影響不銹鋼成形性的因素包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率以及加工硬化對(duì)這些性能的影響。不銹鋼的化學(xué)成分也是影響其成形的重要因素之一。
1. n值與r值
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)定板材的深沖性能時(shí)，首先選用的是杯突試驗(yàn)（埃氏Erich-sen），這是一種模擬試驗(yàn)，根據(jù)成杯時(shí)不開(kāi)裂的深度來(lái)評(píng)定深沖性的優(yōu)劣。這種方法仍是目前廣泛使用的最簡(jiǎn)單評(píng)定方法。隨后，失效分析方法，借助于相關(guān)性研究及變形過(guò)程的分析，提出反映深沖性的材料的力學(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。
①. 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)化的速度。n值常常用拉伸試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)表達(dá)。
首先說(shuō)明斷裂的原因及影響斷裂的力學(xué)因素。深沖時(shí)，沖頭周圍的變形很小，載荷是從杯底通過(guò)杯壁的拉延來(lái)傳遞的。假如載荷超過(guò)杯壁所能支持的最大載荷，便會(huì)在杯底出現(xiàn)斷裂，如圖5-4所示，這時(shí)，一般發(fā)生縮頸，即均勻延伸終了。
拉伸時(shí)，縮頸發(fā)生在最大載荷，這便是縮頸（或塑性失穩(wěn)）的條件。
因此，n值愈大，則均勻拉伸值愈大，愈不易縮頸而拉延斷裂，深沖性愈佳。
②. r值
r值是塑性為異向性材料的深度拉深成形的特性評(píng)價(jià)指標(biāo)。r值是板材的寬度方向的應(yīng)變與厚度方向的應(yīng)變之比。
我們要求板材的杯壁抗拉薄的能力強(qiáng)，這樣就不會(huì)在沖壓成形時(shí)由于減薄而斷裂。也就是說(shuō)，希望有強(qiáng)度的各向異性，板面上的強(qiáng)度要低于板厚方向的強(qiáng)度。這種各向異性可用簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)，如圖5-5所示，來(lái)測(cè)定寬度方向的應(yīng)變Ew及厚度方向的應(yīng)變?chǔ)舤，就能夠得到應(yīng)變比r為
r=εw/εt (5-1)
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，人們嘗試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。
平均r值-塑性為異向性的材料深拉深成形特性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。鐵素體型不銹鋼中，其平均r值越大，極限拉深比就越高。
雙向變形的成形極限。如圖5-4所示，深拉時(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，是深入一步的發(fā)展。
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（成形極限）不會(huì)開(kāi)裂，而高于最大應(yīng)變（成形極限）就會(huì)開(kāi)裂。由此還可以區(qū)分沖壓成形的兩種工藝：具有正的最小應(yīng)變的成形叫做拉伸型，而具有負(fù)的最小應(yīng)變的成形叫做沖壓型。
極限拉深比--拉深加工時(shí)，相對(duì)于容器直徑d可能拉深的最大原料板直徑為Dmax，則稱為極限拉深比。
拉深皺褶--鐵素體型不銹鋼在沖床上進(jìn)行深拉深加工時(shí)，在其表面上容易產(chǎn)生凹凸不平的皺褶。可認(rèn)為是組合結(jié)構(gòu)不同而引起的塑性異向性。
時(shí)效性斷裂--奧氏體型不銹鋼06Cr19Ni10（304）等準(zhǔn)穩(wěn)定型奧氏體型不銹鋼，在加工后有發(fā)生時(shí)效性裂紋的現(xiàn)象，這與晶界晶粒無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為是由于加工感應(yīng)而引起的馬氏體、氫和殘余應(yīng)力所致。
不銹鋼產(chǎn)品的需求能夠得以大幅度的增加與沖壓加工技術(shù)的發(fā)展有著很大關(guān)系。使得鐵素體型不銹鋼深加工性鋼種，已經(jīng)產(chǎn)品化了。可以選定平均r值在1.2～1.8，拉深比為2.2～2.5的鋼種。
