先進高強度鋼板衝壓成形邊緣破裂機理和預測模型研究

《先進高強度鋼板衝壓成形邊緣破裂機理和預測模型研究》是依託上海交通大學，由陳劼實擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：先進高強度鋼板衝壓成形邊緣破裂機理和預測模型研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳劼實
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

邊緣破裂是金屬板料衝壓成形中一類常見的破裂現象。破裂邊緣應力狀態與單拉應力狀態相似，但其極限應變並不與單拉應變極值相符。成形極限圖對於大多數成形工藝都是適用的，但並不足以預測潛在的邊緣破裂。對於第一代先進高強鋼，已有的研究成果從工藝參數和微觀結構方面實驗觀察了對擴孔率的影響，但並未明確其機理，也並未建立相關聯的預測準則；對於第三代先進高強鋼邊緣斷裂問題的研究尚未開展。本課題從微觀結構參數入手，研究先進高強鋼邊緣斷裂的誘發機理，分析材料性能參數、微觀結構參數、斷面質量、工藝參數、幾何特徵參數以及載入路徑對邊緣破裂的影響，觀察溫度、導熱性、應變速率、預變形對受剪下變形影響區域材料微觀結構的影響，提煉對邊緣拉伸變形性能具有決定性影響因素的參數,基於連續介質力學建立先進高強鋼邊緣破裂的預測判據並與CAE軟體相結合形成成形極限補充判據。研究成果將有助於闡明邊緣破裂的產生機理，提高其數值模擬預測精度。

結題摘要

本項目針對邊緣破裂問題開展了一系列的實驗和理論研究，通過進行單向拉伸、沖孔、擴孔和脹形實驗，對各工藝下破裂試樣的斷口形貌進行觀察，分析了先進高強鋼成形過程中破裂的類型及特徵，定性及定量比較了不同材料在相同工藝條件下、同種材料在不同工藝條件下的斷口形貌差異，以期進一步了解破裂的機理與規律；通過進行預變形、擴孔和高溫單拉實驗，探究預變形、曲率半徑和沖裁熱效應對高強鋼邊緣拉伸性能的影響；針對先進高強鋼的邊緣破裂提出了新的預測模型，可以改善傳統理想模型無法準確預測邊緣破裂的問題。主要研究成果如下： （1）單向拉伸試驗中DP590、DP780、DP980的斷裂模式為韌窩型韌性斷裂，MS1180和MS1300的斷裂模式為介於韌窩斷裂和解理斷裂之間的準解理型斷裂。沖孔實驗中DP鋼隨著強度級別的升高，斷裂帶越來越光滑；對於MS1180和MS1300，斷裂帶由非常細小的拉裂韌窩組成，MS1180平均韌窩直徑大約1.6μm，MS1300平均韌窩直徑大約1.2μm。擴孔實驗中五種高強鋼破裂模式均為韌窩型韌性斷裂，隨著鋼板強度級別的升高，平均韌窩直徑減小，韌窩密度先增大後減小。在脹形實驗中，DP780和DP980的斷裂模式均為韌窩型韌性斷裂。 （2）預變形導致的加工硬化會明顯影響板料邊緣的拉伸性能，且預變形量越大邊緣拉伸性能越差。3%-9%的預變形量使DP780擴孔率下降約6%-12%； 0°方向3%-9%的預變形量使DP980擴孔率下降約5%-11%；90°方向預拉伸對DP980擴孔率的影響較小，擴孔率下降了約3%。 （3）對同種材料，邊緣的曲率半徑越小，拉伸性能越差。DP780孔徑為15mm的擴孔率比孔徑為9mm的擴孔率高5.09%；DP980孔徑為15mm的擴孔率比孔徑為9mm的擴孔率高6.26%。此外，DP980邊緣成形性能對曲率變化的敏感程度要大於DP780。 （4）沖裁變形區的溫度變化對薄板沖裁斷面質量影響較小。 （5）基於M-K模型和Hill頸縮理論建立了新的有限元模型，適用於考慮沖裁損傷的邊緣成形極限預測。通過沖孔和擴孔實驗驗證了新模型在預測邊緣成形性能方面的優越性。 （6）引入法向應力，與M-K理論相結合，獲得了能考慮法向應力影響的成形極限模型，法向應力提高應力和應變空間內描述的材料的成形極限，雙線性應變路徑下法向應力的作用階段對材料的成形極限有顯著的影響。