高强度钢板非弹性回复行为实验研究

余海燕 高云凯

同济大学,上海,200092

0 引言

随着能源和环境问题的日益突出,汽车的轻量化也成为必然发展趋势。选用轻质材料是轻量化的一个有效途径,因此高强度钢板在汽车上的应用也越来越多。目前,高强度钢板在汽车上应用主要存在两方面的问题:一是随着强度增大,冲压成形性下降;二是回弹大,定形精度低,这严重影响了冲压件的质量及车身装配精度。所以对高强度钢板冲压件的回弹预测和控制一直业界研究的重点。

回弹预测中必需的一个材料参数就是弹性模量。目前大多数回弹分析将弹性模量当作恒定不变的参数,但有研究表明多数金属如铜及铜合金[1-2]、铝及铝合金[3-5]、铁及铁合金[6-13]均存在非弹性回复现象,即卸载过程中应力与应变呈非线性变化,而不是线性变化。这个现象在宏观上可视为塑性变形过程中弹性模量随着变形不断变化,而非恒定不变。

本文选择了两种回弹问题较严重的高强度钢板,强度较高的TRIP600和强度较低的H220BD钢板为对象,比较分析这两种钢板在塑性变形过程中非弹性回复行为,并建立弹性模量的计算公式,为进一步提高回弹仿真精度提供参考。

1 实验方案

单向拉伸实验按GB/T228—2002标准在装有精确拉伸计的 Zwick Roell拉伸试验机上进行,实验材料选用冷轧T RIP600钢板和H220BD钢板,其厚度分别为1.0mm和0.7mm,这两种材料拉伸试样的规格及制作方法完全相同,标距为50mm,材料拉伸方向与轧制方向平行。为了尽可能减小机械加工对残余奥氏体的影响,采用线切割法切割试样。

实验加载方法如图1所示,首先将试样加载到塑性应变ε1时卸载,然后再对同一个试样加载到塑性应变ε2时卸载,如此反复直至达到预定应变水平。本文对T RIP钢板试样分别按约0.05、0.10 、0.15、0.20、0.25、0.30 共 6 个应变水平进行加载和卸载,对 H220BD钢试样分别按约0.04 、0.08、0.12、0.16 、0.20、0.24、0.28 的应变水平加载和卸载。每个应变水平下的弹性模量的获取按如下方法[4]:考虑卸载时卸载系统反应的滞后,首先对所测应力应变数据进行比较,求得每次卸载时的准确应变水平值;然后取得实验测得的应力应变曲线的弹性部分,对这些数据进行多项式拟合;再对拟合所得多项式求导并求得零点处的导数值,该值即为相应应变下的弹性模量值。

2 结果与讨论

图2为实验所测TRIP600和H220BD两种钢板的工程应力应变曲线,表1列出了相应的基本力学性能参数。比较这两条曲线可得:①TRIP600钢板同时具有高强度和良好延伸性。其屈服强度和抗拉强度分别为472MPa和658MPa,约为H220BD钢板相应值的两倍。其均匀延伸率也达到了25.4%,和H220BD钢板基本相同,与一般的钢板随着强度增加而延伸性能显著降低不同。②TRIP600钢板在由屈服到颈缩之前表现了较强的硬化性能,尤其是刚进入塑性屈服之后的那一段,这表明TRIP600钢板具有更高的应变硬化指数,从而具有更好的均匀变形能力。