在不銹鋼制品的沖壓加工中，如果使用奧氏體型不銹鋼或鐵素體型不銹鋼的高加工性能鋼種時(shí)，可以進(jìn)行一定程度的深拉深加工。奧氏體型不銹鋼的代表型鋼種06Cr19Ni10（304），因?yàn)樗睦畋龋↙DR）為2.5，可以進(jìn)行相對(duì)較大的深拉深加工。但由于加工硬化傾向大而急劇地增加了加工難度，有時(shí)竟發(fā)生裂紋或斷裂。為此，在加工過(guò)程中間增加一道熱處理工序之后再進(jìn)行深拉深加工。還必須注意，奧氏體型不銹鋼的奧氏體穩(wěn)定度低的鋼種經(jīng)過(guò)拉深后，有可能發(fā)生時(shí)效斷裂現(xiàn)象。
近年來(lái)，開(kāi)發(fā)出的不銹鋼熱沖壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超深拉深加工。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)的拉深程度就可以提高1.5～2.0倍。
2. 成形性因數(shù)
最大的均勻應(yīng)變是衡量不銹鋼沖壓成形性的最重要因素。一塊不銹鋼板坯料在成形時(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)致斷裂，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)表示沖壓成形性是不可靠的。
然而除均勻應(yīng)變外，在分析沖壓成形性時(shí)，其他因素都必須予以考慮，如成形性因數(shù)。成形性因數(shù)是可計(jì)算出來(lái)的參數(shù)，該成形性因數(shù)小時(shí)，則表明沖壓成形性能得到改善和提高。計(jì)算成形性因數(shù)的公式為
σmax--最大負(fù)荷時(shí)應(yīng)力；
εmax--最大均勻應(yīng)變；
A--變形功。
成形性因數(shù)是精確表示不銹鋼相對(duì)沖壓成形性的一個(gè)指標(biāo)。
在開(kāi)始分析時(shí)可以看出，為了獲得最佳的成形性（成形性因數(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，如果為了改善成形性使最大負(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)變是影響成形性的最重要因素，所以最大負(fù)荷下的應(yīng)力愈低則其實(shí)際結(jié)果不是提高而是降低了成形性。為了改善成形性，必須增加均勻應(yīng)變值。
成形性因數(shù)是壓力成形性的一個(gè)指標(biāo)，式（5-2）表明影響成形性的三個(gè)拉伸性能指標(biāo)中，均勻應(yīng)變最為重要。
3. 鋼材的化學(xué)成分
不銹鋼的沖壓成形性與成分之間存在著一種直接關(guān)系，利用這一關(guān)系可以正確選用沖壓用不銹鋼材料，還可以對(duì)所使用材料的性能和質(zhì)量加以控制，從而提高不銹鋼沖壓成形性能的等級(jí)和均勻性。
在奧氏體不銹鋼中，鎳（Ni）是促進(jìn)奧氏體晶體結(jié)構(gòu)形成也是穩(wěn)定奧氏體的合金元素，［Ni］／［Cr］越高，奧氏體越穩(wěn)定，因此成形性能也依賴于這個(gè)比率。在奧氏體不銹鋼中12Cr17Ni7（301）鋼Ni含量（6.5％）最低，因此有最高的加工硬化速率。盡管12Cr17Ni7（301）經(jīng)過(guò)退火后有完全的奧氏體微觀結(jié)構(gòu)，鎳含量越低，在塑性變形時(shí)生成的馬氏體的比例越大。這將幫助金屬在沖壓變形中抵抗頸縮和均勻變形。較高的加工硬化速率使得強(qiáng)度增加，硬度升高。這些在冷加工結(jié)構(gòu)階段是有益的。
奧氏體型不銹鋼中所含的鎳可明顯降低鋼的冷加工硬化傾向，其原因是鎳可使奧氏體的穩(wěn)定性增加，減少或消除冷加工過(guò)程中的馬氏體轉(zhuǎn)變，降低冷加工硬化速率，并使強(qiáng)度降低、塑性提高。
通常，奧氏體不銹鋼的Ni含量降低時(shí)，其成形會(huì)變得越困難，如12Cr17Ni7（301）（約6.5％Ni）的成形性比304差得多。穩(wěn)定化元素的存在，如Ti、Nb和Ta以及高的含C量，對(duì)穩(wěn)定化鋼種的成形特性中起著不利的作用。這是由于微觀結(jié)構(gòu)形成了Ti的碳化物和氮化物這樣的第二相粒子。所以06Cr18Ni11Ti（321）和06Cr18Nil1Nb（347）型鋼的成形，沒(méi)有12Cr18Ni9（302）、06Cr19Ni10（304）和10Cr18Ni12（305）型鋼的成形順利，適用于深沖壓加工。
