余海燕 高云凱

同濟(jì)大學(xué),上海,200092

0 引言

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出,汽車的輕量化也成為必然發(fā)展趨勢(shì)。選用輕質(zhì)材料是輕量化的一個(gè)有效途徑,因此高強(qiáng)度鋼板在汽車上的應(yīng)用也越來(lái)越多。目前,高強(qiáng)度鋼板在汽車上應(yīng)用主要存在兩方面的問(wèn)題:一是隨著強(qiáng)度增大,沖壓成形性下降;二是回彈大,定形精度低,這嚴(yán)重影響了沖壓件的質(zhì)量及車身裝配精度。所以對(duì)高強(qiáng)度鋼板沖壓件的回彈預(yù)測(cè)和控制一直業(yè)界研究的重點(diǎn)。

回彈預(yù)測(cè)中必需的一個(gè)材料參數(shù)就是彈性模量。目前大多數(shù)回彈分析將彈性模量當(dāng)作恒定不變的參數(shù),但有研究表明多數(shù)金屬如銅及銅合金[1-2]、鋁及鋁合金[3-5]、鐵及鐵合金[6-13]均存在非彈性回復(fù)現(xiàn)象,即卸載過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性變化,而不是線性變化。這個(gè)現(xiàn)象在宏觀上可視為塑性變形過(guò)程中彈性模量隨著變形不斷變化,而非恒定不變。

本文選擇了兩種回彈問(wèn)題較嚴(yán)重的高強(qiáng)度鋼板,強(qiáng)度較高的TRIP600和強(qiáng)度較低的H220BD鋼板為對(duì)象,比較分析這兩種鋼板在塑性變形過(guò)程中非彈性回復(fù)行為,并建立彈性模量的計(jì)算公式,為進(jìn)一步提高回彈仿真精度提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

單向拉伸實(shí)驗(yàn)按GB/T228—2002標(biāo)準(zhǔn)在裝有精確拉伸計(jì)的 Zwick Roell拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)材料選用冷軋T RIP600鋼板和H220BD鋼板,其厚度分別為1.0mm和0.7mm,這兩種材料拉伸試樣的規(guī)格及制作方法完全相同,標(biāo)距為50mm,材料拉伸方向與軋制方向平行。為了盡可能減小機(jī)械加工對(duì)殘余奧氏體的影響,采用線切割法切割試樣。

實(shí)驗(yàn)加載方法如圖1所示,首先將試樣加載到塑性應(yīng)變?chǔ)?時(shí)卸載,然后再對(duì)同一個(gè)試樣加載到塑性應(yīng)變?chǔ)?時(shí)卸載,如此反復(fù)直至達(dá)到預(yù)定應(yīng)變水平。本文對(duì)T RIP鋼板試樣分別按約0.05、0.10 、0.15、0.20、0.25、0.30 共 6 個(gè)應(yīng)變水平進(jìn)行加載和卸載,對(duì) H220BD鋼試樣分別按約0.04 、0.08、0.12、0.16 、0.20、0.24、0.28 的應(yīng)變水平加載和卸載。每個(gè)應(yīng)變水平下的彈性模量的獲取按如下方法[4]:考慮卸載時(shí)卸載系統(tǒng)反應(yīng)的滯后,首先對(duì)所測(cè)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,求得每次卸載時(shí)的準(zhǔn)確應(yīng)變水平值;然后取得實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線的彈性部分,對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合;再對(duì)擬合所得多項(xiàng)式求導(dǎo)并求得零點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)值,該值即為相應(yīng)應(yīng)變下的彈性模量值。

2 結(jié)果與討論

圖2為實(shí)驗(yàn)所測(cè)TRIP600和H220BD兩種鋼板的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線,表1列出了相應(yīng)的基本力學(xué)性能參數(shù)。比較這兩條曲線可得:①TRIP600鋼板同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好延伸性。其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為472MPa和658MPa,約為H220BD鋼板相應(yīng)值的兩倍。其均勻延伸率也達(dá)到了25.4%,和H220BD鋼板基本相同,與一般的鋼板隨著強(qiáng)度增加而延伸性能顯著降低不同。②TRIP600鋼板在由屈服到頸縮之前表現(xiàn)了較強(qiáng)的硬化性能,尤其是剛進(jìn)入塑性屈服之后的那一段,這表明TRIP600鋼板具有更高的應(yīng)變硬化指數(shù),從而具有更好的均勻變形能力。

表1 實(shí)驗(yàn)所測(cè)材料的基本力學(xué)性能參數(shù)

