亚稳态奥氏体不锈钢的冲压成形特性研究

摘要

SUS304亚稳态奥氏体不锈钢是TRIP（Transformation Induced Plasticity）钢的一种，具有较高的抗拉强度和延伸率，能满足汽车轻量化和安全性要求。但SUS304不锈钢硬化指数远远大于其他钢种，加工硬化严重，冷加工时极易起皱和拉裂。亚稳态奥氏体不锈钢中马氏体的转变，使得该种材料的性能存在不稳定性，材料的力学行为变得更加复杂。针对以上问题，本文在高等学校博士学科点专项科研基金（20090073120058）和国家自然科学基金项目（51105248）的支持下，完成了SUS304亚稳态奥氏体不锈钢的冲压成形特性的研究工作。主要研究内容总结如下：
　　研究了拉伸速率对SUS304亚稳态奥氏体不锈钢室温拉伸性能的影响，并分析了材料在拉伸过程中微观组织、马氏体转变量和温度的变化。试验结果表明，当拉伸速率为0.005s-1时，材料表面温度升高最明显。速率小于0.005s-1时，随着速率的减小，马氏体转变量明显增多，大于0.005s-1时，马氏体转变量少但变化不大。相应地，随着拉伸速率的提高，材料的屈服强度略有提高，抗拉强度和延伸率明显降低。
　　使用扫描电子显微镜（SEM）观察了拉断试样的断口形貌，拉伸速率为0.0005s-1时，试样的断裂形式为韧窝断裂，0.005s-1和0.05s-1时，试样既有韧窝断裂也有解理断裂，而0.1s-1时，主要为解理断裂。所以，拉伸速率为0.0005s-1时，材料塑性最好，0.005s-1和0.05s-1时次之，而0.1s-1时最差。
　　为准确描述拉伸速率对SUS304不锈钢应力应变曲线的影响，采用修正的Johnson-Cook模型和Swift模型拟合了拉伸真应力应变曲线，两模型拟合效果均较好。基于超塑性理论，本文还提出了一个新的本构模型，该模型考虑了应变速率的影响，拟合效果好。
　　基于LS-Dyna和Dynaform有限元分析软件，选择Johnson-Cook和Swift材料模型模拟了SUS304成形十字件过程，并实际成形十字件，从厚度变化、主应变和载荷-行程曲线方面对比分析了模拟和实验结果。结果表明：两种本构模型的模拟结果均能较好的反映十字件底部、凸模圆角和壁部的厚度变化情况，Johnson-Cook模型预测凸模圆角减薄和凸缘增厚情况更准确。两种本构模型也能较好的反映十字件底部和凸模圆角处的主应变变化情况。载荷-行程曲线方面，Swift模型预测更准确。
　　研究了十字件不同部位的马氏体转变量和变形模式的关系。十字件凸缘和凹模圆角处变形最剧烈，马氏体转变量最多，然后是十字件壁部，凸模圆角处次之，底部几乎不变形，马氏体转变量也最少。对应的应力状态和马氏体转变量的关系为：两压一拉时马氏体转变最多，单向拉伸和平面应变次之，双拉最少。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 亚稳态奥氏体不锈钢相变诱发塑性原理

1.3 亚稳态奥氏体不锈钢中马氏体相变热力学

1.4 TRIP钢的研究现状

1.5 课题的来源

1.6 本文研究内容及创新点

第二章 不同本构模型及屈服准则在不锈钢模拟分析中的应用

2.1 材料常用流动应力模型

2.2 不锈钢流动应力模型分析

2.3 屈服模型适用性分析

2.4 硬化法则的介绍

2.5 本章小结

第三章 SUS304亚稳态奥氏体不锈钢率相关模型建立与实验方案

3.1 不同拉伸速率下的单拉实验

3.2 马氏体转变量实验

3.3 拉伸试样微观组织观察

3.4 拉伸时温度测量

3.5 拉伸试样断口分析

3.6 SUS304不锈钢单向拉伸曲线拟合

3.7 基于超塑性的模型拟合单向拉伸曲线

3.8 本章小结

第四章 十字件拉深成形数值模拟

4.1 有限元模型

4.2 基于LS-Dyna的模拟参数设置

4.3 Johnson-Cook和Swift模型的模拟结果分析

4.4 本章小结

第五章 十字件拉深成形实验

5.1 实验目的

5.2 实验设备及模具

5.3 实验数据分析

5.4 马氏体转变量对比

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文