论文摘要
随着汽车工业的迅猛发展,汽车与环境、汽车与能源之间的矛盾日益尖锐。为解决这一问题,汽车轻量化已成为目前汽车工业进一步发展的必由之路。但在汽车轻量化过程中,确保汽车安全性是一个重要任务。因此,汽车用钢板向高强度钢板方向发展势在必行。TRIP钢是一种新型高强度钢板,它在塑性变形过程中存在TRIP效应,即TRIP钢在塑性变形过程中残余奥氏体向马氏体转变,这一过程赋予了TRIP钢良好的力学性能,使得TRIP钢板具有高强度、高塑性等特点。这同时也带来这一新型钢板“怎样才能在未来车身覆盖件广泛应用”的实际问题。目前,国内外对TRIP钢的研究主要集中在材料学领域,如TRIP钢的材料制备及合金元素对其力学性能、相变微观运动机制影响等。但是,对于TRIP钢在冲压成形过程中相变诱发塑性行为尚缺乏深入有效的研究,特别是在冲压过程中冲压速度、初始变形程度对TRIP钢相变诱发塑性行为的影响尚未见文献报道过。本文以TRIP钢板在冲压成形过程中的应用作为主要目标,开展TRIP钢板相变诱发塑性行为研究。考虑板料冲压过程中的速度效应和预应变效应,建立体现冲压特性的马氏体相变动力学模型;基于TRIP钢多相特性,建立简单有效的描述TRIP钢应力应变关系的多相混合硬化准则;考虑TRIP钢在变形过程中马氏体体积膨胀的特点,建立考虑体积变化的各向异性屈服方程;在此研究基础上,对传统的弹塑性力学进行拓展,建立起TRIP钢本构关系,用于描述TRIP钢冲压过程的内廪关系。在上述TRIP钢本构理论基础上,研究马氏体相变对TRIP钢力学特性影响,为后续研究TRIP钢板在冲压成形过程中的力学性能变化奠定基础。最后研究冲压速度和加载工步对TRIP钢冲压成形性能的影响规律及变形控制。本文研究主要内容包括:(1)基于应变速率、预应变的TRIP钢本构关系TRIP钢中残余奥氏体的相变行为对变形方式较敏感,只有在一定的变形方式或组合变形方式下才能充分发挥其相变诱发塑性的潜能,而目前在这方面虽有研究,但是主要集中于简单实验模型上,而且以经验公式为主。如何结合板料冲压成形特征,建立和丰富TRIP钢相变诱发塑性动力学模型,是工程应用的技术基础。本文基于塑性应变诱发马氏体相变的三个经典模型,结合冲压过程中固有的冲压速度和多步成形特征,建立起冲压条件下TRIP钢本构关系。首先考虑应变速率引起的温升效应,建立起冲压速度条件下TRIP钢马氏体相变动力学模型;考虑预应变,建立多步成形条件下TRIP钢马氏体相变动力学模型。鉴于TRIP钢是由多相材料(马氏体、残余奥氏体、铁素体、贝氏体)组成,在原有奥氏体不锈钢两相(马氏体、残余奥氏体)混合硬化准则基础上,建立多相混合硬化准则,用于描述TRIP钢板在变形过程中的应力应变关系曲线。由于TRIP钢在相变过程中存在体积变化,将考虑体积效应的Miller屈服准则引入本构方程,并将其扩展到板料各向异性范围。通过实验验证和相关文献的实验结果比较可得,本文提出的考虑冲压特性TRIP钢本构关系能够很好的描述TRIP钢板冲压成形过程,这为TRIP钢板冲压成形进一步研究提供理论基础。(2)TRIP板钢硬化特性分析及分散失稳准则作为描述材料硬化特性参数之一的硬化率是用于表征材料应变强化程度。应变硬化指数直接反映了材料发生颈缩前依靠硬化使材料均匀变形的能力大小,应变硬化指数的大小不仅反映材料的塑性加工性能,而且对于冲压成形件的合理选材也具有指导意义。板料塑性成形中主要的质量问题之一是破裂,而破裂本质是拉伸失稳现象。在成形过程中,控制材料拉伸失稳是生产合格零件的前提。本文在已建立的TRIP钢本构关系基础上,先后分析了常规条件下、以及不同应变速率和不同预应变条件下,TRIP钢硬化率、应变硬化指数、稳定性等力学特性及其变化规律。在TRIP钢塑性变形过程中,TRIP钢的硬化率、应变硬化指数随着残余奥氏体体积份数和马氏体体积份数变化而变化;而马氏体的体积份数还受马氏体相变速度的影响,即应变速率和预应变等的影响。因此TRIP钢硬化率、应变硬化指数与传统方式定义的硬化率、应变硬化指数有本质不同。另外,TRIP钢在发生塑性变形时存在体积变化,从而引起TRIP钢板在发生分散失稳时要考虑体积变化对失稳点影响;在应变速率和预应变条件下,失稳点进一步产生变化。(3)TRIP钢冲压成形性能分析及变形控制为工程实践中合理有效使用TRIP钢,本文在上述本构关系基础上,结合TRIP钢成形过程中的力学特性,研究了不同冲压速度加载形式、多道次冲压初始冲压深度对杯形件最小厚度、U形件反弹角影响。结合TRIP钢板硬化率,分析了冲压速度加载形式、多步冲压初始冲压深度等对TRIP钢板成形特性的影响。基于TRIP钢冲压件不同部位(如,凸模圆角、侧壁、凹模圆角部分)在成形中的性能变化规律,并初步建立TRIP钢冲压成形性能的控制策略。