的部分，然后通过焊接将其连接起来。尝试将来自同一块板材的相同大小的部分，放入带有三个型腔的模具当中，在型腔之间没有粘结，使得板材可以流动并形成相邻的壁，这样成型模式就变为拉伸模式。随着强度的增加其拉伸性降低。 3）在那些易于发生严重局部变形的地方，高强度钢件应具有清晰的功能设计与特征线，这要求材料有更高的可拉伸性能。
AHSS或“新设计钢”
为了满足高强钢更高成型性的要求，钢材研究者们已经采取了一种全新的途径来增加钢材的强度。低强度钢和高强度低合金钢都只有单一的铁素体相—这是一种纯铁的微观结构，这种结构中碳含量很低。先进高强钢（AHSS）出了铁素体相外，还具有一个或多个微观相结构，诸如马氏体相，贝氏体相，还有残余奥氏体相。
普通高强钢等级可分为三种成型类型：
1）具有相同原始屈服强度和抗拉强度的钢，是根据钢的成型性的好坏决定了钢的级别。这种成型性的提高是总的延伸率对屈服强度的一种作用（图1）。对于材料的抗拉强度和加工硬化指数（n次方）也可以画出类似的曲线。与相同强度的低合金高强钢相比，双相先进高强钢总延伸率的增长使得冲孔半径对厚度的比例减小。双相钢能够在高应力的位置极大的限制材料的变形（应变）局部化。这些应变梯度的差异非常大，这些差异产生的一个主要原因是产品尺寸的不同。
图.1双相钢和相诱变可塑先进高强钢强度和延伸率之间的关系（Yield Strength:屈服强度，Total Elongation：总延伸率，DP：双相钢，TRIP：相诱变可塑钢）
另外，应变的最大值是显著增加的，并且在低于原来深度的情况下达到失效条件。双相钢的强化是从改变梯度开始的，同时减少甚至阻止他们的扩散。应变值提高是由于在微观组织中引入了马氏体区。
图.2用HSLA与DP成型前保险杠过程（Percent Stretch：拉伸比例，Centers of Original Circles：原界中心，Yield strength：屈服强度，Maximum Allowable Stretch：最大允许拉伸量）
图.2阐述了一种钢的前保险杠的成型过程研究的结果，这种前保险杠研究用到了多种低合金高强钢和双相钢。我们通过前保险杠测量出了两种带有尖峰的应变梯度。当检测双相钢是这种应变梯度发生了巨大的改变—当应变率达到7％至9％时就已使得双相钢产生疲劳。由于马氏体区的加入是非常重要的，冶金学家找到一种能补充新的马氏体区从而生产出更优质的钢—相变可塑性刚（TRIP）。这些钢的等级比单独的双相钢有能显著地使应变梯度变得平缓。另外，在局部缩颈处（成型极限曲线）的最大允许应变增长。
2）在保证成型性不变的情况下提高钢的屈服强度和抗拉极限。马氏体钢（MS，图.3）是一种具有坚硬马氏体结构的单相钢。取决于温度的不同，MS钢的总延伸率从15％到5％都有。用MS钢生产的大部分都是冷弯。
图.3 CP与MS级别钢的优势（Yield Strength：屈服强度，Total Elongation：总延伸率，Constant formability increased strength：一般成型增加的强度，Complex phase steel：多相钢，Martensitic steel：马氏体钢）
其他属于先进高强钢类别的都是有很多相（CP）的钢，这些钢的强度是由于它们有尺寸极细小的晶粒且微观组织中含有贝氏体，马氏体，残余奥氏体和珠光体。多相钢具有吸收高能量以及高残余变形能力的特征。
3）为了获得最终的性能需要特殊的加工过程。产品设计可以制造出以前认为不可能实现的的零部件。在现实生活中，一份采购订单可能需要成型非常复杂的部分，而这部分又要求如MS钢这样极高的强度。这份订单可能并不要求成型为MS—只是要求产品最终具有MS钢的性能。
现在制造的很多零部件都是采用热成型技术或者屈服强度为50到70ksi，总的延伸率为18％硼基钢。这种钢被加热到850到900℃，被放置在一个具有压力的情况下然后成型。成型屈服强度基本是6到13ksi，50％以上的总延伸率，
它们都是常数。我们能通过获得非常严重的变形来制造具有复杂特性的零部件。在快速成型后，冷模淬火的部分能达到MS钢最后的强度。然而比正常冲压速度慢很多的时候，使用更多的传统成型过程在打击过程中能生产出以前已经证明不能生产出的部件。
发展前景
从低合金高强钢到先进高强钢的发展趋势（图.4）是非常值得注意的。在北美生产轻型车辆的先进高强钢的用量从2007年的9.5％估计到2015年会增长到34.8％。
