高強(qiáng)鋼-鋁合金材料的流動(dòng)應(yīng)力模型研究及應(yīng)用

李奇涵，王寶中，高嵩，徐傳偉，馬風(fēng)雷，韓小亨，袁博

高強(qiáng)鋼-鋁合金材料的流動(dòng)應(yīng)力模型研究及應(yīng)用

李奇涵1，王寶中1，高嵩1，徐傳偉1，馬風(fēng)雷1，韓小亨1，袁博1

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

研究常溫下無(wú)鉚連接中高強(qiáng)鋼與鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及本構(gòu)模型的預(yù)測(cè)效果。通過(guò)拉伸試驗(yàn)初步研究材料性能，主要包括屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等；然后采用4種流動(dòng)應(yīng)力模型描述塑性段，即本構(gòu)模型，分別對(duì)兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行表述。隨后采用相關(guān)系數(shù)值和平均絕對(duì)相對(duì)誤差A(yù)ARE值評(píng)價(jià)4種模型預(yù)測(cè)應(yīng)力的效果。4種本構(gòu)模型均能夠較好地描述兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，高強(qiáng)鋼與鋁合金材料擬合后的值高于0.99，AARE值低于2%。通過(guò)對(duì)比分析，Voce模型表述高強(qiáng)鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的效果更好，Swift模型表述鋁合金材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的效果更好，并成功應(yīng)用于無(wú)鉚連接工藝中，且誤差均低于5%。

高強(qiáng)鋼；鋁合金；拉伸試驗(yàn)；本構(gòu)模型；無(wú)鉚連接

隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，鋼、鋁材料以良好的塑性加工性能廣泛應(yīng)用于車身設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，且鋼-鋁混合車身的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)與制造中。文中針對(duì)6061-T6鋁合金和HC340/590DP雙相高強(qiáng)鋼的無(wú)鉚連接[1—3]問(wèn)題開展研究，通過(guò)拉伸試驗(yàn)分析兩種材料的性能，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，但描述其性能不能僅限于應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了進(jìn)一步表述材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，文中建立了合理的流動(dòng)應(yīng)力模型。常見(jiàn)的模型主要包括J-C，Swift，Ludwik，Voce，Z-H等。專家學(xué)者們大多采用優(yōu)化材料參數(shù)的方法來(lái)精確描述特定材料的塑性[4—6]；修正單一的本構(gòu)方程來(lái)獲得更優(yōu)的擬合精度[7—11]，使其更加貼合試驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過(guò)多種本構(gòu)方程的比較，選擇適用范圍更廣泛的模型[12]。Li等[13—14]通過(guò)比較多級(jí)串、并聯(lián)或優(yōu)化多種參數(shù)的方式，更好地獲得了預(yù)測(cè)鋼鋁材料流動(dòng)應(yīng)力的本構(gòu)方程。

文中以6061-T6鋁合金和HC340/590DP雙相鋼為研究對(duì)象，以拉伸試驗(yàn)為基礎(chǔ)，獲取材料的基本力學(xué)性能，并采用Swift，Voce，J-C，Ludwid這4種流動(dòng)應(yīng)力模型分別表述高強(qiáng)鋼和鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并對(duì)各個(gè)模型的擬合效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。分別獲得適用于表述高強(qiáng)鋼和鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的最佳模型，兩種材料擬合后的值高于0.99，AARE值低于2%。流動(dòng)應(yīng)力模型成功應(yīng)用于無(wú)鉚連接數(shù)值模擬中，且頸厚值的預(yù)測(cè)誤差為0.6%，嵌入值的預(yù)測(cè)誤差為2.8%，數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)效果較好。

1 材料性能

1.1 基本力學(xué)性能

采用6061-T6鋁合金和HC340/590DP雙相鋼，力學(xué)性能如表1所示。兩種材料的力學(xué)性能差異較大，高強(qiáng)鋼的彈性模量約為鋁合金的3倍，屈服強(qiáng)度約為2倍，抗拉強(qiáng)度約為3倍。兩者在相同的受力條件下，鋁合金將首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，這是由于鋁合金是體心立方結(jié)構(gòu)，滑移系較多能夠通過(guò)滑移來(lái)協(xié)調(diào)變形，使其具有較好的延展性。

