شکل دهی ورق های فلزی بخش گسترده ای از تغییر شکل فلزات می باشد که از دیرباز مورد توجه صنعتگران و محققین بوده است و با گذشت زمان در تکامل فرآیند شکل دهی ورق های فلزی پیشرفت های وسیعی صورت گرفته است. ایده تغییر شکل ورق های فلزی تقریبا یک قرن پیش با شکل دهی و ساخت ظروف آشپزخانه و ساخت اشیاء هنری براساس آزمایش ها و روش های تجربی صنعتگران شکل گرفت و با پیشرفت های علمی ناشی از تحقیقات محققان و صنعتگران، روش های تجربی پایه علمی به خود گرفت و امروز به صورت یک فرآیند پیچیده و با اهمیت صنعتی در آمده است به نحوی که توان ساخت قطعات با روش شکل دهی ورق های فلزی یکی از مهمترین ارکان اقتصادی یک کشور به خصوص در صنایع خودرو تلقی می گردد.

از جمله ویژگی های تولید قطعات با این روش، انعطاف پذیری و قابلیت شکل پذیری زیاد، کمی وزن، سطح خوب و هزینه کمتر ساخت ورق های فلزی است. با این روش می توان قطعات با اشکال پیچیده را تولید کرد که ساخت آنها با روش های دیگر شکل دهی فلزات مشکل و پر هزینه است. شکل دهی ورق های فلزی با اغلب فرآیند های شکل دادن حجمی متفاوت است. در شکل دهی ورق فلزی کشش حاکم است در حالی که فرآیند های شکل دادن حجمی به طور عمده فشاری اند. به علاوه غالبا یک سطح یا هر دو سطح نواحی تغییر شکل آزاد است (یعنی ابزار آنها را نمی گیرد). در فرآیند تغییر شکل ورق ها، ورق تحت تاثیر خم، واخم، کشش و اتساع و یا ترکیبی از آنها قرار می گیرد. بنابراین در این فرآیند تغییرات فیزیکی محسوسی در ورق ایجاد می شود و غالبا با تغییر شکل های بزرگ که سبب پیچیده شدن فرآیند می شود روبرو هستیم و در نتیجه تحلیل این فرآیند کار خیلی ساده ای نیست. برای ورق های فلزی با خواص مادی متفاوت، تغییر شکل های حاصله در اثر اعمال نیروهای مشابه می توانند کاملا متفاوت باشند.

تغییر شکل ورق های فلزی به عواملی از قبیل خواص ماده و قابلیت شکل پذیری ورق، شکل هندسی قطعه، شرایط مرزی، طراحی فرآیند و سرعت شکل دهی بستگی دارد. در ضمن عواملی چون ضریب ناهمسانگردی و پارامترهای ناشناخته دیگری تحلیل دقیق این فرآیند را با مشکل روبرو کرده است.

برای رسیدن به شکل دلخواه، ورق باید تغییر شکل پایدار بدهد. حتی برای قطعات نسبتا ساده، ناهمسانگردی ورق فولادی، اختلاف در ضخامت ورق و اعوجاج موضعی در ابزار می تواند عمل دقیق آنالیز تغییر شکل را غیر ممکن سازند. لذا دانستن قابلیت تغییر شکل ورق فلزی برای تولید موفق قطعات ضروری است. به علت تاثیر پیچیده متغییرهای زیادی که روی شکل پذیری موثرند، پارامتر تنها و مشخصی وجود ندارد که بتواند قابلیت تغییر شکل را تحت شرایط مختلف پیش بینی کند. در شکل دهی ورق های فلزی، بررسی حد تحمل یک فلز در مقابل کرنش های مختلف با استفاده از منحنی FLD (منحنی حد شکل پذیری) انجام می پذیرد. در حقیقت این منحنی نشان می دهد که اگر شرایط اعمال نیرو طوری باشد که کرنش های به وجود آمده بالای این منحنی قرار بگیرند، قطعه به طور حتم در آن مناطق دچار گلویی شدن و پارگی می گردد. از طرفی این منحنی ها می توانند جهت بالا بردن عملیات شکل دهی و کاهش مراحل کشش مورد استفاده قرار

 گیرند.

اولین FLD[1] برای عملیات شکل دهی اتساعی یک ورق فولادی کم کربن با مقاومت پایین که در صنایع اتومبیل سازی و خانگی به کار می رود در سال 1963 منتشر گردید. این FLD در آزمایشگاه و با استفاده از یک پانچ صلب به دست آمده است. معیار های به کار برده شده برای پیدا کردن حداکثر کرنش، شروع گلویی شدن سطح ورق بود که البته توسط حس نمودن این مسئله آشکار می گشت. علت انتخاب این معیار این بود که در کارگاههای پرس کاری ایجاد چنین نقصی باعث عدم قبولی قطعات تولید شده می گشت.

چنین نتایج تجربی در طی سال های 65-1963 تنها مرجع استفاده از FLD در صنعت بود. در سال 1965 یک مقاله ای منتشر شد که باعث ایجاد یک پایه و اساس برای اینگونه FLD ها شد.

