本文将对拉伸试验和成形极限图（FLD）进行比较。
Lars Troive，SSAB高级成形专家
关于拉伸试验的问题
超高强度钢是一种应用于汽车行业的成熟材料，通常用于特定的车身结构加强件、保险杆加强件、车门防撞梁以及座椅框架和机构件。
超高强度钢有助于实现5星碰撞等级，并将部件重量减少40%。此外，使用超高强度钢还能够帮助主机厂商降低成本，提高生产效率，同时开发更多的创新部件设计，在市场上更具竞争力。尽管有这么多好处，许多主机厂商仍在选择较软的钢种，错失了竞争优势。原因是他们在考虑可成形性时只依赖拉伸试验的延伸率结果。
SSAB高级成形专家Lars Troive博士解释道：“拉伸试验是最常用的试验，其方法是将试样拉至断裂，然后测量它延伸了多长。这被称为延伸率。例如，如果测试零件的尺寸为80mm，然后在断裂前尺寸变为88mm，那就代表其延伸率为10%。”
他继续说道：“长期以来，拉伸试验一直是判断钢铁成形性的最常见做法，但这种方法并不能准确判断现代强度较高的钢种。这是因为这些强度较高的钢种表现不同，与传统较软的钢种相比，会产生更多局部塑性变形。”
预测超高强度钢变形的一种更准确的方法是通过创建成形极限图（FLD），亦被称为成形极限曲线。单个成形极限图（FLD）提供几种材料失效试验的图形描述，即使用不同的试样几何形状进行的杯凸试验。每个试样（即钢坯）都有其独特的宽长比，在失效前，会产生不同的变形模式。它们的变形模式不同，并拥有自己的应变路径。
在进行成形极限图（FLD）试验之前，每个试样先是被涂成白色，然后喷涂成“散斑图案”，试样被图案上的黑点随机地覆盖。涂白色底色是为了与黑色图案形成良好的对比。
在试验中，散斑图案由压机内置的两台摄像机拍摄。在整个成形操作过程中，摄像机捕捉到每个点的运动，从而在失效前估算出应变路径。当您在每种不同的（空白）几何形状上进行杯凸试验时，您将从每个试验中得到两个数值：主应变和次应变。然后在以X轴和Y轴组成的坐标系中画出成形极限图（FLD），并用一条线将获得的所有应变值连起来。这条曲线代表了钢的成形极限，意味着钢开裂的风险非常高。
图1：随机的散斑图案（左图）和绘制在成形极限图（FLD）上的主应变和次应变（右图）。
换言之，可成形性试验决定了钢铁在开裂前能成形到什么程度，这取决于应变状态以及材料变形方式。
图2中的拉深杯证明了超高强度钢在低延伸率值的情况下仍然可以成形。
图2：从软钢到超高强度钢的一组拉深杯，如1400M的拉伸强度是1400Mpa。
更精确的超高强度成形试验结果
“直观地来看，成形极限图（FLD）试验中细长试样的成形方式几乎与拉伸试验里的试样成形方式相同。”Troive说道，“当拉伸的时候，它在中间变窄，正如拉伸试验中的试样一样；这被
“我们做一个简单的试验，在拉伸试验的试样上，印上尺寸为2mm*2mm大小的方形网格图案，在其失效后进行测量。”Troive继续说道。“以百分比计算，在2mm的距离上发生的延伸量比在80mm的长度上发生的延伸量大很多——在拉伸试验中使用的衡量标准，即以毫米（mm）为单位的总延伸除以80mm，代表着80mm长度上的平均延伸量。”
图3：例如，测试相同强度的超高强度钢，在2mm范围内20%的局部应变（网格图案）比在80mm范围内所显示的百分比要大得多，这是在拉伸（拉延）试验中通常得到的结果。
这就解释了两种试验（拉伸试验和成形极限图试验）在试验结果方面存在巨大差异的原因，因此，超高强度钢可以成形到什么程度，得出的结论也各不相同。
解析成形极限图（FLD）
由于成形极限图（FLD）提供了有关特定的超高强度钢如何成形的最准确的数据，因此了解如何解析结果至为关键。
今天，汽车行业对成形过程通常采用有限元（FE）仿真分析。基于有限元仿真分析建立的成形极限图是一个非常重要的工具，因为它能够展示计算出的应变是否在安全的成形区域内，或者是否接近失效状态。
