高強(qiáng)度汽車(chē)板相變誘發(fā)塑性本構(gòu)模型及硬化特性研究.pdf

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

2、內(nèi)外對(duì)TRIP鋼的研究主要集中在材料學(xué)領(lǐng)域，如TRIP鋼的材料制備及合金元素對(duì)其力學(xué)性能、相變微觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制影響等。但是，對(duì)于TRIP鋼在沖壓成形過(guò)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(guò)程中沖壓速度、初始變形程度對(duì)TRIP鋼相變誘發(fā)塑性行為的影響尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)。 本文以TRIP鋼板在沖壓成形過(guò)程中的應(yīng)用作為主要目標(biāo)，開(kāi)展TRIP鋼板相變誘發(fā)塑性行為研究?？紤]板料沖壓過(guò)程中的速度效應(yīng)和預(yù)應(yīng)變效應(yīng)，建立體現(xiàn)沖壓特性

3、的馬氏體相變動(dòng)力學(xué)模型；基于TRIP鋼多相特性，建立簡(jiǎn)單有效的描述TRIP鋼應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的多相混合硬化準(zhǔn)則；考慮TRIP鋼在變形過(guò)程中馬氏體體積膨脹的特點(diǎn)，建立考慮體積變化的各向異性屈服方程；在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的彈塑性力學(xué)進(jìn)行拓展，建立起TRIP鋼本構(gòu)關(guān)系，用于描述TRIP鋼沖壓過(guò)程的內(nèi)廩關(guān)系。在上述TRIP鋼本構(gòu)理論基礎(chǔ)上，研究馬氏體相變對(duì)TRIP鋼力學(xué)特性影響，為后續(xù)研究TRIP鋼板在沖壓成形過(guò)程中的力學(xué)性能變化奠定基礎(chǔ)。最后研

4、究沖壓速度和加載工步對(duì)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(yīng)變速率、預(yù)應(yīng)變的TRIP鋼本構(gòu)關(guān)系TRIP鋼中殘余奧氏體的相變行為對(duì)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(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕希乙越?jīng)驗(yàn)公式為主。如何結(jié)合板料沖壓成形特征，建立和豐富TRIP鋼相變誘發(fā)塑性動(dòng)力學(xué)模型，是工程應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。本文基于塑性應(yīng)

5、變誘發(fā)馬氏體相變的三個(gè)經(jīng)典模型，結(jié)合沖壓過(guò)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(gòu)關(guān)系。首先考慮應(yīng)變速率引起的溫升效應(yīng)，建立起沖壓速度條件下TRIP鋼馬氏體相變動(dòng)力學(xué)模型；考慮預(yù)應(yīng)變，建立多步成形條件下TRIP鋼馬氏體相變動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)則基礎(chǔ)上，建立多相混合硬化準(zhǔn)則，用于描述TRIP鋼板在變形

6、過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。由于TRIP鋼在相變過(guò)程中存在體積變化，將考慮體積效應(yīng)的Miller屈服準(zhǔn)則引入本構(gòu)方程，并將其擴(kuò)展到板料各向異性范圍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可得，本文提出的考慮沖壓特性TRIP鋼本構(gòu)關(guān)系能夠很好的描述TRIP鋼板沖壓成形過(guò)程，這為T(mén)RIP鋼板沖壓成形進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。 (2)TRIP板鋼硬化特性分析及分散失穩(wěn)準(zhǔn)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(yīng)變強(qiáng)化程度。應(yīng)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(yīng)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(duì)于沖壓成形件的合理選材也具有指導(dǎo)意義。板料塑性成形中主要的質(zhì)量問(wèn)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(guò)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(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上，先后分析了常規(guī)條件下、以及不同應(yīng)變速率和不同預(yù)應(yīng)變條件下，TRIP鋼硬化率、應(yīng)變硬化指數(shù)、穩(wěn)定性等力學(xué)特性及其變化規(guī)律。在TRI

8、P鋼塑性變形過(guò)程中，TRIP鋼的硬化率、應(yīng)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(yīng)變速率和預(yù)應(yīng)變等的影響。因此TRIP鋼硬化率、應(yīng)變硬化指數(shù)與傳統(tǒng)方式定義的硬化率、應(yīng)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(shí)存在體積變化，從而引起TRIP鋼板在發(fā)生分散失穩(wěn)時(shí)要考慮體積變化對(duì)失穩(wěn)點(diǎn)影響；在應(yīng)變速率和預(yù)應(yīng)變條件下，失穩(wěn)點(diǎn)進(jìn)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(shí)踐中合理有效使用TRIP鋼，本文在上述本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上，結(jié)合TRIP鋼成形過(guò)程中的力學(xué)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(duì)杯形件最小厚度、U形件反彈角影響。結(jié)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(duì)TRIP鋼板成形特性的影響。基于TRIP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