TRIP钢板成形性能和回弹特性研究

论文摘要

利用变形过程中相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity,简称TRIP)现象研制的TRIP钢兼具强度高、塑性好的特点,在汽车轻量化过程中显示出了广阔的应用前景。作为一种新型钢板,特殊的化学成分设计和轧制工艺使TRIP钢在室温下含有亚稳态奥氏体组织,在塑性变形过程中会发生向马氏体的转变,产生局部硬化,从而带来材料塑性的提高。相变诱发塑性效应赋予TRIP钢良好力学性能,改善了TRIP钢的成形性能,然而TRIP钢具有良好成形性能的同时回弹也很严重,且由于相变的影响导致用传统的线性弹性卸载预测TRIP钢的回弹精度不高,因此研究TRIP钢在塑性变形过程中的相变行为,弄清TRIP效应改善成形的机理,提高TRIP钢回弹的预测精度,对推广TRIP钢板的工程应用、缩短新产品开发周期有着重要的理论意义和实际价值。本文在借鉴和吸收国内外先进成果的基础上针对TRIP钢的相变行为、硬化特性、成形性能和回弹特性等进行了较为系统的研究。首先是建立基于应变路径的TRIP钢相变动力学模型,使其更适应于在板料成形中的应用;在此基础上利用平均场理论建立TRIP钢流动力学模型,分析残余奥氏体体积含量和稳定性对硬化特性的影响;然后实现冲压过程中残余奥氏体转变量分布的计算机预报,揭示TRIP钢具有良好成形性能的机理,并针对TRIP钢的成形工艺进行了优化;最后考虑TRIP钢变形中由于相变导致弹性模量的变化,建立弹性模量演化模型以实现TRIP钢的非线性弹性卸载,提高了TRIP钢回弹的预测精度,并通过稳健设计制定合适工艺,降低TRIP钢回弹对外部噪声因素的敏感性。本文的主要研究内容如下:(1)基于应力状态和应变路径的马氏体动力学模型遵循从简单到复杂的科学研究方法,选择典型的单调加载模式实验,获得残余奥氏体体积含量与应变量的定量关系,通过应力三轴水平参数来表征应力状态,建立了基于应力状态的马氏体相变动力学模型;并推导了应力三轴水平和应变路径的关系,建立了基于应变路径的马氏体动力学模型。马氏体动力学模型是后续力学模型的基础。(2) TRIP钢的流动力学模型和力学特性研究结合第二章建立的TRIP钢相变动力学模型,在分析TRIP钢各微观相的弹塑性变形行为基础上,利用Hill自洽理论和平均场理论推导了TRIP钢的流动力学模型,并依据所建立的力学模型研究TRIP效应影响下的TRIP钢的特殊硬化行为,分析TRIP钢中残余奥氏体初始体积含量和稳定性对TRIP钢硬化特性的影响规律。该模型是进行TRIP钢成形性能仿真研究的基础。(3) TRIP钢成形性能和工艺优化研究通过实现相变在TRIP钢冲压零件中分布的计算机预报,指出在零件危险部位由于相变量多而降低材料层错密度,降低了材料发生破裂的概率,而且由于相变强化作用,零件危险部位产生局部硬化而减小TRIP钢的局部减薄率,揭示了TRIP钢具有良好成形性能的机理;在可描述相变诱发塑性特点的成形极限预测准则基础上,计算TRIP型多相钢的最大拉深高度,与无TRIP效应时的最大拉深高度进行对比研究TRIP效应影响成形性能的程度;接着分析冲压工艺条件对TRIP钢相变的影响,找出决定TRIP效应大小的工艺因素,为工艺优化提供铺垫;最后针对杯形件拉深进行随时间变压边力优化和毛坯尺寸优化,针对盒形件拉深的随位置变化的压边力优化和毛坯形状优化,实验结果表明优化解不仅可以避免零件成形缺陷还可以保留足够的残余奥氏体来提高零件的后续变形能力,可以指导TRIP钢的成形工艺。(4)基于非线性弹性卸载的TRIP钢回弹预测和稳健控制为了弥补传统的有限元法(认为弹性模量不变)对TRIP钢回弹预测精度低的不足,首先研究了TRIP钢弹性模量随新生相体积份数变化的规律,建立TRIP钢弹性模量演化模型;把弹性模量变化历史引入仿真过程可以极大提高TRIP钢回弹的预测精度;在精度满足的条件下,通过模拟和优化设计方法的组合进行了变压边力优化控制回弹大小,通过稳健设计方法控制TRIP钢回弹波动,建立基于非线性弹性卸载的TRIP钢回弹控制的新方法,以提高零件的尺寸精度,降低生产成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.1.3 课题来源
• 1.2 TRIP 钢研究现状
• 1.2.1 TRIP 钢合金和生产工艺
• 1.2.2 形变诱发马氏体相变机理
• 1.2.3 相变诱发塑性研究
• 1.2.4 马氏体相变动力学及模型
