【摘 要】
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先进高强钢(Advanced High Strength Steel/AHSS)是为适应车身减重发展趋势而开发的一新型钢种,近年来已成为车身轻量化的主要材料。但相比于普通钢板,其室温成形性能却明显下降。准静态-动态复合加工方法,将动态电液成形与准静态冲压成形结合,为AHSS板材的室温塑性成形提供了一个新方法。由于该工艺尚处于实验探索阶段,其变形机理及应用基础问题还未被展开研究。本文采用理论分析、工
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(编号:51675128);
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先进高强钢(Advanced High Strength Steel/AHSS)是为适应车身减重发展趋势而开发的一新型钢种,近年来已成为车身轻量化的主要材料。但相比于普通钢板,其室温成形性能却明显下降。准静态-动态复合加工方法,将动态电液成形与准静态冲压成形结合,为AHSS板材的室温塑性成形提供了一个新方法。由于该工艺尚处于实验探索阶段,其变形机理及应用基础问题还未被展开研究。本文采用理论分析、工艺实验、数值模拟和微观组织分析相结合的方式对DP600双相钢板材准静态-动态复合成形的变形行为及增塑机制进行了系统的研究。采用模型解析的方式探索了金属丝电爆炸相变过程中电流、电压、沉积能量、沉积能量线密度的波形,为工艺试验预置金属丝的选取提供理论依据。按照水下冲击波的传播机理建立了金属丝电爆炸冲击波的运动模型,得到了电液成形液室中归一化的波阵面位置、速度、压力等冲击波传播特性。建立了动态电液成形极限试验方案并绘制FLD评估DP600双相钢板材的动态成形性能。结果显示,单向拉伸、平面应变以及双向等拉应变路径条件下DP600板材的极限主应变分别为45.0%、25.6%和48.7%。相对于准静态FLC,三种典型应变路径条件下的极限主应变分别提高了36%、70%和17.5%。进行了典型应变路径条件下的准静态-动态复合成形极限试验的研究。结果显示,不同预变形水平状态下,单向拉伸、平面应变以及双向等拉应变路径条件下的终极极限主应变分别处于40-47%、28-31%和43-57%范围。相对于准静态FLC,三种典型应变路径条件下的极限主应变分别提高了36%、90%和26%。高准静态预变形水平可强化动态电液成形过程的增塑效应。基于ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件再现了板坯的动态变形行为,并量化了电液成形过程中惯性效应的增塑机理及所占比重。结果表明,板坯的最大胀形速度高达350 m/s,最大等效塑性应变速率高达1740/s,是典型的高速率成形过程。惯性效应产生的附加拉应力抑制了集中变形区沿伸长方向的速度增量,从而达到均化、协调变形的效果,对塑性变形的贡献比重高达87.4%。通过对准静态预变形微元体动态再变形行为的分析以及运动模型的建立,揭示了准静态-动态复合成形的宏观增塑机制。复合成形过程中准静态预变形工步引起的动态材料本构行为的改变(额外应力增量Λσ)促使惯性效应在塑性失稳开始后对预变形微元体的进一步动态变形起到更积极的均化以及协调控制作用,这是导致复合成形过程中DP600板材成形性能略优于单纯动态电液成形过程中成形性能的主要宏观因素。通过对微观组织结构的观察与分析,揭示了准静态-动态复合成形的微观增塑机制。第二工步电液成形过程中,铁素体中的位错密度显著增加,抵消了由准静态预变形引起的位错易塞积和分布不均匀的现象;高应变率诱导马氏体产生的[0 1-1]MT形变孪晶增加了铁素体相和马氏体相的塑性相容性,调节了两相的应变梯度、降低了脱粘和孔洞形核的风险。建立了90°单角弯曲件准静态刚模成形-动态电液成形复合工艺实验方案,实现了R10 mm、R8 mm、R5 mm、R3 mm、R0 mm不同终成形圆角半径弯曲件的精确成形。利用数值模拟揭示了复合成形消减回弹的作用机理:在特殊的载荷形式、液体介质水的保压特性以及惯性效应的共同作用下,弯曲试件变形区板厚断面内的切向应力分布呈波动转变状态,从而消减了回弹、改善了成形精度;并量化了复合成形过程中由于模具的冲击效应导致的材料的动态流动行为、应力应变演变规律等情况。
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