QP钢应变诱发相变动力学模型及回弹特性研究

发布时间：2020-07-25 14:00

【摘要】：随着汽车工业迅猛发展,车身轻量化已经成为车身制造中越来越重要的一个课题。先进高强钢(AHSS)一般是指通过严格的制备工艺达到所期望的化学成分和复相组织的高强度、高塑性钢材。现已成为车身轻量化的关键材料,在汽车工业中得到了广泛的应用。第一代AHSS(如马氏体钢、双相钢)和第二代AHSS(如孪晶诱导塑性钢)难以达到高强塑积和低制备成本之间的协调,因此业界迫切期望开发第三代先进高强钢。经过“淬火-碳配分”工艺获得的QP钢,制备成本较低,马氏体-铁素体复相基体和适量残余奥氏体带来的相变强化保证了材料的高强度、高塑性,使之成为了第三代先进高强钢的典型代表。QP钢塑性变形过程中会发生残余奥氏体向马氏体的逐渐转变,从而获得良好的强度和塑性。而车身零件成形过程中往往具有非线性加载与包辛格效应、应变率和塑性温升效应等变形特点,使得其成形过程中的相变行为异常复杂,对材料成形性能评价与成形质量控制带来严峻的挑战:一方面,如何准确描述复杂变形条件下材料的相变特性,实现材料成形性能的精确评价。另一方面,与无相变先进高强钢不同,如何引入材料的相变特性准确预测非线性循环加载路径下的回弹。本文以QP钢为研究对象,围绕应变诱发相变、相变相关力学行为和相变相关回弹特性三个问题,按照宏微观耦合的逻辑开展分析和研究。首先,考虑成形过程的温度-应变率耦合特性和复杂非线性应变路径特性,建立适用于成形过程的温度、应变率和应力状态相关的相变动力学模型,揭示QP钢复杂应变诱发相变行为的物理机理。随后,建立考虑相变强化的应力应变模型,揭示微观组织演化与宏观流动应力的关系;最后,利用相变理论、有限元和实验相结合的方法,探究QP钢区别于一般先进高强钢的回弹特性,提出适用于QP钢的回弹预测新方法。本文的主要研究内容可以分为以下四个部分:(1)QP钢应变诱发相变行为的实验研究及机理分析搭建应变诱发相变测试实验平台,实现三方面功能:一是应变率相关相变行为测试,结合万能试验机和霍普金斯击拉伸系统完成;二是环境温度及塑性温升对相变影响测试,结合万能试验机、环境箱和红外热成像仪完成;三是复杂应变路径(包括不同变形模式、多段线性组合路径、循环加载路径)相变测试,结合金属板料复杂及循环加载测试系统和“数字图像相关技术”完成。通过实验发现两个现象:一是应变率对相变的非线性影响现象,通过建立塑性温升热力学模型,揭示塑性温升饱和效应是其主要原因;二是非线性应变路径下,相变速率随应变路径的变化而迅速变化,然而循环剪切过程其相变速率却保持恒定。(2)考虑温度、应变率和应力状态相变动力学模型建立以应变诱发相变的经典Sherif模型为起始点。基于塑性温升热力学模型,考虑应变率对相变的促进、抑制两种作用及其各自主导区间,建立温度和应变率耦合的模型描述应变率对相变的非线性影响。考虑成形过程的复杂非线性应变路径特性,将应力三轴度和罗德角参数引入相变模型,建立包含温度、应变率和应力状态的相变模型。新模型在多段线性组合路径、循环加载路径下的相变预测精度得到了实验验证,揭示应变路径影响相变行为的实质是变形过程实时变化的应力三轴度和罗德角参数,也为循环剪切过程相变速率保持恒定的特殊现象提供了解释。新相变动力学模型对U型拉弯件和球头胀形零件相变行为的准确预测验证了模型的精度及适用性,为进一步揭示QP钢宏微观的联系及相变相关回弹特性提供了理论基础。(3)考虑相变的宏微观耦合的应力应变模型建立实验获得了QP钢在不同变形模式、不同温度和不同应变率水平下的应力应变行为,发现两个特殊现象:一是流动应力强烈依赖于应力状态,相同的等效应变下,单向拉伸流动应力最高,随后是单向压缩和纯剪切变形模式。二是流动应力对温度、应变率的敏感性相比无相变高强钢更高,且温度敏感性随应变率升高而升高。随后,考虑相变强化、应变率强化、塑性温升软化和环境温度四个因素,建立宏微观耦合的应力应变模型。新模型能准确描述QP钢特殊的应力应变行为,揭示了其微观组织演化与宏观力学行为的紧密联系。将新模型应用于预测快速球头胀形案例载荷-位移实验曲线,新模型对QP钢大应变范围温度、应变率和应力状态耦合工况下的应力应变预测精度得到了验证。(4)QP钢回弹特性及典型案例分析建立高强钢薄板循环加载力学行为测试及材料模型参数识别方法,分析了现有参数识别方法及回弹预测方法对QP钢U型件回弹预测的局限性。结合相变和相变相关流动应力理论、有限元回弹预测结果和实验验证,揭示了存在局限性的原因:难以同时描述QP钢的相变相关材料硬化特性及循环加载过程包辛格效应。为克服现有方法的缺点,建立了混合型材料模型识别方法,更加准确识别QP钢包辛格效应和大应变阶段相变相关硬化特性。U型件和车身侧围上边梁两个案例的回弹准确预测验证了新方法的预测精度。综上所述,本文针对QP钢材料应变诱发相变行为及力学行为进行了实验和理论建模研究,建立了适用于相变型先进高强钢组织演化预测,流动力应变行为描述和回弹预测的方法。实验数据涵盖了冷轧QP980,QP1180和DP980先进高强钢,对于相变型先进高强钢零件设计、加工工艺制定及回弹预测控制具有重要的工程应用价值,为其第三代先进高强钢的应用和推广奠定了技术基础。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U465.11
【图文】：

