不銹鋼的成型性能在很大程度上取決于材料在冷加工時(shí)，其屈服強(qiáng)度達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)的速度。當(dāng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)之間的帶域?qū)挾瓤s小時(shí)，說(shuō)明成型將會(huì)受到限制，見(jiàn)圖4-6。圖4-6所示的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)之間的寬度縮小，表明大部分屈服強(qiáng)度是可以使用的，但是任何進(jìn)一步的變形即會(huì)導(dǎo)致破裂。另一方面，不銹鋼加工性能的提高，顯示出屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)間的寬度較寬，并沒(méi)有收斂，如12Cr17Ni7(301),在相同冷加工變形量的情況下，這種材料具有較高的塑性，在成型過(guò)程中允許有較大的變形。
1. 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
從許多試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如包括杯突試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)以及真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變拉伸試驗(yàn)，對(duì)沖壓成型的所有相關(guān)數(shù)值中，只有從真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變拉伸試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，對(duì)冷成型來(lái)說(shuō)，才是最有實(shí)際意義的。
如圖4-6所示，12Cr17Ni7(301)不銹鋼成型所要求的能量要比其他奧氏體不銹鋼都大，同時(shí)在破裂前能經(jīng)受最大的延伸。12Cr13(410)和10Cr17(430)不銹鋼成型時(shí)所需的能量很小，然而在較低的延伸率下即可能發(fā)生破裂。
圖4-7所示的為六種不銹鋼的拉伸－延伸曲線(xiàn)。這六種不銹鋼中，有四種奧氏體型12Cr18Mn9Ni4N(202)、12Cr17Ni7(301)、12Cr18N59(302)、06Cr19N10(304),一種馬氏體型12Cr13(410)和一種鐵素體型10Cr17(430)。其數(shù)據(jù)是從圖4-7所示的杯突試驗(yàn)中得到的。奧氏體型不銹鋼的破壞形式與12Cr13(410)和 10Cr17(430)不銹鋼有所不同。奧氏體型不銹鋼的破裂線(xiàn)在沖頭半徑處的邊緣上，而且非常整齊，突杯底部的裂口就像被沖切出來(lái)一樣，如圖4-7中所示：而12Cr13(410)及10Cr17(430)型不銹鋼的破裂線(xiàn)則在突杯的側(cè)壁，呈現(xiàn)尖銳的鋸齒狀，這就表明劇烈的冷加工使鋼板產(chǎn)生了較大的脆性。
不銹鋼由于具有較高的屈服強(qiáng)度，所以成型時(shí)所需的成型力（也就是成型能量）比低碳鋼要大得多；一般說(shuō)來(lái)，要比低碳鋼大兩倍、因?yàn)閵W氏體型不銹鋼在冷加工過(guò)程中的加工硬化速度非常快，所以從原始狀態(tài)變形開(kāi)始所需的成型力要比鐵素體型鋼大得多、鐵素體型鋼非常類(lèi)似普碳鋼、雖然在開(kāi)始塑性變形時(shí)也需要較大的變形力、但變形開(kāi)始以后即無(wú)需再增加了。
2. n值與r值
薄板成型的應(yīng)變狀態(tài)可以用壓延和脹形兩種形式來(lái)概括。它們對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)就是起皺和頸縮。根據(jù)研究證明，這兩種失穩(wěn)的臨界狀態(tài)與材料的性能n、r值密切有關(guān)。n、r值被認(rèn)為是材料的基本成型性能指數(shù)。
