热冲压成形过程细观损伤演化机理研究

热冲压成形过程细观损伤演化机理研究

刘雪蕾 1 周财丽 2 杨大伟 3 王继君 4

北方华安工业集团有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161046

摘要：由于汽车车身结构多为薄壁构件，加上零件刚度的限制，除通过集成设计使部件零件化外，仅通过零件的结构优化难以取得明显的轻量化效果，而采用高强重比的轻质材料则展示了轻量化的良好发展前景。铝合金具有密度小、比强度高、抗冲击性能好和耐蚀性高等优点，且有合适的性价比，因此，铝合金已成为车身轻量化的重要材料，并且铝合金还能回收再利用，降低了成本。

关键词：热冲压成形过程；细观损伤演化机理；

高强度钢板热冲压成形过程板料温度变化显著，高温工况使得板料在热冲压成形过程中的损伤演化变得更为复杂，而准确预测损伤演化模式和机理，将能够有效指导成形工艺的优化，节约工艺的试错成本，提高生产效率。因此，有必要对金属板材在高温变形条件下的损伤行为进行细致研究以实现更加精准的高强度钢板热冲压成形仿真预测。

一、热冲压成形技术

在常温下，高强度钢的变形能力很差。一方面，高强度钢在室温下的塑性变形范围很窄，冲压成形的时候需要很大的冲压力，而且冲压过程中容易导致零件开裂。另一方面，零件在冲压成形后，回弹增加，这样就导致零件的尺寸精度和形状精度大幅度降低。因此，高强度钢很难通过传统的冷冲压工艺来制造加工出车身上复杂的零部件。热冲压技术作为一种新兴的冲压技术，能够很好的解决高强度钢在冷冲压过程中遇到的各种问题。热冲压成形工艺一般通过加热炉将板料加热到某个适当温度（再结晶温度以上），让板料完全转化成奥氏体后再进行冲压，在冲压成形结束后还需要对板料保压一段时间，目的是为了使零件的尺寸趋于稳定。在板料冲压成形和保压的同时，还会通过随模冷却的方式对板料进行淬火处理，这样可以在冲压成形结束后，使板料在室温下具有均匀的马氏体组织，从而保证了加工出来零件的强度。随着轻量化研究的发展，热冲压成形技术越来越受到各大汽车公司和研究者的重视。在不同的工艺条件（温度、保温时间、冷却水流速）下对硼钢板进行了热冲压温度试验,并测量了冲压件的力学性能，拍摄了金相，确定了得到最高力学性能的零件时各个参数的最佳范围。

2. 热冲压成形过程细观损伤演化机理

1. 细观损伤模型的研究。经过较大的塑性变形后，金属材料一般发生的是韧性断裂。金属材料在断裂前，由于受到载荷或者其他因素的影响，内部会产生一些微小的孔洞和裂纹等微缺陷，这些微缺陷就称为损伤。随着载荷或者其他因素的增加，损伤会不断长大聚集，最终材料就会发生失效断裂。损伤力学是固体力学的一个分支，分为：宏观损伤力学、细观损伤力学、微观损伤力学。宏观损伤力学主要是研究损伤对材料宏观结构的影响；细观损伤力学主要是通过体积单元和平均化的方法，研究材料变形过程中的微孔洞和微裂纹；微观损伤力学主要是通过统计力学，研究材料的为空穴、位错等。高强度铝合金内部的孔洞现象十分明显，特别是发生高温形变时表现得更为突出。损伤力学作为一种研究材料韧性断裂的方法，可以很好的把材料内部的孔洞现象与宏观裂纹联系起来。