圖3和圖4分別為 TRIP600鋼板和H220BD鋼板在不同應(yīng)變水平下卸載所得的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖3可見(jiàn),每次卸載后再加載應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)向上的小臺(tái)階,而且這個(gè)臺(tái)階在應(yīng)變水平為0.05～0.15時(shí)較大,然后隨著應(yīng)變的增加而減小。這表明卸載后再加載時(shí)的材料硬化能力提高,且應(yīng)變硬化水平隨著變形增加而改變,在均勻延伸的前大半階段應(yīng)變硬化較顯著,隨后逐漸減小。上述現(xiàn)象對(duì)圖4中的H220BD鋼板卻不明顯,主要原因在于這兩種鋼板的強(qiáng)化機(jī)制不同。TRIP600鋼板是一種具有相變誘發(fā)塑性特點(diǎn)的材料,其微觀組織中存在含碳量較高的殘余奧氏體,這種殘余奧氏體不穩(wěn)定,在塑性變形的誘導(dǎo)下會(huì)發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變的同時(shí)使得晶界處應(yīng)力集中得以釋放,結(jié)果使得材料塑性提高且應(yīng)變硬化能力增強(qiáng)[14]。而H220BD鋼板是一種烘烤硬化鋼,其強(qiáng)化機(jī)制是固溶強(qiáng)化[15]。由于鋼中存在固溶C或N,沖壓成形時(shí)產(chǎn)生位錯(cuò),在約170℃左右涂漆烘烤處理過(guò)程中,固溶C與位錯(cuò)相互作用,使鋼板強(qiáng)度上升。也就是這種鋼板的強(qiáng)化需要產(chǎn)生位錯(cuò)并且要經(jīng)過(guò)烘烤處理才能實(shí)現(xiàn),在室溫下的變形中強(qiáng)化效應(yīng)不易實(shí)現(xiàn)。

圖5和圖6分別是T RIP600和H220BD鋼板在塑性應(yīng)變?yōu)?.209和0.200時(shí)卸載獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖 5和圖6中均有 3條線,曲線APB為實(shí)驗(yàn)獲得真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),直線AB是直接連接卸載曲線首尾兩點(diǎn)所得,直線AC為根據(jù)初始彈性模量計(jì)算的應(yīng)力—應(yīng)變直線。比較這3條線可知:實(shí)際卸載過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變成非線性關(guān)系,產(chǎn)生的實(shí)際回復(fù)變形大于線性回復(fù)變形,在圖5和圖6中表現(xiàn)為曲線APB對(duì)坐標(biāo)橫軸的投影BD顯著大于直線AC對(duì)坐標(biāo)橫軸的投影CD。為此,將卸載產(chǎn)生的應(yīng)變回復(fù)分為兩部分:一部分為由初始彈性模量計(jì)算的彈性回復(fù)應(yīng)變,如圖5、圖6中CD部分;另一部分為非彈性回復(fù)應(yīng)變,如圖5、圖6中 BC部分。圖 5中總應(yīng)變回復(fù)為0.005,非彈性應(yīng)變回復(fù)約為0.001,非彈性應(yīng)變回復(fù)所占比例約為20%。圖6中,總應(yīng)變回復(fù)為0.001 90,非彈性回復(fù)約為0.000 36,非彈性應(yīng)變回復(fù)所占比例約為18.9%。從非彈性回復(fù)所占比例來(lái)看這兩種鋼板相近,但從非彈性回復(fù)應(yīng)變的絕對(duì)值來(lái)看T RIP600鋼板要高出H220BD鋼板很多,這是因?yàn)門 RIP600鋼板在卸載時(shí)應(yīng)力已達(dá)到800MPa,而H220BD鋼板卸載時(shí)應(yīng)力只有335MPa。

如上所述,金屬材料的非彈性回復(fù)行為的力學(xué)表征可用彈性模量的變化來(lái)描述。根據(jù)圖3和圖4中的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及實(shí)驗(yàn)方案中所述的計(jì)算方法可求得每個(gè)應(yīng)變水平下卸載曲線所對(duì)應(yīng)的彈性模量值,所求得的彈性模量如圖7所示。由圖7可見(jiàn),彈性模量隨著應(yīng)變的增加呈遞減趨勢(shì),但遞減速度隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小,曲線最終趨向平行于坐標(biāo)軸。這是因?yàn)樗苄宰冃尾粌H可以引起位錯(cuò)密度的增大,而且可以引起位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的改變。隨著變形的增大,位錯(cuò)密度增大,使得位錯(cuò)纏結(jié)和高密度的位錯(cuò)墻形成,這些位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)墻的逐漸增多給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)增加了障礙,從而產(chǎn)生可動(dòng)位錯(cuò)密度增大緩慢并趨于飽和的現(xiàn)象。彈性模量的改變決定于可動(dòng)位錯(cuò)密度的大小[12,16],這樣塑性變形到一定程度時(shí)彈性模量的減小幅度逐漸減小并最終趨于恒定。

圖7中的兩條曲線是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用指數(shù)衰減函數(shù)擬合的曲線[17],相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式如下:

實(shí)驗(yàn)所測(cè)TRIP600鋼板的彈性模量為

實(shí)驗(yàn)所測(cè)H220BD鋼板的彈性模量為

由式(1)和式(2)可以實(shí)時(shí)計(jì)算塑性變形過(guò)程中的彈性模量。

3 結(jié)論

(1)高強(qiáng)度鋼板卸載中產(chǎn)生的應(yīng)變回復(fù)由彈性應(yīng)變回復(fù)和非彈性應(yīng)變回復(fù)組成。本文研究的T RIP600鋼板和H220BD鋼板在塑性應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)卸載所產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變回復(fù)所占比例基本相同,約為19%～20%,但H220BD鋼板非彈性應(yīng)變回復(fù)的絕對(duì)值遠(yuǎn)低于TRIP600鋼板。

(2)塑性變形中T RIP600鋼板和H220BD鋼板的彈性模量隨著應(yīng)變的增大而減小,但不是無(wú)限減小,當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)彈性模量趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

(3)對(duì)塑性變形過(guò)程中彈性模量減小的問(wèn)題的考慮可以提高回彈預(yù)測(cè)的精度。

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