【摘要】：隨著汽車工業(yè)迅猛發(fā)展,車身輕量化已經(jīng)成為車身制造中越來越重要的一個課題。先進高強鋼(AHSS)一般是指通過嚴格的制備工藝達到所期望的化學(xué)成分和復(fù)相組織的高強度、高塑性鋼材�，F(xiàn)已成為車身輕量化的關(guān)鍵材料,在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。第一代AHSS(如馬氏體鋼、雙相鋼)和第二代AHSS(如孿晶誘導(dǎo)塑性鋼)難以達到高強塑積和低制備成本之間的協(xié)調(diào),因此業(yè)界迫切期望開發(fā)第三代先進高強鋼。經(jīng)過“淬火-碳配分”工藝獲得的QP鋼,制備成本較低,馬氏體-鐵素體復(fù)相基體和適量殘余奧氏體帶來的相變強化保證了材料的高強度、高塑性,使之成為了第三代先進高強鋼的典型代表。QP鋼塑性變形過程中會發(fā)生殘余奧氏體向馬氏體的逐漸轉(zhuǎn)變,從而獲得良好的強度和塑性。而車身零件成形過程中往往具有非線性加載與包辛格效應(yīng)、應(yīng)變率和塑性溫升效應(yīng)等變形特點,使得其成形過程中的相變行為異常復(fù)雜,對材料成形性能評價與成形質(zhì)量控制帶來嚴峻的挑戰(zhàn):一方面,如何準確描述復(fù)雜變形條件下材料的相變特性,實現(xiàn)材料成形性能的精確評價。另一方面,與無相變先進高強鋼不同,如何引入材料的相變特性準確預(yù)測非線性循環(huán)加載路徑下的回彈。本文以QP鋼為研究對象,圍繞應(yīng)變誘發(fā)相變、相變相關(guān)力學(xué)行為和相變相關(guān)回彈特性三個問題,按照宏微觀耦合的邏輯開展分析和研究。首先,考慮成形過程的溫度-應(yīng)變率耦合特性和復(fù)雜非線性應(yīng)變路徑特性,建立適用于成形過程的溫度、應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的相變動力學(xué)模型,揭示QP鋼復(fù)雜應(yīng)變誘發(fā)相變行為的物理機理。隨后,建立考慮相變強化的應(yīng)力應(yīng)變模型,揭示微觀組織演化與宏觀流動應(yīng)力的關(guān)系;最后,利用相變理論、有限元和實驗相結(jié)合的方法,探究QP鋼區(qū)別于一般先進高強鋼的回彈特性,提出適用于QP鋼的回彈預(yù)測新方法。本文的主要研究內(nèi)容可以分為以下四個部分:(1)QP鋼應(yīng)變誘發(fā)相變行為的實驗研究及機理分析搭建應(yīng)變誘發(fā)相變測試實驗平臺,實現(xiàn)三方面功能:一是應(yīng)變率相關(guān)相變行為測試,結(jié)合萬能試驗機和霍普金斯擊拉伸系統(tǒng)完成;二是環(huán)境溫度及塑性溫升對相變影響測試,結(jié)合萬能試驗機、環(huán)境箱和紅外熱成像儀完成;三是復(fù)雜應(yīng)變路徑(包括不同變形模式、多段線性組合路徑、循環(huán)加載路徑)相變測試,結(jié)合金屬板料復(fù)雜及循環(huán)加載測試系統(tǒng)和“數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)”完成。通過實驗發(fā)現(xiàn)兩個現(xiàn)象:一是應(yīng)變率對相變的非線性影響現(xiàn)象,通過建立塑性溫升熱力學(xué)模型,揭示塑性溫升飽和效應(yīng)是其主要原因;二是非線性應(yīng)變路徑下,相變速率隨應(yīng)變路徑的變化而迅速變化,然而循環(huán)剪切過程其相變速率卻保持恒定。(2)考慮溫度、應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)相變動力學(xué)模型建立以應(yīng)變誘發(fā)相變的經(jīng)典Sherif模型為起始點。基于塑性溫升熱力學(xué)模型,考慮應(yīng)變率對相變的促進、抑制兩種作用及其各自主導(dǎo)區(qū)間,建立溫度和應(yīng)變率耦合的模型描述應(yīng)變率對相變的非線性影響�？紤]成形過程的復(fù)雜非線性應(yīng)變路徑特性,將應(yīng)力三軸度和羅德角參數(shù)引入相變模型,建立包含溫度、應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)的相變模型。新模型在多段線性組合路徑、循環(huán)加載路徑下的相變預(yù)測精度得到了實驗驗證,揭示應(yīng)變路徑影響相變行為的實質(zhì)是變形過程實時變化的應(yīng)力三軸度和羅德角參數(shù),也為循環(huán)剪切過程相變速率保持恒定的特殊現(xiàn)象提供了解釋。新相變動力學(xué)模型對U型拉彎件和球頭脹形零件相變行為的準確預(yù)測驗證了模型的精度及適用性,為進一步揭示QP鋼宏微觀的聯(lián)系及相變相關(guān)回彈特性提供了理論基礎(chǔ)。(3)考慮相變的宏微觀耦合的應(yīng)力應(yīng)變模型建立實驗獲得了QP鋼在不同變形模式、不同溫度和不同應(yīng)變率水平下的應(yīng)力應(yīng)變行為,發(fā)現(xiàn)兩個特殊現(xiàn)象:一是流動應(yīng)力強烈依賴于應(yīng)力狀態(tài),相同的等效應(yīng)變下,單向拉伸流動應(yīng)力最高,隨后是單向壓縮和純剪切變形模式。二是流動應(yīng)力對溫度、應(yīng)變率的敏感性相比無相變高強鋼更高,且溫度敏感性隨應(yīng)變率升高而升高。隨后,考慮相變強化、應(yīng)變率強化、塑性溫升軟化和環(huán)境溫度四個因素,建立宏微觀耦合的應(yīng)力應(yīng)變模型。新模型能準確描述QP鋼特殊的應(yīng)力應(yīng)變行為,揭示了其微觀組織演化與宏觀力學(xué)行為的緊密聯(lián)系。將新模型應(yīng)用于預(yù)測快速球頭脹形案例載荷-位移實驗曲線,新模型對QP鋼大應(yīng)變范圍溫度、應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)耦合工況下的應(yīng)力應(yīng)變預(yù)測精度得到了驗證。(4)QP鋼回彈特性及典型案例分析建立高強鋼薄板循環(huán)加載力學(xué)行為測試及材料模型參數(shù)識別方法,分析了現(xiàn)有參數(shù)識別方法及回彈預(yù)測方法對QP鋼U型件回彈預(yù)測的局限性。結(jié)合相變和相變相關(guān)流動應(yīng)力理論、有限元回彈預(yù)測結(jié)果和實驗驗證,揭示了存在局限性的原因:難以同時描述QP鋼的相變相關(guān)材料硬化特性及循環(huán)加載過程包辛格效應(yīng)。為克服現(xiàn)有方法的缺點,建立了混合型材料模型識別方法,更加準確識別QP鋼包辛格效應(yīng)和大應(yīng)變階段相變相關(guān)硬化特性。U型件和車身側(cè)圍上邊梁兩個案例的回彈準確預(yù)測驗證了新方法的預(yù)測精度。綜上所述,本文針對QP鋼材料應(yīng)變誘發(fā)相變行為及力學(xué)行為進行了實驗和理論建模研究,建立了適用于相變型先進高強鋼組織演化預(yù)測,流動力應(yīng)變行為描述和回彈預(yù)測的方法。實驗數(shù)據(jù)涵蓋了冷軋QP980,QP1180和DP980先進高強鋼,對于相變型先進高強鋼零件設(shè)計、加工工藝制定及回彈預(yù)測控制具有重要的工程應(yīng)用價值,為其第三代先進高強鋼的應(yīng)用和推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U465.11
【圖文】：

