DP780双相钢汽车板成形剪切断裂机理及评价准则研究

摘要

先进高强钢汽车板吸能性好，是实现车身轻量化的关键材料，目前在汽车工业中得到了广泛的应用。但在小半径拉伸弯曲成形过程中先进高强钢出现了一种新的剪切断裂形式，断裂之前材料并没有明显的颈缩现象，断口处几乎没有发生减薄，传统的成形极限准则不能精确预测这种成形缺陷，严重制约了先进高强钢板在车身上的推广与应用。
　　本文以先进高强钢中DP780双相钢汽车板成形剪切断裂为研究对象，在分析和借鉴已有研究工作的基础上，开展成形断裂实验研究，分析几何条件和工艺条件与双相钢断裂模式的内在关系；建立双相钢汽车板成形剪切断裂失效的原位观察系统，研究双相钢剪切断裂过程中微观组织的变化与弯曲裂纹的扩展规律；并采用数字图像相关方法获取双相钢中各相的应变分布，建立双相钢拉伸弯曲成形剪切断裂细观力学模型，分析空洞的产生与合并，揭示双相钢剪切断裂失效的机理；最后，考虑拉伸弯曲过程中材料的非均匀性变形特点，建立双相钢成形剪切断裂评价准则，提出拉伸弯曲成形性能评价方法，可预测双相钢复杂零件冲压成形剪切断裂，并实现工程应用。
　　本文的主要研究内容可以分为以下四个部分：
　　（1）双相钢剪切断裂失效规律实验研究
　　通过冲压模具成形拉伸弯曲实验，分析不同拉伸弯曲条件下的断裂失效形式，探讨颈缩失效与剪切断裂失效的区别，研究双相钢发生剪切断裂的临界相对弯曲半径。为了改进冲压模具成形失效系统试样断口在实验过程中不容易观察的缺陷，设计对称拉伸弯曲实验系统，实现双相钢在小半径拉伸弯曲条件下圆角处的剪切断裂现象。实验结果表明，当弯曲圆角半径较大时，试样的断口是在侧壁上呈折线状的颈缩失效；而当弯曲圆角较小时，试样为剪切断裂，发生在弯曲圆角处，断口形状呈直线状。两种断裂模式中间还存在着混合断裂模式。随着双相钢强度级别和压边力的增加，剪切断裂也更容易发生。
　　（2）双相钢微观原位拉伸弯曲实验研究
　　设计双相钢微观原位拉伸弯曲系统，将原位观察装置引入对称拉伸弯曲实验中，研究双相钢微观断裂过程。通过原位观察发现，在大半径拉伸弯曲条件下，双相钢弯曲圆角处的表面并没有出现微观裂纹；而在小半径条件下，试样外表面在拉伸弯曲过程的很早阶段就产生了裂纹。裂纹主要产生于马氏体相与铁素体相的相界处，后期也有少量产生于马氏体中。裂纹在扩展过程中，会沿着相界扩展或者穿过大块铁素体和小块马氏体，后期裂纹开始聚合形成较大的主裂纹并最终断裂。
　　（3）双相钢剪切断裂失效微观机理研究
　　将宏观实验应变分析使用的“数字图像相关”技术运用到微观组织分析中，对原位拉伸得到的金相图片进行定量研究，得到各相中位移与应变的精确分布。探索微观组织代表体积单元建模方法，建立双相钢微观组织结构代表体积单元模型，使用GTN断裂准则，研究双相钢在小圆角拉伸弯曲过程中应力与应变的分布。研究结果表明：在小半径拉伸弯曲条件下，马氏体相承担了变形中主要的应力，而铁素体相则承担了变形中主要的应变，等效塑性应变高的地方就是孔洞体积分数大的地方。弯曲圆角处的双相钢材料外层在大拉应力的作用下，马氏体附近的铁素体中发生主要的塑性变形，孔洞体积分数迅速增加达到临界值，形成微裂纹。随着载荷增加，微裂纹在垂直于最大拉应力方向上扩展，随后裂纹集中在其中的一条裂纹上，材料沿宽度方向形成直线断口，出现了剪切断裂现象。
　　（4）双相钢剪切断裂评价准则研究与应用
　　在拉伸弯曲过程中，弯曲圆角处的应力和应变明显呈分层的现象，开裂现象发生在试样的弯曲圆角最外层。对比了常用的韧性断裂准则，研究韧性断裂准则对于双相钢剪切断裂的适用性，由Cockcroft—Latham断裂准则可以预测先进高强钢在小圆角拉伸弯曲条件下的失效行为。基于断裂极限应变图和成形极限图提出先进高强钢成形性能指数，可预测剪切断裂与颈缩失效模式，实现双相钢成形性能综合评价。车身前纵梁零件成形仿真分析表明，将韧性断裂准则添加到板材成形软件 LS-Dyna中，能够准确分析先进高强钢板复杂零件成形剪切断裂失效行为，可以作为预测先进高强钢剪切断裂现象的工程应用方法。
　　综上所述，本文针对先进高强钢成形过程中所遇到的问题，建立了双相钢剪切断裂试验系统，实现了变形过程中微观组织的原位观察，通过微观组织建模分析得到了剪切断裂机理，并建立了成形剪切断裂预测和应用方法，为先进高强钢的应用和推广奠定了技术基础。

目录

声明

符号表

缩略词表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景、意义及来源

1.2 先进高强钢剪切断裂的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 双相钢成形剪切断裂失效规律实验研究

2.1 引言

2.2 双相钢材料的力学性能特点

2.3 冲压拉伸弯曲成形断裂失效实验

2.4 对称拉伸弯曲实验研究

2.5 本章小结

第三章 双相钢微观原位拉伸弯曲实验研究

3.1 引言

3.2 双相钢微观原位拉伸弯曲实验设计

3.3 双相钢原位拉伸弯曲实验研究

3.4 双相钢成形剪切断裂过程中的微观裂纹萌生与扩展

3.5 拉伸弯曲过程中厚度方向微观组织变化

3.6 本章小结

第四章 双相钢成形剪切断裂失效微观机理研究

4.1 引言

4.2 微观组织数字图像相关分析

4.3 双相钢微观组织代表体积单元建模方法

4.4 双相钢微观组织代表体积单元断裂模型

4.5 本章小结

第五章 双相钢剪切断裂评价准则研究

5.1 引言

5.2 韧性断裂准则研究

5.3 剪切断裂的韧性断裂极限应变研究

5.4 拉伸弯曲成形性能指数评价方法

5.5 本章小结

第六章 双相钢剪切断裂评价准则应用研究

6.1 引言

6.2 冲压断裂失效的板材成形有限元仿真

6.3 车身前纵梁成形分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要研究成果与研究结论

7.2 主要创新之处

7.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间论文发表情况