高强钢,双相钢,用量,汽车

第一章绪论究背景、意义及来源研究背景入 21 世纪以来，汽车的车身轻量化就成为汽车工业发展的方向。AHSS）成为了车身轻量化的关键材料，已经广泛应用于车身制造到 2020 年，先进高强钢的用量将在 2009 年的基础上增加 2 倍[3]，如先进高强钢（AHSS）一般是指通过严格的制备工艺达到所要的化组织的高强度、高塑性钢材。高强钢的发展如图 1-2 所示，第一代如马氏体钢、双相钢）成本低廉但强度和塑性难以协调；第二代先孪晶诱导塑性钢）因应变诱导机械孪晶行为保证了优异的机械性能量合金元素导致制备成本偏高。因此业界迫切期望开发高强塑积且三代先进高强钢。

示意图,高强钢,残余奥氏体,车身零件

图 1-2 先进高强钢的分类Figure 1-2 Classification of the AHSS图 1-3 制备富碳残余奥氏体钢的 QP 工艺原理示意图[4]Figure 1-3 Schematic Quenching and Partitioning (QP) process[4]塑性变形过程中会发生残余奥氏体向马氏体的逐渐转变，从而塑性。而车身零件成形过程中往往具有非线性加载与包辛格效

示意图,富碳,工艺原理,残余奥氏体

图 1-3 制备富碳残余奥氏体钢的 QP 工艺原理示意图[4]Figure 1-3 Schematic Quenching and Partitioning (QP) process[4]性变形过程中会发生残余奥氏体向马氏体的逐渐转变，从塑性。而车身零件成形过程中往往具有非线性加载与包辛格温升效应等变形特点，使得其成形过程中的相变行为异常复评价与成形质量控制带来严峻的挑战：一方面，如何准确描料的相变特性，实现材料成形性能的精确评价。另一方面，不同，如何引入材料的相变特性准确预测非线性循环加载路目的与意义异的强度和塑性配合使得它成为替代传统先进高强钢的理变的材料力学行为非常复杂，其回弹预测也一直是困扰学。上问题，本文将通过宏微观结合的方法，建立模型准确描述

【参考文献】