• 1.2.5 TRIP 钢应力应变关系
• 1.2.6 变形模式对TRIP 钢马氏体转变的影响规律研究
• 1.2.7 TRIP 高强度钢板冲压成形性能研究
• 1.3 TRIP 钢研究的热点问题
• 1.4 研究目标和研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 基于应变路径的TRIP 钢相变动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 比例加载模式下TRIP 钢的相变规律
• 2.2.1 金相体积份数测量方法
• 2.2.2 材料和实验准备
• 2.2.3 单拉实验条件下TRIP 钢的相变规律
• 2.2.4 单剪实验条件下TRIP 钢的相变规律
• 2.2.5 平面应变实验条件下TRIP 钢的相变规律
• 2.2.6 等双拉实验条件下TRIP 钢的相变规律
• 2.3 基于应变路径的马氏体动力学计算模型
• 2.3.1 应力应变状态的表征
• 2.3.2 基于应力状态的马氏体动力学模型
• 2.3.3 基于应变路径的马氏体动力学模型
• 2.4 应力应变状态影响马氏体相变的微观机理
• 2.5 本章小结
• 第三章 TRIP 钢流动力学模型和力学性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 多相材料细观力学模型的建立方法概述
• 3.2.1 代表性单元
• 3.2.2 本征应变和Eshelby 等效夹杂
• 3.2.3 从微观到宏观过渡的均匀化方法
• 3.3 TRIP 型多相钢流动应力模型的建立
• 3.3.1 代表单元的确定
• 3.3.2 TRIP 型多相钢宏观力学模型
• 3.4 TRIP 钢基本力学性能分析
• 3.4.1 应变硬化特性
• 3.4.2 颈缩失稳
• 3.4.3 成形极限（FLD）
• 3.5 TRIP 钢基本力学性能的影响因素分析
• 3.5.1 残余奥氏体初始含量的影响
• 3.5.2 残余奥氏体稳定性的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 TRIP 钢的成形性能及工艺优化研究
• 4.1 引言
• 4.2 TRIP 效应对成形性能的改善
• 4.2.1 残余奥氏体转变量在冲压过程中的分布
• 4.2.2 TRIP 钢成形的厚向应变分布
• 4.2.3 TRIP 钢成形的失效破裂
• 4.3 工艺条件对相变转变量的影响
• 4.3.1 压边力对相变量的影响分析
• 4.3.2 摩擦系数对相变量的影响分析
• 4.3.3 工艺条件的敏感性分析
• 4.4 TRIP 钢成形过程的工艺优化
• 4.4.1 自适应响应面近似模型
• 4.4.2 智能优化算法
• 4.4.3 TRIP 钢板成形性能的工艺优化实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于非线性弹性卸载的TRIP 钢回弹预测和稳健控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于非线性弹性卸载的TRIP 钢的回弹预测
• 5.2.1 线性弹性卸载和非线性弹性卸载
• 5.2.2 TRIP 钢弹性模量的演化规律
• 5.2.3 线性/非线性弹性卸载的TRIP 钢回弹的预测精度
• 5.3 影响TRIP 钢回弹因素模拟分析
• 5.3.1 压边力对TRIP 钢回弹的影响
• 5.3.2 摩擦条件对TRIP 钢回弹的影响
• 5.3.3 TRIP 钢回弹影响因素的敏感性
• 5.4 TRIP 钢回弹控制的变压边力优化
• 5.4.1 变压边力类型对TRIP 钢的回弹影响
• 5.4.2 TRIP 钢回弹变压边力优化控制
• 5.5 基于FEM 的TRIP 钢回弹稳健设计
• 5.5.1 稳健设计概述
• 5.5.2 TRIP 钢回弹可控与不可控因素
• 5.5.3 TRIP 钢回弹稳健设计模型
• 5.5.4 TRIP 钢回弹稳健设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究工作和结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 不足之处以及进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文