تحقیقات در طی سال های 1965 تا 1968 باعث به وجود آمدن دو مقاله دیگر در سال 1968 گردید. اولین مقاله توسط Keeler نوشته شد. او تحقیقات بسیار گسترده ای پیرامون طرف راست FLD نمود. کلیه تحقیقات وی در عملیات شکل دهی اتساعی صورت پذیرفت. دومین مقاله توسط Goodwin نوشته شد که وی تحقیقات خود را حول سمت چپ FLD متمرکز نمود و از آزمایشات کشش عمیق کمک گرفت.

از سال 1967 تحقیق روی مدل تئوری FLD صورت پذیرفت و حاصل آن مقاله ای بود که در سال 1967 توسط Marciniak ارائه گردید. که در آن پارامترهای محدودی از ورق در نظر گرفته شده بودند و به صورت ابتدایی بر روی حدود کرنش تحلیل صورت پذیرفته بود. از آن به بعد تحقیقات روی FLD و آنالیز تجربی کرنش به صورت جدی تر صورت پذیرفت و محققین زیادی روی این نمودارها کار کرده اند.

نتیجه تحقیقات روی FLD تئوری به طور بسیار محدودی از دهه 70 به بعد عرضه گردیده که می توان علت آن را اهمیت FLD در صنعت قالب سازی دانست که کلیه اطلاعات آن به صورت درون سازمانی باشد.

به منظور رسم و بررسی منحنی های حد شکل پذیری روش های مختلفی وجود دارد. ابتدایی ترین و در عین حال پر هزینه ترین این روش ها، روش تجربی و انجام آزمایش های عملی می باشد. Hecker از یک روش عملی برای رسم منحنی FLD استفاده کرد که امروزه نیز قالب مورد استفاده وی برای انجام آزمایش های حد شکل پذیری کاربرد دارد. او از یک سنبه نیم کروی برای این منظور استفاده کرد. در این پژوهش نیز از این روش استفاده شد.

1-2- فولادهای کم کربن

فولادهای کم کربن (Wt%C≈0/06 یا کمتر) را معمولا نوردکاری سرد می کنند، مگر آنکه ضخامت ورق زیاد باشد (≥≈2mm)، و پس از تابکاری به منظور تبلور مجدد در 600 تا 700oC آنها را به بازار عرضه می کنند. این فولادها از طریق شمش ریزی تولید می شوند و فرآورده های حاصل را، بر اساس فرآیند ریخته گری آنها، به دو دسته تقسیم می کردند: فولادهای ناآرام و فولادهای آرام. فولاد نا آرام فولادی است که پیش از انجماد اکسیژن زدایی نشده است. در حین انجماد شمشی از این نوع فولاد، کربن و اکسیژن حل شده در آن به شدت با یکدیگر واکنش می کنند و حباب های CO به شدت متصاعد       می شوند (غلیان یا نا آرامی) و فاز مذاب را به جوشش در می آورند. این جوشش سبب شکستن لایه های مرزی می شود و جدانشینی کربن در مرکز شمش را ممکن می کند، در نتیجه شمش حاصل و ورق تولید شده از آن سطحی بسیار کم کربن دارند. این سطوح پاکیزه از معایب ناشی از وجود ذرات کاربید عاری اند. بر عکس، فولادهای آرام را با افزودن آلومینیوم یا سیلیسیوم در حین ریختن شمش، یا درست قبل از ریختن آن، اکسیژن زدایی می کنند. این عناصر اکسیژن مذاب را می گیرند، در نتیجه اکسیژن برای ترکیب با کربن و تولید CO باقی نمی ماند و از جوشش مذاب خبری نیست. بنابراین انجماد در سکون کامل انجام می شود (به همین دلیل این نوع فولاد را فولاد آرام می نامند)، و تشکیل لایه های مرزی مانع از جدانشینی به سمت مرکز می شود]1[.

در سال های اخیر، ریخته گری پیوسته تا حدود زیادی جانشین شمش ریزی شده است و فولاد هایی که ریخته گری پیوسته می شوند همواره آرام اند. تمایل به ریخته گری تختال های هر چه نازک تر به جایی رسیده است که کارخانه ای تختال را با ضخامت فقط  2in(50mm) می ریزد. با نازک تر شدن تختال ها، میزان عملیات نوردکاری لازم نیز کاهش می یابد. در نتیجه در هزینه ها صرف جویی می شود. اما ممکن است ساختار حاصل از این عملیات ناخالص تر و بافت های حاصل از آن نامناسب تر باشند.

منحنی تنش-کرنش کششی فولاد کم کربن تابکاری شده پدیده نقطه تسلیم مشخص را نشان می دهد (شکل 1-2). بارگذاری اساسا کشسان است، تا اینکه در ناحیه ای تسلیم رخ دهد (نقطه A). آنگاه ناگهان بار افت می کند و تنش تسلیم کاهش می یابد (نقطه B). افزایش طول نمونه با رشد ناحیه تسلیم شده، در تراز تنشی کم و بیش ثابت، ادامه می یابد.

