先进高强度钢V型模弯曲过程中的变形行为研究

V型模弯曲测试是汽车工业必需的资格认证测试，因其可模拟大规模折弯机成形操作。研究人员采用不同尖端半径的冲头，结合数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）表面应变测量技术，评估了强度与公称厚度均相同的双相（Dual Phase，DP）钢、复相（Complex Phase，CP）钢及淬火配分（Quenching and Partitioning，QP）钢在V型模弯曲测试中的变形行为。拉伸测试测得的应变硬化率显著影响应变局部化、弯曲脊线处的应变水平及回弹。QP980钢表现出可在高应变水平下持续保持的高应变硬化率，这种优异的硬化行为直接归因于该钢中持续的应变诱导马氏体相变（Transformation Induced Plasticity，TRIP）效应，以及其组成相之间的高力学失配。因此，该钢的应变集中、弯曲脊线切向应变及回弹角均更低。DP980钢的应变硬化率在屈服阶段极高，这是其典型的复合效应所致，但随变形快速下降，导致该钢在测试结束时表现出更高的应变局部化与弯曲脊线切向应变。CP980钢表现出高屈服强度，这削弱了其应变硬化能力，导致高回弹角；然而TRIP效应在屈服后提升了其应变硬化率，使其测试结束时的应变局部化与切向应变低于DP980钢。基于实验结果，QP980钢是最适合V型模成形的材料，因其弯曲脊线处应变集中更低，可抑制裂纹萌生并提供更优的回弹控制。

该研究针对汽车车身轻量化对先进高强度钢（Advanced High Strength Steels，AHSS）的应用需求展开，此类多相钢虽可实现强度与塑性的良好匹配，但在局部成形操作中易发生严重应变局部化，导致界面脱粘或硬相断裂，且现有研究多聚焦于小跨距的VDA 238-100标准测试，与大工业生产中采用的宽跨距V型模弯曲力学机制存在显著差异，亟需明确不同微观结构AHSS在宽跨距V型模弯曲中的变形规律。研究人员选取三种抗拉强度均为980 MPa的商用AHSS——冷轧镀锌双相（DP）钢DP980、冷轧镀锌复相（CP）钢CP980、冷轧镀锌淬火配分（QP）钢QP980，通过V型模弯曲测试结合数字图像相关（DIC）应变测量，系统探究了材料拉伸性能对弯曲过程中应变分布、演化、弯曲力矩及回弹的影响，研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

为开展研究，研究人员采用了三类关键技术方法：首先制备三种目标AHSS试样，沿垂直轧制方向取样，试样边缘经打磨避免预制裂纹；其次依据ASTM E8标准开展准静态单轴拉伸测试，获取屈服强度、均匀延伸率、真应变硬化率等基础力学性能；最后采用90°V型模具开展三点弯曲测试，冲头尖端半径设置为1 mm、2 mm、3 mm，测试过程中分15级加载并卸载，通过3D DIC系统采集凸面应变场，结合力学公式计算弯曲力矩与回弹角，所有测试均设置三组平行样以保证数据可靠性。

研究结果分为六个部分。第一部分为拉伸性能表征，结果显示三种钢均呈连续屈服特征：CP980因贝氏体存在屈服强度最高（941±11 MPa），QP980因持续TRIP效应均匀延伸率（15.9±1.3%）与总延伸率（22.1±0.4%）显著高于其余两种钢；应变硬化率曲线表明，DP980初始硬化率高但衰减快，QP980硬化率可在高应变区间持续保持，CP980则在低应变区出现TRIP效应导致的硬化率峰。第二部分为V型模弯曲测试阶段划分，通过载荷-位移曲线与形貌观测，将变形过程明确分为三个阶段：空气弯曲阶段（试样仅由模具肩支撑，载荷先快速上升后缓慢下降）、拉拔阶段（试样法兰与模具壁接触，载荷快速上升）、压印阶段（冲头将试样压入模具型腔）。第三部分为应变局部化分析，通过弯曲脊线处切向应变的半高宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）量化集中程度，结果表明冲头半径越小应变集中越显著，DP980的FWHM最小（应变最集中），QP980的FWHM最大（应变分布最均匀）。第四部分为切向应变演化规律，峰值切向应变随归一化冲头行程呈两阶段增长：空气弯曲阶段匀速上升，拉拔阶段增速显著提高；QP980全程应变水平最低，DP980在测试结束时应变最高，采用1 mm冲头弯曲时DP980试样弯曲脊线中心区域出现开裂。第五部分为弯曲角度测量，空气弯曲阶段加载弯曲角随行程增大至约90°，经验公式在低跨距VDA测试中会高估弯曲角，在本研究的宽跨距V型模测试中则低估弯曲角。第六部分为弯曲力矩与回弹分析，空气弯曲阶段应用弯曲力矩始终低于基于流变曲线计算的最小弯曲力矩，差值随行程增大源于接触摩擦增强；回弹角在空气弯曲阶段随行程增大，拉拔阶段快速降低，CP980因屈服强度高全程回弹最大，QP980回弹最低，且在测试末期出现负回弹（前弹）；冲头半径对回弹的影响因钢种而异，DP980随半径增大回弹升高，含残余奥氏体的CP980与QP980则相反。

讨论部分进一步关联微观结构与变形机制：QP980的持续TRIP效应维持了高应变硬化率，促使变形分散、曲率半径增大，是其抗局部化与低回弹的核心原因；CP980的早期TRIP效应虽提升了后期硬化能力，但高屈服强度仍导致其回弹显著；DP980的快速硬化率衰减使其在变形后期出现最严重的应变集中。研究最终证实，微观结构差异导致的应变硬化行为不同，是三种钢V型模弯曲性能差异的根本来源，QP980的综合成形性能最优。

结论部分明确七项核心发现：一是QP980因残余奥氏体的渐进应变诱导马氏体相变，具备可持续至高应变区的优异应变硬化率，弯曲脊线变形集中与峰值应变均最低；二是CP980屈服强度极高导致初始应变硬化率低，TRIP效应在低应变区（塑性应变0.003-0.03）耗尽，均匀延伸率显著低于QP980，但硬化率衰减慢于DP980，测试末期峰值应变低于DP980；三是压印阶段起始时间随冲头半径增大提前，QP980的压印起始更早；四是空气弯曲阶段应用弯曲力矩与基于流变曲线预测的最小弯曲力矩的差异，源于试样与模具肩接触点的摩擦作用；五是回弹在空气弯曲阶段随弯曲角增大而升高，拉拔阶段可有效降低回弹，DP980与QP980测试末期出现前弹，CP980因需更高弯曲力矩回弹水平最高，QP980因高应变硬化率回弹角最低；六是冲头半径对回弹的影响具有钢种依赖性，DP980随半径增大回弹升高，含残余奥氏体的CP980与QP980则相反；七是三种钢中QP980最适合折弯机弯曲操作。