成形极限图可被分为三个部分：
- 右侧双向拉伸（拉延）
- 中间平面应变
- 左侧纯剪切（拉深）
Troive解释道：“我们尝试利用成形极限图，为许多具有不同应变路径的材料失效试验提供图形描述。总的来说，成形极限曲线以下的区域被认为是成形操作的安全区域。由于冲压工艺或材料特性的微小变化，为了给可能出现的波动留有空间，常见的做法是将曲线降低一些。成形极限图被广泛用作成形仿真分析或应变测量的断裂标准。”
“然而，在几种情况下，成形极限图是无法预测失效的。切割边缘就是其中的一种情况。切割边缘的延展性很大程度上取决于毛坯的切割方式。例如，是否使用了正确的切边间隙？模具是否锋利？等等。在这种情况下，我们需要以实际试验并将结果与在边缘处的应变水平进行比较。”Troive说道。（获取更多信息，请观看Docol®的研讨会点播视频“先进高强度钢实现高边缘延展性的方法”。）
不同的形状和成形类型将会使材料以不同方式变形。通常，最差的情况是当零件在纯平面应变的条件下成形。简单的弯曲是这种成形操作的一个例子，会造成最短的应变路径失效。还有可能改变应变路径。最简单的方式是优化毛坯的几何形状，防止材料被卡住，因此，材料需要拉延而不是拉伸。
对比拉伸试验和成形极限图试验的结果
一直以来，汽车制造商们都常使用较软的钢材，这种情况下拉伸试验和成形极限图试验得到的结果非常相似。换言之，拉伸试验一直以来都更加成熟，因此也更被广泛使用。只使用拉伸试验带来的风险是，错过了使用更高强度钢的机会。
“如果您只看拉伸试验的数据，您可能认为一切都不可能。但如果您分析下可成形性试验的结果，几乎达到100%的增长，例如在成形过程中实际区域应变从10%扩大到20%。对于汽车应用来说，通过分析成形极限图的数据而不是只看延伸率，就会产生各种可能性。”Lars Troive解释道。
图4：A80拉力拉伸试验（白色方块）和成形极限图试验2mm（灰色方块）（结果以%表示）。
当绘制拉伸试验中的延伸率结果和成形试验的结果时，随着钢材强度的增加，差异可以很容易地看到。
实际证明超高强度钢的可成形性
许多汽车主机厂商在选择材料时已经在参考成形极限图的数据了。此外，在汽车应用中，具有极高拉伸强度的超高强度钢可成形的证据已经存在。
例如，顺普集团（Shape Corporation）采用Docol® 1700MPa马氏体钢利用3D辊压成形工艺，为A柱和车顶纵梁管提供了更轻、更强和更节省空间的解决方案。这些更紧凑的设计增加了内部空间和驾驶员的视野，同时优化了福特2020 Ford Explorer和2020 Ford Escape安全气囊的位置。
使用高强度钢的其他优势
除了提供更出色的碰撞性能以及帮助减轻重量，选择合适的超高强度钢还可以为汽车制造商提供其他宝贵的优势：
- 使用的材料更少：超高强度钢独特的强度和技术特性可以使主机厂商（OEM）通过利用更薄的部件厚度来减少制造汽车部件所需的材料。
- 材料成本更低：在材料成本和成形成本方面，其他高强度轻质材料比超高强度钢的成本要高得多。
- 成形成本更低：尽管与使用更软的钢相比，您可能需要投资更强的模具部件，但超高强度钢通常使用传统的生产设备成形，这样您可以充分利用已有的机器设备。
- 成形更快，能耗更低：您也许可以用冷成形的先进高强度钢来取代热冲压的硼钢。无需复杂的热冲压模具（这也需要大量的能源用于加热和冷却），在加快生产时间的同时，还节约了成本。
- 焊接性：许多超高强度钢因其合金成分较少，可以使用标准焊接工艺进行焊接。
最大限度地发挥汽车零部件的设计潜力
汽车部件采用超高强度钢可以带来很多创新的可能性。然而，仅仅依靠拉伸试验的延伸率数据来判断可成形性，您很可能会选择较软的钢，从而错过了改进的机会。相反，如果参考成形极限图的试验结果，可确保您在选择超高强度钢时能获得最大的收益。