图.4 北美轻型车辆金属含量的预测（资料来源：世界各地制造，Conventional AHSS：普通高强钢，Advanced HSS：先进高强钢，Aluminum & Magnesium：铝和镁，Mild Steel：中强钢，Medium HSS：中强先进钢，Bake Hardenable：加热硬化）
我们现在依旧在寻找具有更好性能的先进高强钢。到目前为止，我们的讨论覆盖了第一代先进高强钢（图.5）。通过奥氏体基体化的第二代产品我们使成型性能得到了很大的提高，例如TWIP钢（双相诱变可塑性钢），这种钢在现在才刚开始做与生产实验的。然而这些钢能达到60％的总延伸率和非常高的n值，由于它们加入了很多有很高价格的合金元素导致它们非常昂贵。而且，它们复杂的成分使得它们焊接具有挑战性。
图.5 第二代高强钢—更好的性能，价格更低（Conventional Steels：传统钢，Austenitic-Based Steels：奥氏体化钢，Current Area of Research：当前区域研究，Improved properties：性能的提高，Reduced cost：价格的降低，Improved weldability：焊接性能的提高。）
许多研究者都认为大部分的零部件不需要第二代先进高强钢的机械性能，所以现在已经开始研究并发展第三代先进高强钢。第三代钢的特征是比第二代有更少的相，并且具有更好的成型性和焊接性。
特别关注的领域
尽管我们希望先进高强钢能应用于车辆和其他产品，但还是有很多的担忧。其中：回弹；成型速度和热量在模具中的积聚；以及压力的吨位和能量。
当成型较低强度的钢时回弹总是存在的，并且要求模具的补偿量满足图纸的要求。回弹量的大小直接与屈服强度有关。所以如下面的先进高强钢，尤其是CP和MS钢，由于回弹量太大导致极其的难以控制。（图.6）。然而一般低强度的AKDQ钢通常回弹量在2％到3％，HSLA钢的回弹量通常在8％到12％，MS钢的回弹量则在16％到24％之间。
图.6 不同屈服强度导致的各种回弹（Yield Strength：屈服强度，Springback：回弹，Strain：应变）
回弹，侧壁弯曲，平板扭曲在它们各自的成型过程中都有自己的初始不平衡应力。这种不平衡应力通常是由产品设计导致的—非对称的几何形状或裁剪过程，迅速变化的界面或不等的法兰长度。其他引起不平衡应力的因素有不确定的成型工艺参数，包括润滑，抛光，压边力，毛坯的定位以及拉拔机头的断裂和磨损。
由于在AHSS的应用中回弹是一个非常主要的影响因素，所以在设计阶段之前必须先指出回弹现象从而避免利用二次成形补偿回弹。为了在设计阶段把回弹降到最小，我们应：
•避免直角或者尖角。
•使用6到10°的较大敞开角来补偿过度弯曲和回弹。 •避免在两个内壁之间使用大的过渡半径。 •使用开放式而不是封闭式的冲压。
•在设计部件允许的部分采用加强筋，底阀，多处凸缘等等，来阻止弹性力的释放和减少回弹。
•在产品设计允许范围内设计与成型性相匹配的冲孔半径。当半径小于2t时能减小回弹角及板加工后的变化。
因为钢的加工硬化是由于拉伸超过模具半径导致的，这种增加的强度会引起回弹的增加和侧壁弯曲。这使得重新加工变得困难。因此，冲压锤应尽量限制材料移动而超过它们半径的现象。
汽车设计工程师经常会提出沟槽和帽檐结构在产品结构设计中的应用。不幸
的是，两块平行板或者是需要弯曲侧壁的板之间有90°夹角时，都会使得回弹增大的潜在可能性变大。在限制材料半径及运动的情况下为了获得需要的通道高度，成型帽檐部分需要两步方法—形成凸缘部分的加工过程（图.7）。首先，在成型90°角的半径是在过度弯曲面和回弹补偿部分的配合面。在帽檐部分的操作过程中使这部分顶端的大半径变得平缓，这可能需要在平面部分需要额外的过渡弯曲，顶部才产生平行板。
图.7 两步成型小半径帽檐部分（Part and Cro-Section After First Stage：第一阶段后零件截面部分，Part and Cro-Section After Second Stage：第二阶段后零件截面部分）
多部成型操作证明有助于零件形成小的，精确的几何特征，但是这只能在重新加工成型中实现。另外一个这样的方法叫做Shapeset，是由通用汽车研究开发的成型凸缘模具（图.8）。一个成型模具或拉深工具（没有拉伸机头）成型零件后，然后零件被放入到被设计好的用来锁定其他凸缘的第二个工具上。具有锁定机头的低压力垫作用在毛坯上，上模具钢距离底部机头中心（BDC）的少于或者接近6mm。然后零件被从一个模具导柱前拉伸至压到底部机头中心。