一般來(lái)說(shuō)，奧氏體鋼在其鎳含量或鎳與鉻含量均低的情況下是比較難于成形的，如12Cr17Ni7（301）型鋼就是如此。穩(wěn)定化元素鈮、鈦、鉭以及高的含碳量會(huì)對(duì)奧氏體不銹鋼的成形性產(chǎn)生不利影響。因此06Cr18Ni11Ti（321）和06Cr18Ni11Nb（347）型不銹鋼的成形性比 12Cr18Ni9（302）、06Cr19Ni10（304）和10Cr18Ni12（305）型鋼差。
如Y12Cr18Ni9（303）這種易機(jī)加工鋼種，塑性性能比較差，不能用于成形作業(yè)。
4. 加工硬化
對(duì)于影響成形性能的另一重要因素就是不銹鋼的加工硬化率（系數(shù)）。如果某種鋼具有高的加工硬化率，那么它就需要較大的成形能量，這將不可避免地造成工具和沖模較大較快地磨損。
如加工硬化系數(shù)降低，則會(huì)使均勻應(yīng)變、變形力及最大負(fù)荷下的應(yīng)力都隨之而降低，這些因素的互相影響又會(huì)最終導(dǎo)致成形性能的下降。最佳成形性是由低的加工硬化率和所能得到的最長(zhǎng)壓模壽命這兩個(gè)相互矛盾因素的統(tǒng)一，但在同一種鋼上，這兩者是不可兼顧的。
5. 彈性（回彈）
沖壓成形時(shí)的第三個(gè)重要因素是彈性效應(yīng)，即某種金屬在成形后的彈性回復(fù)。我們希望彈性效應(yīng)最小為好。當(dāng)某種金屬在塑性區(qū)變形時(shí)，如成形應(yīng)力消除后，會(huì)出現(xiàn)一條平行于拉伸曲線的彈性部分的直線，這就是彈性回復(fù)線。降低屈服應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致彈性后效值下降，而增加加工硬化系數(shù)則會(huì)使彈性后效值提高。
回彈可以通過(guò)減少?gòu)澢霃交蛘呱倭康倪^(guò)彎曲來(lái)控制。
6. 沖壓應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)
薄板成形的應(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)于失穩(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)為是材料的基本成形性能指數(shù)。
7. 彎曲半徑
對(duì)于任何金屬，成形而沒(méi)有開(kāi)裂的最小的半徑稱為最小彎曲半徑。最小彎曲半徑可以隨鋼板或鋼帶厚度的增加按比例增加。
對(duì)于大多數(shù)的軟金屬或者塑性鋼來(lái)說(shuō)，如退火后的不銹鋼，零半徑彎曲成形是可能的。當(dāng)接縫處180°彎曲，沿著兩張鋼板的邊部成形一個(gè)聯(lián)合結(jié)合部。所用的彎曲工具邊緣必須是圓滑的不尖銳的，否則在成形時(shí)會(huì)割傷鋼板。
通常，對(duì)于退火材料，彎曲半徑（R）等于材料厚度（T）時(shí)，能滿足大部分工程需要。冷加工材料，需要大的彎曲半徑，如冷 1/4H（1/4 冷作硬化）材料 R=(1~1.5)T，3/4H（3/4 冷作硬化）材料 R=（3～6）T。彎曲半徑的選擇必須考慮鋼種的等級(jí)，如雙相不銹鋼就需要大的半徑。
8. 如何改善冷成形性
提高不銹鋼成形性的最佳辦法是降低屈服應(yīng)力。利用提高最大均勻應(yīng)變的方法將會(huì)改善成形性。此外，彈性效應(yīng)的附加影響將會(huì)被削弱而工具壽命則不受影響。同時(shí)，加工硬化率（系數(shù)）的增加也可改善成形性，但卻會(huì)帶來(lái)加劇彈性效應(yīng)和縮短工具壽命的不利影響。
拉伸性能變化對(duì)不銹鋼成形性的影響是確定無(wú)疑的。為了應(yīng)用這一常識(shí)，必須找出改變和控制拉伸性能的方法。然后，對(duì)這些性能指標(biāo)加以修正，則可使一些特殊零件具有最佳的成形性和加工性。化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝的微小變化，均可在很大程度上改變不銹鋼的力學(xué)性能。如果其他性能保持不變，要想降低屈服應(yīng)力，則應(yīng)提高最大均勻應(yīng)變，這樣也就降低了成形性因數(shù)（改善了成形性能）。改變化學(xué)成分可以改變屈服應(yīng)力。但是為降低屈服應(yīng)力而改變某一鋼種任何化學(xué)成分，這就超出該鋼種所規(guī)定的化學(xué)成分范圍。但是在某一鋼種所規(guī)定的成分范圍內(nèi)，又不使其他性能有明顯變化，這正是我們所希望的。
常用不銹鋼對(duì)各種成形方式的適應(yīng)性，見(jiàn)表5-1。