表1 材料的力學(xué)性能

Tab.1 Mechanical properties of materials

1.2 拉伸試驗(yàn)設(shè)備及試樣

采用單向拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的力學(xué)性能，試樣采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示，拉伸試樣的厚度為2 mm，標(biāo)距為35.73 mm。試驗(yàn)設(shè)備選用WDW-100E微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（最大拉力為100 kN，最大行程為600 mm）。應(yīng)變速率需要根據(jù)各個(gè)工藝的實(shí)際成形速率進(jìn)行選取，文中選取的應(yīng)變速率分別為0.001，0.005，0.01，0.05，0.1 s?1。其中在應(yīng)變速率為0.05 s?1時(shí)，對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

圖1 上鋁下鋼接頭的截面

2 結(jié)果與分析

根據(jù)所選的不同應(yīng)變速率，鋼、鋁試樣分別分成5組進(jìn)行拉伸，每組試驗(yàn)做3次，取平均值作為該組的實(shí)際值。鋁試樣的斷裂口為傾斜，鋼試樣的斷裂口為橫向水平，其中應(yīng)變速率為0.05 s?1時(shí)斷裂口最為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)拉伸力、位移、時(shí)間、變形量等數(shù)據(jù)，計(jì)算兩種材料在不同應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。從兩種材料在不同應(yīng)變速率下的抗拉極限變化趨勢(shì)來(lái)看，鋼、鋁的抗拉極限受到應(yīng)變速率的影響，鋁合金材料隨著應(yīng)變速率的增大，抗拉極限減??；高強(qiáng)鋼材料隨著應(yīng)變速率的增大，抗拉極限先增大后減小。

圖2 不同應(yīng)變速率下真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 流動(dòng)應(yīng)力模型分析及選取

3.1 模型的相關(guān)介紹

采用4種塑性段流動(dòng)應(yīng)力模型來(lái)表述拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，即應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，主要包括Swift模型、Voce模型、Johnson-Cook模型和Ludwik模型，其主要公式如下：

式中：為材料的流動(dòng)應(yīng)力；p為等效塑性應(yīng)變；s為屈服應(yīng)變；s為屈服應(yīng)力；，，，均為材料的硬化系數(shù)；，，，為硬化因數(shù)；和為材料常數(shù)；為選定應(yīng)變速率下的屈服應(yīng)力；0為選定的應(yīng)變速率；*為參考應(yīng)變速率，本次不涉及高溫，所以1?*不做相關(guān)介紹。

3.2 擬合方法及結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)以上4種模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行線性擬合，求得對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)，鋼、鋁材料的4種模型擬合參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 材料參數(shù)的擬合結(jié)果

Tab.2 Fitting results of material parameters

將鋼、鋁材料的等效塑性應(yīng)變分別帶入擬合完成后的4種模型中，取其中的等間距數(shù)據(jù)點(diǎn)與拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖3所示。圖3a表示高強(qiáng)鋼材料與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果，圖3b表示鋁合金材料與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。根據(jù)所獲得的試驗(yàn)應(yīng)力值和4種模型的預(yù)測(cè)應(yīng)力值，進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)，公式如下：

式中：為相關(guān)系數(shù)；表示拉伸試驗(yàn)獲得的流動(dòng)應(yīng)力的數(shù)組；表示模型預(yù)測(cè)的流動(dòng)應(yīng)力的數(shù)組；表示數(shù)組中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量；AARE表示平均絕對(duì)相對(duì)誤差。分別將兩組數(shù)據(jù)求方差和數(shù)學(xué)期望，代入式（5），可得該模型的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)表征了變量和的密切程度，和是正相關(guān)，因此值越大，模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系越密切，相關(guān)程度越好。AARE也能反映兩種變量的相關(guān)程度，與相關(guān)系數(shù)配合分析4種模型的預(yù)測(cè)效果。

高強(qiáng)鋼材料在擬合后對(duì)不同模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖4所示，4種模型的數(shù)據(jù)點(diǎn)均集中落在最佳線性擬合直線附近，且值分別為0.999 427，0.999 506，0.996 846，0.996 578。其中Swift模型和Voce模型的值較大，預(yù)測(cè)效果較好；另一方面高強(qiáng)鋼材料的數(shù)據(jù)點(diǎn)與點(diǎn)劃線都有兩個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)表示誤差為0，Swift模型和Voce模型誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，且AARE值分別為0.643%和0.451%，預(yù)測(cè)效果較好，而J-C模型和Ludwik模型存在一些誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，AARE值分別為1.376%和1.728%，預(yù)測(cè)效果相對(duì)較差。