深沖性是指金屬經(jīng)過(guò)沖壓變形而不產(chǎn)生裂紋等缺陷的能力。
評(píng)定板材的深沖性時(shí)，首先選用的是杯突試驗(yàn)（埃氏Erichsen),這是一種較為逼真的模擬試驗(yàn)。杯突試驗(yàn)是根據(jù)成杯時(shí)不開(kāi)裂的深度，來(lái)評(píng)定材料深沖性的優(yōu)劣。這種試驗(yàn)方法仍是目前廣泛使用的最簡(jiǎn)單的評(píng)定方法。隨后的失效分析方法，是借助于相關(guān)研究及變形過(guò)程的分析，提出反映深沖性的材料力學(xué)性能參量，對(duì)于這些參量的進(jìn)一步理解，可為提高材料的深沖性提供新的途徑。
a. n值
n值是加工硬化指數(shù)，它反映了金屬材料隨著加工過(guò)程而強(qiáng)化硬化的速度。n值常常用拉伸試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)表達(dá)。
首先要說(shuō)明的是斷裂原因及影響斷裂的力學(xué)因素。深沖時(shí)，沖頭周?chē)淖冃魏苄。d荷是從杯底通過(guò)杯壁的拉伸來(lái)傳遞的。假如載荷超過(guò)杯壁所能支持的最大載荷時(shí)，便會(huì)在杯底出現(xiàn)斷裂，如圖4-7所示。這時(shí)，一般會(huì)發(fā)生縮頸，即均勻延伸終止。
拉伸時(shí)，縮頸發(fā)生在載荷最大時(shí)，這便是縮頸（或塑性失穩(wěn)）的條件。
因此，n值愈大，則均勻拉伸值大，愈不易縮頸而拉延斷裂，深沖性愈佳。
b. 形變引起的各向異性
①. r值
r值是塑性為異向性材料的深度拉伸成型的特性評(píng)價(jià)指標(biāo)。r值是板材寬度方向的應(yīng)變與厚度方向的應(yīng)變之比。
我們要求被拉伸的板材的杯壁抗拉薄的能力要強(qiáng)，這樣就不會(huì)在沖壓成型時(shí)由于杯壁減薄而開(kāi)裂。也就是說(shuō)，希望板材的強(qiáng)度具有各向異性，板面上的強(qiáng)度要低于板厚方向的強(qiáng)度。這種材料的各向異性可以用簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)（見(jiàn)圖4-7)來(lái)測(cè)定寬度方向的應(yīng)變?chǔ)舧及厚度方向的應(yīng)變?chǔ)舤,這樣就能夠得到應(yīng)變之比r為：
r=εw/εt 很明顯，r值愈大，則深沖性愈佳。
r值主要是由于晶體織構(gòu)引起的，人們?cè)噲D建立這兩者之間的定量關(guān)系，然后通過(guò)控制織構(gòu)來(lái)改變r(jià)值。
②. 平均值r
可以測(cè)定板面不同方向的r值，如圖4-8所示的0°、45°、90°的r值，然后采取不同的權(quán)重方法求得r的平均值，例如：
r=1/4(ro+2r45+r90) 式中 平均值7-塑性為異向性的材料拉伸成型特性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。鐵素體系列不銹鋼中，其平均值r越大，其極限拉伸比就越高。
c. 雙向變形的成型極限
如圖4-9所示，拉伸時(shí)的杯壁和凸緣都處于雙向載荷，雖然用單向拉伸確定的n值和r值，基本上也能較好地了解深沖過(guò)程。但是，從雙向變形來(lái)理解深沖，是對(duì)深沖理論更進(jìn)一步的發(fā)展。當(dāng)出現(xiàn)明顯縮頸時(shí)，板材表面上的最大應(yīng)變與最小應(yīng)變的關(guān)系：應(yīng)變的組合低于最大應(yīng)變（成型極限）時(shí)不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，而高于最大應(yīng)變（成型極限）時(shí)就會(huì)開(kāi)裂。由此還可以將沖壓成型區(qū)分為兩種成型工藝，那就是具有正的最小應(yīng)變的成型叫做拉伸型，而具有負(fù)的最小應(yīng)變的成型叫做沖壓型。
①. 拉伸極限比（LDR)
拉伸加工時(shí)，相對(duì)于容器直徑d,可能拉伸的最大原料板直徑為Dmax時(shí)，Dmax/d則稱(chēng)為極限拉伸比。
