高強度鋼板非彈性回復行為實驗研究

余海燕 高云凱

同濟大學,上海,200092

0 引言

隨著能源和環境問題的日益突出,汽車的輕量化也成為必然發展趨勢。選用輕質材料是輕量化的一個有效途徑,因此高強度鋼板在汽車上的應用也越來越多。目前,高強度鋼板在汽車上應用主要存在兩方面的問題:一是隨著強度增大,沖壓成形性下降;二是回彈大,定形精度低,這嚴重影響了沖壓件的質量及車身裝配精度。所以對高強度鋼板沖壓件的回彈預測和控制一直業界研究的重點。

回彈預測中必需的一個材料參數就是彈性模量。目前大多數回彈分析將彈性模量當作恒定不變的參數,但有研究表明多數金屬如銅及銅合金[1-2]、鋁及鋁合金[3-5]、鐵及鐵合金[6-13]均存在非彈性回復現象,即卸載過程中應力與應變呈非線性變化,而不是線性變化。這個現象在宏觀上可視為塑性變形過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題較嚴重的高強度鋼板,強度較高的TRIP600和強度較低的H220BD鋼板為對象,比較分析這兩種鋼板在塑性變形過程中非彈性回復行為,并建立彈性模量的計算公式,為進一步提高回彈仿真精度提供參考。

1 實驗方案

單向拉伸實驗按GB/T228—2002標準在裝有精確拉伸計的 Zwick Roell拉伸試驗機上進行,實驗材料選用冷軋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格及制作方法完全相同,標距為50mm,材料拉伸方向與軋制方向平行。為了盡可能減小機械加工對殘余奧氏體的影響,采用線切割法切割試樣。

實驗加載方法如圖1所示,首先將試樣加載到塑性應變ε1時卸載,然后再對同一個試樣加載到塑性應變ε2時卸載,如此反復直至達到預定應變水平。本文對T RIP鋼板試樣分別按約0.05、0.10 、0.15、0.20、0.25、0.30 共 6 個應變水平進行加載和卸載,對 H220BD鋼試樣分別按約0.04 、0.08、0.12、0.16 、0.20、0.24、0.28 的應變水平加載和卸載。每個應變水平下的彈性模量的獲取按如下方法[4]:考慮卸載時卸載系統反應的滯后,首先對所測應力應變數據進行比較,求得每次卸載時的準確應變水平值;然后取得實驗測得的應力應變曲線的彈性部分,對這些數據進行多項式擬合;再對擬合所得多項式求導并求得零點處的導數值,該值即為相應應變下的彈性模量值。

2 結果與討論

圖2為實驗所測TRIP600和H220BD兩種鋼板的工程應力應變曲線,表1列出了相應的基本力學性能參數。比較這兩條曲線可得:①TRIP600鋼板同時具有高強度和良好延伸性。其屈服強度和抗拉強度分別為472MPa和658MPa,約為H220BD鋼板相應值的兩倍。其均勻延伸率也達到了25.4%,和H220BD鋼板基本相同,與一般的鋼板隨著強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了較強的硬化性能,尤其是剛進入塑性屈服之后的那一段,這表明TRIP600鋼板具有更高的應變硬化指數,從而具有更好的均勻變形能力。

表1 實驗所測材料的基本力學性能參數

圖3和圖4分別為 TRIP600鋼板和H220BD鋼板在不同應變水平下卸載所得的工程應力應變曲線。由圖3可見,每次卸載后再加載應力應變曲線出現向上的小臺階,而且這個臺階在應變水平為0.05～0.15時較大,然后隨著應變的增加而減小。這表明卸載后再加載時的材料硬化能力提高,且應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變硬化較顯著,隨后逐漸減小。上述現象對圖4中的H220BD鋼板卻不明顯,主要原因在于這兩種鋼板的強化機制不同。TRIP600鋼板是一種具有相變誘發塑性特點的材料,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定,在塑性變形的誘導下會發生向馬氏體的轉變,轉變的同時使得晶界處應力集中得以釋放,結果使得材料塑性提高且應變硬化能力增強[14]。而H220BD鋼板是一種烘烤硬化鋼,其強化機制是固溶強化[15]。由于鋼中存在固溶C或N,沖壓成形時產生位錯,在約170℃左右涂漆烘烤處理過程中,固溶C與位錯相互作用,使鋼板強度上升。也就是這種鋼板的強化需要產生位錯并且要經過烘烤處理才能實現,在室溫下的變形中強化效應不易實現。

圖5和圖6分別是T RIP600和H220BD鋼板在塑性應變為0.209和0.200時卸載獲得的應力應變曲線,圖 5和圖6中均有 3條線,曲線APB為實驗獲得真實應力應變數據,直線AB是直接連接卸載曲線首尾兩點所得,直線AC為根據初始彈性模量計算的應力—應變直線。比較這3條線可知:實際卸載過程中應力與應變成非線性關系,產生的實際回復變形大于線性回復變形,在圖5和圖6中表現為曲線APB對坐標橫軸的投影BD顯著大于直線AC對坐標橫軸的投影CD。為此,將卸載產生的應變回復分為兩部分:一部分為由初始彈性模量計算的彈性回復應變,如圖5、圖6中CD部分;另一部分為非彈性回復應變,如圖5、圖6中 BC部分。圖 5中總應變回復為0.005,非彈性應變回復約為0.001,非彈性應變回復所占比例約為20%。圖6中,總應變回復為0.001 90,非彈性回復約為0.000 36,非彈性應變回復所占比例約為18.9%。從非彈性回復所占比例來看這兩種鋼板相近,但從非彈性回復應變的絕對值來看T RIP600鋼板要高出H220BD鋼板很多,這是因為T RIP600鋼板在卸載時應力已達到800MPa,而H220BD鋼板卸載時應力只有335MPa。

如上所述,金屬材料的非彈性回復行為的力學表征可用彈性模量的變化來描述。根據圖3和圖4中的應力應變曲線以及實驗方案中所述的計算方法可求得每個應變水平下卸載曲線所對應的彈性模量值,所求得的彈性模量如圖7所示。由圖7可見,彈性模量隨著應變的增加呈遞減趨勢,但遞減速度隨著應變的增大而逐漸減小,曲線最終趨向平行于坐標軸。這是因為塑性變形不僅可以引起位錯密度的增大,而且可以引起位錯結構的改變。隨著變形的增大,位錯密度增大,使得位錯纏結和高密度的位錯墻形成,這些位錯纏結和位錯墻的逐漸增多給位錯運動增加了障礙,從而產生可動位錯密度增大緩慢并趨于飽和的現象。彈性模量的改變決定于可動位錯密度的大小[12,16],這樣塑性變形到一定程度時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實驗數據采用指數衰減函數擬合的曲線[17],相應的函數表達式如下:

實驗所測TRIP600鋼板的彈性模量為

實驗所測H220BD鋼板的彈性模量為

由式(1)和式(2)可以實時計算塑性變形過程中的彈性模量。

3 結論

(1)高強度鋼板卸載中產生的應變回復由彈性應變回復和非彈性應變回復組成。本文研究的T RIP600鋼板和H220BD鋼板在塑性應變為0.2時卸載所產生的非彈性應變回復所占比例基本相同,約為19%～20%,但H220BD鋼板非彈性應變回復的絕對值遠低于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變的增大而減小,但不是無限減小,當應變增大到一定程度時彈性模量趨于一個穩定值。

(3)對塑性變形過程中彈性模量減小的問題的考慮可以提高回彈預測的精度。

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