图.8 两步拉伸成型过程（punch：冲孔，Sheet steel：薄板钢，Mild steel：中碳钢，High strength steel：高强钢，All steel：所有钢）
在零件中产生的拉伸力（大约2％）能有效的减小剩余压力以及部分与部分之间的变化。较低的锁定装置需要避免在零件成型过程中零件的上升引起的反向压力垫。
用辊锻模成型的时候需要用到压力板来防止工件在成型过程中的滑动。对于印刷模具需要的压力板的要求通常与AHSS成型中所需要的冲孔力相等，加工AHSS压力板的压力是同等厚度HSLA的三倍。这种水平的夹持力在小的辊锻模或者小的模具面积内是很难达到的。
更多控制回弹的工具技术
模具材料的成型压力越大并且材料需进一步加工来减小回弹时可能会产生大的工具挠度。成型钢时必须控制钢具有合适的斜度来控制工具的挠度和保证零件的质量。
对于回弹来说压模应当包括用于补偿辊锻模而形成的过度弯曲。根据不同级别的钢，预计回弹角可高达10°。
图.9阐述了在由汽车/钢合作伙伴发表的高强钢设计冲压手册中发现的一种回弹补偿技术。凸缘钢的半径小于零件半径，再加上凸缘钢和导柱上的应力释放。
凸缘钢上的应力释放允许应用在成型半径上进一步施加压力。
图.9 在辊锻模中的过度弯曲（Pad:压力板，Flange steel：凸缘钢，Apply extra preure：施加的额外压力，Back relief on lower die：较低模具中的应力释放，Back relief on flange steel：凸缘钢中的应力释放）
在切实可行的情况下，考虑用旋转成型工具代替凸缘辊锻模。旋转成型工具证明更容易对回弹补偿量进行调节，以及辊锻模产生的拉伸载荷（额外的拉伸量）。
成型速度，能量，热量以及润滑条件
AHSS钢在拉伸试验随成型速度为10 in./in./sec.开始每增加十倍，屈服强度和抗拉强度只是增加很少的2到3ksi。这个压力的增加比AKDQ钢的增加要少。对于相同的成型速度，加工硬化指数保持常数。
然而随着挤压速度从每分钟12次增加到16次时，材料强度的增长几乎是可以忽略的，但零件数量，大量的能量和伴随热量增加达到了33％。当改变钢的类型从而改变强度是，越高强度的钢需要越大的力，这就导致了产生更多的能量和热量。这种热量的增加会导致润滑剂粘结甚至引起润滑剂的失效。
压力机吨位和能量
一个明显需要关心的问题是挤压机在挤压AHSS时能达到的最大力。但是最初的担心是，在实施挤压过程时所能达到的挤压能量并不确定并且需要压力机一直不停的运转。压力机的吨位和能量并相同。
压力机吨位的等级是显示了压力机所能施加的最大压力，这个力可以在不破坏它的框架结构，滑块组织，连接杆以及主齿轮衬套的结构下施加。计算吨位需要做的功（W）是作用力（f）与它工作距离（d）的乘积：W = f x d。
压力机的能量等级取决于所应用的压力机的载荷及施加的这个载荷所走过的距离。例如拉深HSLA，用200 tons的拉力走过3 in.的距离。这个过程需要600 in.tons的能量。成型AHSS则需要500 tons的力同样走过3 in.的距离，则需花费1500in.tons的能量。
因为每一次施加压力的过程当中都要消耗能量，而且这些能量一定会被取代，关键的注意力应该集中在主要的驱动马达（马力）的尺寸和飞轮的角速度上，尤其是在AHSS的应用上。飞轮上聚集的能量的数量依赖于它的质量和角速度—储存的能量随速度的平方而变化。因此，当压力机以全速运转时，飞轮中可以储存很大数量的能量。随着压力机速度的减小，储存的能量也会变少。这一点在实际中非常重要，因为很多模压工会减小压力机的运行速度来较少成型AHSS时产生的附加热。但是，在这样较低的速度下，飞轮的尺寸成为产生所要求的压力机能量的限制因素。我们建议通过计算机来模拟成型过程，从而评估冲压AHSS时的压力和能量要求。
最近，归因于一种伺服压力机的出现，用其来决定压力机的压力和能量要求—这是这个月的模具设计柱的研究主题，从42页开始。
先进高强钢（AHSS）的其他资料
对于AHSS以及它与HSLA之间的关系的一个重要参考是AHSS应用指南—2009.06,4.1版。它可以在www.daodoc.com网站免费下载。
另外，在Detroit,MI，2011.06.22—23号，由PMA组织将主持的斯图尔特—凯乐和彼得参加的为期连续两天的研讨会。这个研讨会奖讲述高强钢的加工过程以及冲压高强钢所用模具的设计和制造过程。更多资料请进入www.daodoc.com。