表1 实验所测材料的基本力学性能参数

图3和图4分别为 TRIP600钢板和H220BD钢板在不同应变水平下卸载所得的工程应力应变曲线。由图3可见,每次卸载后再加载应力应变曲线出现向上的小台阶,而且这个台阶在应变水平为0.05～0.15时较大,然后随着应变的增加而减小。这表明卸载后再加载时的材料硬化能力提高,且应变硬化水平随着变形增加而改变,在均匀延伸的前大半阶段应变硬化较显著,随后逐渐减小。上述现象对图4中的H220BD钢板却不明显,主要原因在于这两种钢板的强化机制不同。TRIP600钢板是一种具有相变诱发塑性特点的材料,其微观组织中存在含碳量较高的残余奥氏体,这种残余奥氏体不稳定,在塑性变形的诱导下会发生向马氏体的转变,转变的同时使得晶界处应力集中得以释放,结果使得材料塑性提高且应变硬化能力增强[14]。而H220BD钢板是一种烘烤硬化钢,其强化机制是固溶强化[15]。由于钢中存在固溶C或N,冲压成形时产生位错,在约170℃左右涂漆烘烤处理过程中,固溶C与位错相互作用,使钢板强度上升。也就是这种钢板的强化需要产生位错并且要经过烘烤处理才能实现,在室温下的变形中强化效应不易实现。

图5和图6分别是T RIP600和H220BD钢板在塑性应变为0.209和0.200时卸载获得的应力应变曲线,图 5和图6中均有 3条线,曲线APB为实验获得真实应力应变数据,直线AB是直接连接卸载曲线首尾两点所得,直线AC为根据初始弹性模量计算的应力—应变直线。比较这3条线可知:实际卸载过程中应力与应变成非线性关系,产生的实际回复变形大于线性回复变形,在图5和图6中表现为曲线APB对坐标横轴的投影BD显著大于直线AC对坐标横轴的投影CD。为此,将卸载产生的应变回复分为两部分:一部分为由初始弹性模量计算的弹性回复应变,如图5、图6中CD部分;另一部分为非弹性回复应变,如图5、图6中 BC部分。图 5中总应变回复为0.005,非弹性应变回复约为0.001,非弹性应变回复所占比例约为20%。图6中,总应变回复为0.001 90,非弹性回复约为0.000 36,非弹性应变回复所占比例约为18.9%。从非弹性回复所占比例来看这两种钢板相近,但从非弹性回复应变的绝对值来看T RIP600钢板要高出H220BD钢板很多,这是因为T RIP600钢板在卸载时应力已达到800MPa,而H220BD钢板卸载时应力只有335MPa。

如上所述,金属材料的非弹性回复行为的力学表征可用弹性模量的变化来描述。根据图3和图4中的应力应变曲线以及实验方案中所述的计算方法可求得每个应变水平下卸载曲线所对应的弹性模量值,所求得的弹性模量如图7所示。由图7可见,弹性模量随着应变的增加呈递减趋势,但递减速度随着应变的增大而逐渐减小,曲线最终趋向平行于坐标轴。这是因为塑性变形不仅可以引起位错密度的增大,而且可以引起位错结构的改变。随着变形的增大,位错密度增大,使得位错缠结和高密度的位错墙形成,这些位错缠结和位错墙的逐渐增多给位错运动增加了障碍,从而产生可动位错密度增大缓慢并趋于饱和的现象。弹性模量的改变决定于可动位错密度的大小[12,16],这样塑性变形到一定程度时弹性模量的减小幅度逐渐减小并最终趋于恒定。

图7中的两条曲线是根据实验数据采用指数衰减函数拟合的曲线[17],相应的函数表达式如下:

实验所测TRIP600钢板的弹性模量为

实验所测H220BD钢板的弹性模量为

由式(1)和式(2)可以实时计算塑性变形过程中的弹性模量。

3 结论

(1)高强度钢板卸载中产生的应变回复由弹性应变回复和非弹性应变回复组成。本文研究的T RIP600钢板和H220BD钢板在塑性应变为0.2时卸载所产生的非弹性应变回复所占比例基本相同,约为19%～20%,但H220BD钢板非弹性应变回复的绝对值远低于TRIP600钢板。

(2)塑性变形中T RIP600钢板和H220BD钢板的弹性模量随着应变的增大而减小,但不是无限减小,当应变增大到一定程度时弹性模量趋于一个稳定值。

(3)对塑性变形过程中弹性模量减小的问题的考虑可以提高回弹预测的精度。

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