高強度汽車板相變誘發(fā)塑性本構模型及硬化特性研究.pdf

1、隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車與環(huán)境、汽車與能源之間的矛盾日益尖銳。為解決這一問題，汽車輕量化已成為目前汽車工業(yè)進一步發(fā)展的必由之路。但在汽車輕量化過程中，確保汽車安全性是一個重要任務。因此，汽車用鋼板向高強度鋼板方向發(fā)展勢在必行。TRIP鋼是一種新型高強度鋼板，它在塑性變形過程中存在TRIP效應，即TRIP鋼在塑性變形過程中殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，這一過程賦予了TRIP鋼良好的力學性能，使得TRIP鋼板具有高強度、高塑性等特點。目前，國

2、內(nèi)外對TRIP鋼的研究主要集中在材料學領域，如TRIP鋼的材料制備及合金元素對其力學性能、相變微觀運動機制影響等。但是，對于TRIP鋼在沖壓成形過程中相變誘發(fā)塑性行為尚缺乏深入有效的研究，特別是在沖壓過程中沖壓速度、初始變形程度對TRIP鋼相變誘發(fā)塑性行為的影響尚未見文獻報道過。 本文以TRIP鋼板在沖壓成形過程中的應用作為主要目標，開展TRIP鋼板相變誘發(fā)塑性行為研究?？紤]板料沖壓過程中的速度效應和預應變效應，建立體現(xiàn)沖壓特性

3、的馬氏體相變動力學模型；基于TRIP鋼多相特性，建立簡單有效的描述TRIP鋼應力應變關系的多相混合硬化準則；考慮TRIP鋼在變形過程中馬氏體體積膨脹的特點，建立考慮體積變化的各向異性屈服方程；在此研究基礎上，對傳統(tǒng)的彈塑性力學進行拓展，建立起TRIP鋼本構關系，用于描述TRIP鋼沖壓過程的內(nèi)廩關系。在上述TRIP鋼本構理論基礎上，研究馬氏體相變對TRIP鋼力學特性影響，為后續(xù)研究TRIP鋼板在沖壓成形過程中的力學性能變化奠定基礎。最后研

4、究沖壓速度和加載工步對TRIP鋼沖壓成形性能的影響規(guī)律及變形控制。研究主要內(nèi)容包括： (1)基于應變速率、預應變的TRIP鋼本構關系TRIP鋼中殘余奧氏體的相變行為對變形方式較敏感，只有在一定的變形方式或組合變形方式下才能充分發(fā)揮其相變誘發(fā)塑性的潛能，而目前在這方面雖有研究，但是主要集中于簡單實驗模型上，而且以經(jīng)驗公式為主。如何結合板料沖壓成形特征，建立和豐富TRIP鋼相變誘發(fā)塑性動力學模型，是工程應用的技術基礎。本文基于塑性應

5、變誘發(fā)馬氏體相變的三個經(jīng)典模型，結合沖壓過程中固有的沖壓速度和多步成形特征，建立起沖壓條件下TRIP鋼本構關系。首先考慮應變速率引起的溫升效應，建立起沖壓速度條件下TRIP鋼馬氏體相變動力學模型；考慮預應變，建立多步成形條件下TRIP鋼馬氏體相變動力學模型。鑒于TRIP鋼是由多相材料(馬氏體、殘余奧氏體、鐵素體、貝氏體)組成，在原有奧氏體不銹鋼兩相(馬氏體、殘余奧氏體)混合硬化準則基礎上，建立多相混合硬化準則，用于描述TRIP鋼板在變形

6、過程中的應力應變關系曲線。由于TRIP鋼在相變過程中存在體積變化，將考慮體積效應的Miller屈服準則引入本構方程，并將其擴展到板料各向異性范圍。通過實驗驗證和相關文獻的實驗結果比較可得，本文提出的考慮沖壓特性TRIP鋼本構關系能夠很好的描述TRIP鋼板沖壓成形過程，這為TRIP鋼板沖壓成形進一步研究提供理論基礎。 (2)TRIP板鋼硬化特性分析及分散失穩(wěn)準則作為描述材料硬化特性參數(shù)之一的硬化率是用于表征材料應變強化程度。應變硬

7、化指數(shù)直接反映了材料發(fā)生頸縮前依靠硬化使材料均勻變形的能力大小，應變硬化指數(shù)的大小不僅反映材料的塑性加工性能，而且對于沖壓成形件的合理選材也具有指導意義。板料塑性成形中主要的質(zhì)量問題之一是破裂，而破裂本質(zhì)是拉伸失穩(wěn)現(xiàn)象。在成形過程中，控制材料拉伸失穩(wěn)是生產(chǎn)合格零件的前提。本文在已建立的TRIP鋼本構關系基礎上，先后分析了常規(guī)條件下、以及不同應變速率和不同預應變條件下，TRIP鋼硬化率、應變硬化指數(shù)、穩(wěn)定性等力學特性及其變化規(guī)律。在TRI

8、P鋼塑性變形過程中，TRIP鋼的硬化率、應變硬化指數(shù)隨著殘余奧氏體體積份數(shù)和馬氏體體積份數(shù)變化而變化；而馬氏體的體積份數(shù)還受馬氏體相變速度的影響，即應變速率和預應變等的影響。因此TRIP鋼硬化率、應變硬化指數(shù)與傳統(tǒng)方式定義的硬化率、應變硬化指數(shù)有本質(zhì)不同。另外，TRIP鋼在發(fā)生塑性變形時存在體積變化，從而引起TRIP鋼板在發(fā)生分散失穩(wěn)時要考慮體積變化對失穩(wěn)點影響；在應變速率和預應變條件下，失穩(wěn)點進一步產(chǎn)生變化。 (3)TRIP鋼

9、沖壓成形性能分析及變形控制為工程實踐中合理有效使用TRIP鋼，本文在上述本構關系基礎上，結合TRIP鋼成形過程中的力學特性，研究了不同沖壓速度加載形式、多道次沖壓初始沖壓深度對杯形件最小厚度、U形件反彈角影響。結合TRIP鋼板硬化率，分析了沖壓速度加載形式、多步?jīng)_壓初始沖壓深度等對TRIP鋼板成形特性的影響?；赥RIP鋼沖壓件不同部位(如，凸模圓角、側(cè)壁、凹模圓角部分)在成形中的性能變化規(guī)律，并初步建立TRIP鋼沖壓成形性能的控制策略