DP780雙相鋼汽車板成形剪切斷裂機(jī)理及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則研究.pdf

1、先進(jìn)高強(qiáng)鋼汽車板吸能性好，是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的關(guān)鍵材料，目前在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但在小半徑拉伸彎曲成形過(guò)程中先進(jìn)高強(qiáng)鋼出現(xiàn)了一種新的剪切斷裂形式，斷裂之前材料并沒(méi)有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口處幾乎沒(méi)有發(fā)生減薄，傳統(tǒng)的成形極限準(zhǔn)則不能精確預(yù)測(cè)這種成形缺陷，嚴(yán)重制約了先進(jìn)高強(qiáng)鋼板在車身上的推廣與應(yīng)用。
　　本文以先進(jìn)高強(qiáng)鋼中DP780雙相鋼汽車板成形剪切斷裂為研究對(duì)象，在分析和借鑒已有研究工作的基礎(chǔ)上，開(kāi)展成形斷裂實(shí)驗(yàn)研究，分析幾何

2、條件和工藝條件與雙相鋼斷裂模式的內(nèi)在關(guān)系；建立雙相鋼汽車板成形剪切斷裂失效的原位觀察系統(tǒng)，研究雙相鋼剪切斷裂過(guò)程中微觀組織的變化與彎曲裂紋的擴(kuò)展規(guī)律；并采用數(shù)字圖像相關(guān)方法獲取雙相鋼中各相的應(yīng)變分布，建立雙相鋼拉伸彎曲成形剪切斷裂細(xì)觀力學(xué)模型，分析空洞的產(chǎn)生與合并，揭示雙相鋼剪切斷裂失效的機(jī)理；最后，考慮拉伸彎曲過(guò)程中材料的非均勻性變形特點(diǎn)，建立雙相鋼成形剪切斷裂評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，提出拉伸彎曲成形性能評(píng)價(jià)方法，可預(yù)測(cè)雙相鋼復(fù)雜零件沖壓成形剪切斷

3、裂，并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容可以分為以下四個(gè)部分：
　　（1）雙相鋼剪切斷裂失效規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究
　　通過(guò)沖壓模具成形拉伸彎曲實(shí)驗(yàn)，分析不同拉伸彎曲條件下的斷裂失效形式，探討頸縮失效與剪切斷裂失效的區(qū)別，研究雙相鋼發(fā)生剪切斷裂的臨界相對(duì)彎曲半徑。為了改進(jìn)沖壓模具成形失效系統(tǒng)試樣斷口在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不容易觀察的缺陷，設(shè)計(jì)對(duì)稱拉伸彎曲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙相鋼在小半徑拉伸彎曲條件下圓角處的剪切斷裂現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)彎

4、曲圓角半徑較大時(shí)，試樣的斷口是在側(cè)壁上呈折線狀的頸縮失效；而當(dāng)彎曲圓角較小時(shí)，試樣為剪切斷裂，發(fā)生在彎曲圓角處，斷口形狀呈直線狀。兩種斷裂模式中間還存在著混合斷裂模式。隨著雙相鋼強(qiáng)度級(jí)別和壓邊力的增加，剪切斷裂也更容易發(fā)生。
　　（2）雙相鋼微觀原位拉伸彎曲實(shí)驗(yàn)研究
　　設(shè)計(jì)雙相鋼微觀原位拉伸彎曲系統(tǒng)，將原位觀察裝置引入對(duì)稱拉伸彎曲實(shí)驗(yàn)中，研究雙相鋼微觀斷裂過(guò)程。通過(guò)原位觀察發(fā)現(xiàn)，在大半徑拉伸彎曲條件下，雙相鋼彎曲圓角處的表

5、面并沒(méi)有出現(xiàn)微觀裂紋；而在小半徑條件下，試樣外表面在拉伸彎曲過(guò)程的很早階段就產(chǎn)生了裂紋。裂紋主要產(chǎn)生于馬氏體相與鐵素體相的相界處，后期也有少量產(chǎn)生于馬氏體中。裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，會(huì)沿著相界擴(kuò)展或者穿過(guò)大塊鐵素體和小塊馬氏體，后期裂紋開(kāi)始聚合形成較大的主裂紋并最終斷裂。
　　（3）雙相鋼剪切斷裂失效微觀機(jī)理研究
　　將宏觀實(shí)驗(yàn)應(yīng)變分析使用的“數(shù)字圖像相關(guān)”技術(shù)運(yùn)用到微觀組織分析中，對(duì)原位拉伸得到的金相圖片進(jìn)行定量研究，得到各相中

6、位移與應(yīng)變的精確分布。探索微觀組織代表體積單元建模方法，建立雙相鋼微觀組織結(jié)構(gòu)代表體積單元模型，使用GTN斷裂準(zhǔn)則，研究雙相鋼在小圓角拉伸彎曲過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變的分布。研究結(jié)果表明：在小半徑拉伸彎曲條件下，馬氏體相承擔(dān)了變形中主要的應(yīng)力，而鐵素體相則承擔(dān)了變形中主要的應(yīng)變，等效塑性應(yīng)變高的地方就是孔洞體積分?jǐn)?shù)大的地方。彎曲圓角處的雙相鋼材料外層在大拉應(yīng)力的作用下，馬氏體附近的鐵素體中發(fā)生主要的塑性變形，孔洞體積分?jǐn)?shù)迅速增加達(dá)到臨界值，形成

7、微裂紋。隨著載荷增加，微裂紋在垂直于最大拉應(yīng)力方向上擴(kuò)展，隨后裂紋集中在其中的一條裂紋上，材料沿寬度方向形成直線斷口，出現(xiàn)了剪切斷裂現(xiàn)象。
　?。?）雙相鋼剪切斷裂評(píng)價(jià)準(zhǔn)則研究與應(yīng)用
　　在拉伸彎曲過(guò)程中，彎曲圓角處的應(yīng)力和應(yīng)變明顯呈分層的現(xiàn)象，開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生在試樣的彎曲圓角最外層。對(duì)比了常用的韌性斷裂準(zhǔn)則，研究韌性斷裂準(zhǔn)則對(duì)于雙相鋼剪切斷裂的適用性，由Cockcroft—Latham斷裂準(zhǔn)則可以預(yù)測(cè)先進(jìn)高強(qiáng)鋼在小圓角拉伸彎曲

8、條件下的失效行為。基于斷裂極限應(yīng)變圖和成形極限圖提出先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形性能指數(shù)，可預(yù)測(cè)剪切斷裂與頸縮失效模式，實(shí)現(xiàn)雙相鋼成形性能綜合評(píng)價(jià)。車身前縱梁零件成形仿真分析表明，將韌性斷裂準(zhǔn)則添加到板材成形軟件 LS-Dyna中，能夠準(zhǔn)確分析先進(jìn)高強(qiáng)鋼板復(fù)雜零件成形剪切斷裂失效行為，可以作為預(yù)測(cè)先進(jìn)高強(qiáng)鋼剪切斷裂現(xiàn)象的工程應(yīng)用方法。
　　綜上所述，本文針對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，建立了雙相鋼剪切斷裂試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變形過(guò)程中微觀組織