در این مرحله بین نواحی تغییر شکل یافته و تغییر شکل نیافته مرزی کاملا مشخص، به نام نوار لودرز ایجاد می شود. در پس این جبهه، همه فلز به یک اندازه کرنش یافته است. کرنش لودرز، یا افزایش طول در نقطه تسلیم، معمولا بین 1 تا 3% است. تنها پس از آنکه نوارهای لودرز طول نمونه را پیمود (نقطه C)، کرنش-سختی و کرنش یابی یکنواخت آغاز می شود. سرانجام به نقطه استحکام کششی (نقطه E)       می رسیم، نمونه باریک می شود، و سرانجام می شکند (نقطه F).

شکل 1-2: منحنی های تنش-کرنش فولاد کم کربن که پیر سازی کرنشی را نشان می دهند]1[.

اگر در نقطه ای مانند D از نمونه باربرداری شود، و پس از گذشت زمان کوتاهی آن را دوباره بارگذاری کنند، منحنی تنش-کرنش در نقطه های D، E و F بر منحنی اولیه منطبق می شود. اما اگر در فاصله باربرداری و بارگذاری دوباره به فولاد فرصت پیر سازی کرنشی داده شود، نقطه تسلیم جدید َA پدید   می آید، استحکام کششی به َE افزایش می یابد، و از میزان افزایش طول یکنواخت کاسته می شود. از دیدگاه شکل پذیری، این نوع پیر سازی کرنشی نامطلوب است زیرا نمای کرنش-سختی و افزایش طول یکنواخت را کاهش می دهد و کرنش های پیشرونده ایجاد می کند.

جدانشینی نیتروژن (و تا حدود کمتری کربن) حل شده بین نشین، در نابجایی ها سبب ایجاد اثر نقطه تسلیم است. در آغاز برای به حرکت در آوردن نابجایی ها از محل اتم های بین نشین به تنش بیشتری نیاز است، و هنگامی که نابجایی ها آزاد شدند، برای ادامه حرکت به تنش کمتری نیاز دارند. اما آهنگ پخش نیتروژن در نابجایی ها به اندازه ای هست که فولاد ناآرام در دمای اتاق طی چند هفته یا ماه، و در دمای 100oF، طی چند روز پیرسازی کرنشی شود. فولادهایی که با آلومینیوم آرام شده اند در برابر پیرسازی کرنشی مقاومترند، زیرا در این فولاد ها آلومینیوم با نیتروژن ترکیب می شود. اما پیرسازی کرنشی در دمای بالاتری، مانند دمای چرخه پخت رنگ اتومبیل (～200oC) انجام می شود. در این مرحله، پیرسازی کرنشی مطلوب است، زیرا شکل دادن به پایان رسیده است و در نتیجه بازگشت نقطه تسلیم، مقاومت فلز در برابر فروبری افزایش می یابد. در صنعت، از طریق تخت کاری غلتکی نقطه تسلیم را از بین می برند. در فرآیند ورق را روی غلتک خمکاری و خمگشایی می کنند. روش دیگر نوردکاری بازپختی است که در آن کاهشی بسیار اندک ～%0/5 انجام می شود. اختلاف مهم دیگر بین فولاد های آرام و ناآرام، در درجه ناهمسانگردی است. در فولادهای آرام،  که طبق رابطه زیر تعریف می شود بین 4/1 و 8/1 است، در حالی که در فولادهای ناآرام  بین 1 و 4/1 متداولتر است. بسته به عملیات نوردکاری و تابکاری انجام شده روی هر نوع فولاد، تغییرات چشمگیری در مقدار  در هر دسته مشاهده می شود. مطابق شکل 2-2 مقادیر بزرگتر  و n با افزایش اندازه دانه ها توام اند. تابکاری ناپیوسته، که در آن کلاف های بزرگ ورق طی چند روز به آهستگی گرم می شوند تا به دمای تابکاری برسند، سبب درشت تر شدن دانه ها، نسبت به تابکاری پیوسته، می شود که به سرعت انجام می گیرد. اما معمولا از درشت تر شدن دانه ها از اندازه دانه شماره 7 ASTM جلوگیری می کنند، زیرا در غیر این صورت اثر پوست نارنجی شدید می شود. در طی چند دهه گذشته تابکاری پیوسته تا حدود زیادی جای تابکاری ناپیوسته را گرفته است. تابکاری پیوسته، به جای 4 یا 5 روز که برای تابکاری کلاف ورق لازم است، در طی حدود 10 دقیقه انجام می شود و خواص یکنواخت تری را در ورق ایجاد می کند. هر گاه آهنگ سرمایش بیشتر باشد (60 تا 80oF/S) ورق مستحکم تر و سختی پذیر می شود. تشخیص این نکته مهم است که تغییرات شدیدی نسبت به خطوط روند نشان داده شده در شکل 2-2 دیده می شود. چنین تغییراتی در کارخانه های مختلف و در یک کلاف، از مرکز تا لبه ورق، و در امتداد طول آن دیده می شود.

ورق گرم نورد شده از ورق سرد نورد شده ارزانتر است، اما سطح آن چندان صاف، و ضخامت آن یکنواخت نیست. در این ورق ها به طور نمونه  می باشد.