2.细观损伤力学。在实际生活中使用的金属材料大多是多相材料，里面都含有少量的第二相粒子，同时，在金属冶炼的过程中，也会掺杂一些其它的夹杂物。通过材料的微观机制可知，第二相粒子与夹杂物受到应力和塑性应变应变的影响，其自身发生分裂或者与相连的界面脱离产生孔洞形核，然后这些空洞随着塑性变形的加剧不断长大，当这些空洞长大到一定程度时，相邻孔洞之间会发生塑性失稳，然后这些孔洞聚集在一起，形成微小的裂纹，最终导致材料的韧性断裂。对于细观孔洞模型的力学分析最早开始于他就无限大基体中含有的圆柱和椭圆形孔洞在轴向拉应力和远场拉应力的作用下，求出了孔洞演化的解析解的基础上将孔洞简化为球形，研究了孔洞的长大问题，研究发现当三轴应力增大时，体积膨胀率和外加应变率的比值迅速增大。用有限大的基体代替了无限大的基体，构建了更接近实际情况的理论模型，首次将孔洞体积分数引入到塑性屈服准则中，建立了孔洞演化与塑性势之间的内部关系，并应用该理论将损伤演化和本构方程相结合起来描述了塑性材料的损伤变形行为。这种模型更接近实际情况。他具体的研究了四种孔洞模型：有限球形基体中包含有圆柱形孔洞、有限圆柱形基体中包含有球形孔洞，以及上述两种模型中某一部分是刚性固定的模型。假设这些基体都是均匀分布的，其内的孔洞也是均匀分布的，通过研究材料的塑性流动，他得出了含孔洞材料的屈服函数模型。

3. 热力拉伸试验过程。实验时，根据试件尺寸。先利用线切割加工足够的试件。由于高强度铝合金在工艺，故在试件拉伸前，还需进行热处理。先将SX-12-10箱式电阻炉加热到475℃，待温度恒定后保温5分钟，再将试件放进去，通过数据采集系统监测试件的温度，当试件温度达到475℃且恒定后，让试件恒温30分钟，再将试件取出，用水淬的方式让试件温度迅速降到室温。对试件进行初步热处理后还需要在试件表面制造散斑场才能进行热力拉伸试验，先在试件表面喷涂上白色高温漆作为底色，然后在白色高温漆上喷涂黑色高温漆作为散斑。散斑制造完成后，先调试好拉伸机与DIC图像采集系统，然后将试件夹持在拉伸机上，为防止试件热胀冷缩造成试件弯曲，需给试件设置预紧力，大小为100N。试件装夹完毕后，通过管式加热炉对试件进行加热，加热到目标温度后恒温保温5分钟，然后对试件进行拉伸，拉伸速度为300mm/min，同时DIC图像采集系统完成图像采集。最后通过后续数据处理得到材料的真应力—应变曲线。发现温度对高强度铝合金的成形性能的成形性能有着显著的影响，随着温度的升高，高强度铝合金的成形性能先降低，后提高，在100℃时成形最差，强度最高，400℃时材料的成形性能最好，此时的强度也最低。

4.损伤参数识别。细观损伤理论认为，材料的韧性断裂过程就是材料中的夹杂物以及第二相粒子造成的孔洞形核、长大、聚集的过程。因此可以通过拍摄高强度高强度铝合金拉伸过程中不同阶段的金相确定其孔洞体积分数。在高强度高强度铝合金的拉伸过程中，通过SEM扫描电镜拍摄到了常温时材料的初始孔洞、达到最大载荷时的临界孔洞，以及材料发生韧性断裂时断裂处的断裂孔，由材料中夹杂物以及二相粒子导致的孔洞，当载荷增加时，会不断的形核，长大，当孔洞长大到一定的尺寸时，相邻的孔洞就会开始不断聚合，此时，在宏观表现为缩颈，随着材料内部孔洞的不断聚合，在材料内部会形成细小的裂纹，材料的强度会不断下降，直至断裂。随着温度的变化，高强度铝合金内部的孔洞发生明显的变化高强度铝合金拉断时断口的微观形貌。当温度增加时，材料中的孔洞变的越来越大，裂纹也越来越明显，且有着随着温度升高而增加的趋势，这说明温度对材料的损伤有着明显的影响。当临界孔洞体积分数变大时，真应力—真应变曲线的最高点基本没有变化，断裂点会向右下方移东，这是因为临界孔洞体积分数主要控制曲线的第四阶段，这个时候材料的内部已经出现了微小的裂纹，强度已经大幅度降低。断裂点会向右下方移动，但是移动的幅度很小，断裂孔洞体积分数对于曲线的整体趋势影响不大。

基于模型并确定了高强度钢在温度下的损伤特征参数，损伤变量即孔洞体积分数具有与变形历史相关的特点。作为一个结合了新材料与新工艺的研究方向，板料温热成形技术具有十分重大的研究价值与意义，但由于个人能力、试验条件以及研究时间有限，本文的研究依旧存在一些不足之处，在理论方面只是将模型引入到了高强度铝合金的研究中，没进一步研究温度对损伤参数的影响。

参考文献：

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