②. 拉伸皺折
鐵素體系列不銹鋼在沖床上進(jìn)行深度拉伸加工時(shí)，在其表面上容易產(chǎn)生凹凸不平的皺折?？烧J(rèn)為是組合結(jié)構(gòu)不同而引起的塑性異向性。
③. 時(shí)效性斷裂
奧氏體系列不銹鋼，如06Cr19Ni10(304)等準(zhǔn)穩(wěn)定型奧氏體系列不銹鋼，在加工后有發(fā)生時(shí)效性裂紋的現(xiàn)象，但它與晶粒、晶界無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為是由于冷加工變形時(shí)誘變的馬氏體、氫和殘余應(yīng)力所致。
不銹鋼沖壓成型產(chǎn)品的需求，與沖壓加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展有著很大關(guān)系。同時(shí)也使得鐵素體系列不銹鋼深加工性鋼種已經(jīng)產(chǎn)品化。成型加工可以選定平均值r在1.2~1.8,拉伸極限比為2.2~2.5的鋼種。
在不銹鋼制品的沖壓加工成型中，如果使用的是奧氏體或鐵素體系列不銹鋼的高加工性能鋼時(shí)，就可以進(jìn)行一定程度的深度拉伸加工。奧氏體系列不銹鋼的代表型鋼種06Cr19Ni10(304不銹鋼),因?yàn)樗睦鞓O限比為2.5,可以進(jìn)行相對(duì)較大的深度拉伸加工。但由于加工硬化傾向大而急劇，增加了加工難度，有時(shí)竟會(huì)發(fā)生裂紋或斷裂。為此，在加工過(guò)程中就需要增加一道熱處理工序，熱處理之后再進(jìn)行深度拉伸加工。還必須注意，奧氏體系列不銹鋼的奧氏體穩(wěn)定程度較低的鋼種經(jīng)過(guò)拉伸后，有可能產(chǎn)生時(shí)效開(kāi)裂現(xiàn)象。
近年來(lái)，新開(kāi)發(fā)出的不銹鋼熱沖壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超深拉伸加工。熱沖壓技術(shù)就是將凹模或者凸模其中之一進(jìn)行加熱，這樣不銹鋼原來(lái)的拉伸程度就可以提高1.5~2.0倍。
3. 成型因數(shù)
拉伸性能主要是用鋼材冷加工硬化率的一個(gè)函數(shù)n來(lái)表示。n是真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率，它也等于拉伸試驗(yàn)中從均勻伸長(zhǎng)到頸縮開(kāi)始時(shí)的真應(yīng)變。在n值高的材料中，局部變形導(dǎo)致強(qiáng)度的急劇升高，其結(jié)果是抗拒進(jìn)一步變形，也是變形最劇烈的區(qū)域。因而隨后的變形被轉(zhuǎn)移到鄰近應(yīng)變較弱的區(qū)域，這就形成了應(yīng)變?cè)诖竺娣e范圍內(nèi)的均勻分布。在n值低的材料中，最終斷裂之前，局部變形不能使強(qiáng)度增加到足以阻止變形繼續(xù)進(jìn)行，因而使得頸縮區(qū)變窄。此時(shí)的變形是集中的，而不是分布在整個(gè)區(qū)域上。加工硬化性主要是由化學(xué)成分決定的。
拉伸性能與塑性應(yīng)變之比r有關(guān)。r是薄板的平面應(yīng)變與厚度方向的應(yīng)變之比。實(shí)際上，r是材料抗變薄的一種量度，它與加工硬化率無(wú)關(guān)。F>1時(shí)，表示材料具有較為有利變形的晶體織構(gòu)或取向，而且它是受軋制和退火方法所控制的。材料r值高時(shí)，表示當(dāng)它被拉伸進(jìn)入模具時(shí)，它的凸緣部分比較容易被壓縮，但被拉伸部分的側(cè)壁則能夠承受較高的拉伸負(fù)載，而不會(huì)變得太薄和引起斷裂，這些對(duì)于成型是極為有益的。
雖然可以從模擬試驗(yàn)中獲得有關(guān)拉伸性能和延伸性能方面的有關(guān)數(shù)據(jù)，但是，由于成型過(guò)程中存在著諸如潤(rùn)滑、模具圓角和間隙以及沖壓速度等機(jī)械方面的變化因素，所以只有仔細(xì)地將這些因素標(biāo)準(zhǔn)化，否則就不可能得到有實(shí)際意義的結(jié)果。