第一章 緒論究背景、意義及來源研究背景入 21 世紀以來，汽車的車身輕量化就成為汽車工業(yè)發(fā)展的方向。AHSS）成為了車身輕量化的關(guān)鍵材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車身制造到 2020 年，先進高強鋼的用量將在 2009 年的基礎(chǔ)上增加 2 倍[3]，如先進高強鋼（AHSS）一般是指通過嚴格的制備工藝達到所要的化組織的高強度、高塑性鋼材。高強鋼的發(fā)展如圖 1-2 所示，第一代如馬氏體鋼、雙相鋼）成本低廉但強度和塑性難以協(xié)調(diào)；第二代先孿晶誘導(dǎo)塑性鋼）因應(yīng)變誘導(dǎo)機械孿晶行為保證了優(yōu)異的機械性能量合金元素導(dǎo)致制備成本偏高。因此業(yè)界迫切期望開發(fā)高強塑積且三代先進高強鋼。

圖 1-2 先進高強鋼的分類Figure 1-2 Classification of the AHSS圖 1-3 制備富碳殘余奧氏體鋼的 QP 工藝原理示意圖[4]Figure 1-3 Schematic Quenching and Partitioning (QP) process[4]塑性變形過程中會發(fā)生殘余奧氏體向馬氏體的逐漸轉(zhuǎn)變，從而塑性。而車身零件成形過程中往往具有非線性加載與包辛格效

圖 1-3 制備富碳殘余奧氏體鋼的 QP 工藝原理示意圖[4]Figure 1-3 Schematic Quenching and Partitioning (QP) process[4]性變形過程中會發(fā)生殘余奧氏體向馬氏體的逐漸轉(zhuǎn)變，從塑性。而車身零件成形過程中往往具有非線性加載與包辛格溫升效應(yīng)等變形特點，使得其成形過程中的相變行為異常復(fù)評價與成形質(zhì)量控制帶來嚴峻的挑戰(zhàn)：一方面，如何準確描料的相變特性，實現(xiàn)材料成形性能的精確評價。另一方面，不同，如何引入材料的相變特性準確預(yù)測非線性循環(huán)加載路目的與意義異的強度和塑性配合使得它成為替代傳統(tǒng)先進高強鋼的理變的材料力學(xué)行為非常復(fù)雜，其回彈預(yù)測也一直是困擾學(xué)。上問題，本文將通過宏微觀結(jié)合的方法，建立模型準確描述

【參考文獻】

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本文編號：2769919