不銹鋼的成型性能在很大程度上取決于材料在冷加工時，其屈服強(qiáng)度達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時的速度。當(dāng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線之間的帶域?qū)挾瓤s小時，說明成型將會受到限制，見圖4-6。圖4-6所示的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線之間的寬度縮小，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)度曲線間的寬度較寬，并沒有收斂，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
從許多試驗發(fā)現(xiàn)，如包括杯突試驗、硬度試驗、彎曲試驗、拉伸試驗以及真實應(yīng)力－應(yīng)變拉伸試驗，對沖壓成型的所有相關(guān)數(shù)值中，只有從真實應(yīng)力－應(yīng)變拉伸試驗所得的數(shù)據(jù)，對冷成型來說，才是最有實際意義的。
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，同時在破裂前能經(jīng)受最大的延伸。12Cr13(410)和10Cr17(430)不銹鋼成型時所需的能量很小，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。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一樣，如圖4-7中所示：而12Cr13(410)及10Cr17(430)型不銹鋼的破裂線則在突杯的側(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，所以成型時所需的成型力（也就是成型能量）比低碳鋼要大得多；一般說來，要比低碳鋼大兩倍、因為奧氏體型不銹鋼在冷加工過程中的加工硬化速度非?？?，所以從原始狀態(tài)變形開始所需的成型力要比鐵素體型鋼大得多、鐵素體型鋼非常類似普碳鋼、雖然在開始塑性變形時也需要較大的變形力、但變形開始以后即無需再增加了。
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概括。它們對應(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)過沖壓變形而不產(chǎn)生裂紋等缺陷的能力。
評定板材的深沖性時，首先選用的是杯突試驗（埃氏Erichsen),這是一種較為逼真的模擬試驗。杯突試驗是根據(jù)成杯時不開裂的深度，來評定材料深沖性的優(yōu)劣。這種試驗方法仍是目前廣泛使用的最簡單的評定方法。隨后的失效分析方法，是借助于相關(guān)研究及變形過程的分析，提出反映深沖性的材料力學(xué)性能參量，對于這些參量的進(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程而強(qiáng)化硬化的速度。n值常常用拉伸試驗的結(jié)果來表達(dá)。
首先要說明的是斷裂原因及影響斷裂的力學(xué)因素。深沖時，沖頭周圍的變形很小，載荷是從杯底通過杯壁的拉伸來傳遞的。假如載荷超過杯壁所能支持的最大載荷時，便會在杯底出現(xiàn)斷裂，如圖4-7所示。這時，一般會發(fā)生縮頸，即均勻延伸終止。
拉伸時，縮頸發(fā)生在載荷最大時，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價指標(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)，這樣就不會在沖壓成型時由于杯壁減薄而開裂。也就是說，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單拉伸試驗（見圖4-7)來測定寬度方向的應(yīng)變εw及厚度方向的應(yīng)變εt,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，人們試圖建立這兩者之間的定量關(guān)系，然后通過控制織構(gòu)來改變r值。
②. 平均值r
可以測定板面不同方向的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價的重要指標(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程。但是，從雙向變形來理解深沖，是對深沖理論更進(jìn)一步的發(fā)展。當(dāng)出現(xiàn)明顯縮頸時，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）時不會發(fā)生開裂，而高于最大應(yīng)變（成型極限）時就會開裂。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，相對于容器直徑d,可能拉伸的最大原料板直徑為Dmax時，Dmax/d則稱為極限拉伸比。
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，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)生時效性裂紋的現(xiàn)象，但它與晶粒、晶界無關(guān)。一般認(rèn)為是由于冷加工變形時誘變的馬氏體、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，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),因為它的拉伸極限比為2.5,可以進(jìn)行相對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，有時竟會發(fā)生裂紋或斷裂。為此，在加工過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)過拉伸后，有可能產(chǎn)生時效開裂現(xiàn)象。
近年來，新開發(fā)出的不銹鋼熱沖壓技術(shù)，實現(xiàn)了超深拉伸加工。熱沖壓技術(shù)就是將凹?；蛘咄鼓Ｆ渲兄贿M(jìn)行加熱，這樣不銹鋼原來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函數(shù)n來表示。n是真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線的斜率，它也等于拉伸試驗中從均勻伸長到頸縮開始時的真應(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)變在大面積范圍內(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。此時的變形是集中的，而不是分布在整個區(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。實際上，r是材料抗變薄的一種量度，它與加工硬化率無關(guān)。F>1時，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，表示當(dāng)它被拉伸進(jìn)入模具時，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，而不會變得太薄和引起斷裂，這些對于成型是極為有益的。
雖然可以從模擬試驗中獲得有關(guān)拉伸性能和延伸性能方面的有關(guān)數(shù)據(jù)，但是，由于成型過程中存在著諸如潤滑、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，有杯突試驗及水力擴(kuò)管試驗。在杯突試驗中，材料（試樣）被一個半球形的沖頭在模具中進(jìn)行拉伸。在擴(kuò)管試驗（Olsen)中，圓管是用水力而不是沖頭，通過模具的開口擴(kuò)展，這樣避免了由于使用機(jī)械工具而帶來的一些影響因素。在這些試驗中，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)生破裂時杯突的高度（或深度）及圓管的凸起量。
在拉伸成型時，坯料凸緣受到約束，與此相反，在沖壓成型加工時，對凸緣的夾持壓力是由一個雙向作用的壓力裝置來控制，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來測量的。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，對各種常用不銹鋼的成型性試驗數(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)管試驗的數(shù)值中看出來。比較起來，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。
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，對這些不銹鋼也都是適合的。但是，對于奧氏體鋼的高強(qiáng)度、高加工硬化率和變形時需用較高的壓力和成型負(fù)荷，以及成型對工具和模具的強(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，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)變超過最大均勻應(yīng)變時，則該處即會立即產(chǎn)生局部頸縮現(xiàn)象并導(dǎo)致開裂，由于只有一個待定的總伸長值是均勻的，所以用拉伸試樣的總應(yīng)變（或延伸）來表示沖壓成型性是不可靠的。
在分析沖壓成型性時，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)是可計算出來的一個參數(shù)，當(dāng)成型性因數(shù)小時，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指標(biāo)參數(shù)。對壓力成型性的這一指標(biāo)參數(shù)來說，該參數(shù)的計算公式表明，影響成型性的三個拉伸性能指標(biāo)中，均勻應(yīng)變最為重要。
通過對上述分析可以看出，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，則均勻應(yīng)變也會同時降低。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。