在單純的拉伸成型操作中，壞料的凸緣被壓邊環(huán)牢牢壓住，避免了坯料被拉入模具中的可能。確定拉伸性能的模擬試驗(yàn)，有杯突試驗(yàn)及水力擴(kuò)管試驗(yàn)。在杯突試驗(yàn)中，材料（試樣）被一個(gè)半球形的沖頭在模具中進(jìn)行拉伸。在擴(kuò)管試驗(yàn)（Olsen)中，圓管是用水力而不是沖頭，通過(guò)模具的開(kāi)口擴(kuò)展，這樣避免了由于使用機(jī)械工具而帶來(lái)的一些影響因素。在這些試驗(yàn)中，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)生破裂時(shí)杯突的高度（或深度）及圓管的凸起量。
在拉伸成型時(shí)，坯料凸緣受到約束，與此相反，在沖壓成型加工時(shí)，對(duì)凸緣的夾持壓力是由一個(gè)雙向作用的壓力裝置來(lái)控制，以使金屬流入模具，而不發(fā)生拉伸或褶皺。沖壓性能是采用可以確定拉伸極限比試驗(yàn)來(lái)測(cè)量的。直徑逐漸增大的坯料被拉制成圓筒形的平底杯，以便確定可以成功地進(jìn)行拉伸，而不致開(kāi)裂的坯件的最大尺寸限度。拉伸極限比等于最大的坯料直徑除以沖頭直徑。潤(rùn)滑方法、模具圓角和間隙都必須標(biāo)準(zhǔn)化，以便取得能夠重復(fù)出現(xiàn)的比較值。在表4-1中，對(duì)各種常用不銹鋼的成型性試驗(yàn)數(shù)據(jù)與低碳鋼的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。
奧氏體不銹鋼在拉伸操作中的優(yōu)越性，可以從它具有高的加工硬化率和擴(kuò)管試驗(yàn)的數(shù)值中看出來(lái)。比較起來(lái)，鐵素體不銹鋼在拉伸成型性方面稍差些，但也完全可以用于拉伸和沖壓兩者相結(jié)合的大多數(shù)成型加工中。所有這些不銹鋼都有極好的沖壓性能，這可以從它們的拉伸極限比和應(yīng)變比值看出來(lái)。
由于這些不銹鋼具有極好的固有性能，所以凡適用于碳鋼的所有的成型工藝，對(duì)這些不銹鋼也都是適合的。但是，對(duì)于奧氏體鋼的高強(qiáng)度、高加工硬化率和變形時(shí)需用較高的壓力和成型負(fù)荷，以及成型對(duì)工具和模具的強(qiáng)摩擦等情況，必須做好相應(yīng)的預(yù)防措施。
最大的均勻應(yīng)變是衡量不銹鋼沖壓成型性的最重要因素。一塊不銹鋼板坯料在成型時(shí)，我們希望其各部分都能產(chǎn)生均勻變形。如果鋼板的任一斷面的應(yīng)變超過(guò)最大均勻應(yīng)變時(shí)，則該處即會(huì)立即產(chǎn)生局部頸縮現(xiàn)象并導(dǎo)致開(kāi)裂，由于只有一個(gè)待定的總伸長(zhǎng)值是均勻的，所以用拉伸試樣的總應(yīng)變（或延伸）來(lái)表示沖壓成型性是不可靠的。
在分析沖壓成型性時(shí)，除均勻應(yīng)變外，其他因素都必須予以考慮，如成型性因數(shù)。成型性因數(shù)是可計(jì)算出來(lái)的一個(gè)參數(shù)，當(dāng)成型性因數(shù)小時(shí)，則表明沖壓成型性得到改善和提高。
成型性因數(shù)是精確表示不銹鋼沖壓成型性的一個(gè)指標(biāo)參數(shù)。對(duì)壓力成型性的這一指標(biāo)參數(shù)來(lái)說(shuō)，該參數(shù)的計(jì)算公式表明，影響成型性的三個(gè)拉伸性能指標(biāo)中，均勻應(yīng)變最為重要。
通過(guò)對(duì)上述分析可以看出，為了獲得最佳的成型性（成型性因數(shù)較低），我們希望最大負(fù)荷下的應(yīng)力值低，均勻應(yīng)變高和變形功大。但是，要想使最大負(fù)荷下應(yīng)力值低而均勻應(yīng)變又高，這兩個(gè)因素是相互矛盾的。如果為了改善成型性，使最大負(fù)荷下的應(yīng)力降低時(shí)，則均勻應(yīng)變也會(huì)同時(shí)降低。由于均勻應(yīng)變是影響成型性的最重要因素，所以最大負(fù)荷下的應(yīng)力愈低，其實(shí)際結(jié)果不是提高而是降低了成型性。為了改善成型性，必須增加均勻應(yīng)變值，甚至可以“犧牲”公式中的其他因素。