鋁合金材料在擬合后對(duì)不同模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖5所示，4種模型的數(shù)據(jù)點(diǎn)均集中落在實(shí)線附近，值分別為0.999 324，0.995 797，0.991 518，0.991 686，且Swift模型的值較大，預(yù)測(cè)效果較好；另一方面鋁合金材料的各個(gè)模型的數(shù)據(jù)點(diǎn)與點(diǎn)劃線都有兩個(gè)交點(diǎn)，Swift模型有3個(gè)交點(diǎn)，且Swift模型誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，AARE值為0.307%，預(yù)測(cè)效果較好，而Voce模型、J-C模型和Ludwik模型存在一些誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，AARE值分別為0.847%，1.227%和1.296%，預(yù)測(cè)效果相對(duì)來(lái)說(shuō)差一些。

圖3 試驗(yàn)與材料模型的對(duì)比

圖4 高強(qiáng)鋼材料模型的預(yù)測(cè)應(yīng)力值與試驗(yàn)的相關(guān)性

圖5 鋁合金材料模型的預(yù)測(cè)應(yīng)力值與試驗(yàn)的相關(guān)性

4 流動(dòng)應(yīng)力模型在無(wú)鉚連接中的應(yīng)用

數(shù)值模型和試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D6所示，試驗(yàn)采用CEC08型落地沖壓機(jī)，被連接板料在凸凹模共同作用下發(fā)生彈塑性變形，從而形成自鎖結(jié)構(gòu)，因無(wú)鉚連接過(guò)程滿足完全軸對(duì)稱條件，為提高計(jì)算效率，采用1/2平面模型進(jìn)行建模，定義固支邊界條件，材料定義為可變形體，網(wǎng)格單元采用C3D8X，沖程為3.6 mm，壓邊力為15 kN，模具與板材間的摩擦因數(shù)為0.12，板材間的摩擦因數(shù)為0.28。將上述模型的選取結(jié)果進(jìn)行無(wú)鉚連接仿真分析，并與試驗(yàn)對(duì)比，如圖7所示，接頭成形后有兩個(gè)關(guān)鍵尺寸參數(shù)（頸厚值、嵌入值），試驗(yàn)得到的頸厚值和嵌入值分別為0.325 mm和0.249 mm，模擬結(jié)果為0.327 mm和0.242 mm。結(jié)果表明，頸厚值的預(yù)測(cè)誤差為0.6%，嵌入值的預(yù)測(cè)誤差為2.8%，數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)效果較好，誤差低于5%，因此，流動(dòng)應(yīng)力模型可以有效地應(yīng)用于無(wú)鉚塑性連接數(shù)值模擬中。

圖6 數(shù)值模型與試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)拉伸試驗(yàn)，建立了高強(qiáng)鋼與鋁合金材料的本構(gòu)模型，即Swift模型、Voce模型、J-C模型及Ludwik模型，并分別通過(guò)值和AARE值評(píng)價(jià)了4種模型對(duì)兩種材料流動(dòng)應(yīng)力的預(yù)測(cè)效果，具體結(jié)論如下。

1）通過(guò)拉伸試驗(yàn)，獲得了HC340/590DP高強(qiáng)鋼和6061-T6鋁合金的基本力學(xué)性能。

2）采用4種塑性段的本構(gòu)模型描述了兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

3）4種本構(gòu)模型均能夠較好地描述兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其中高強(qiáng)鋼與鋁合金材料擬合后的值均高于0.99，AARE值均低于2%，且Voce模型表述高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的效果更好，Swift模型表述鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的效果更好，并成功應(yīng)用于無(wú)鉚連接工藝中，且誤差低于5%。

[1] GE Y, XIA Y. Mechanical Characterization of a Steel-Aluminum Clinched Joint under Impact Loading[J]. Thin-Walled Structures, 2020, 151: 106759.

[2] HUANG Z, YANAGIMOTO J. Dissimilar Joining of Aluminum Alloy and Stainless Steel Thin Sheets by Thermally Assisted Plastic Deformation[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 225: 393—404.

[3] LEE C J, LEE J M, RYU H Y, et al. Design of Hole-Clinching Process for Joining of Dissimilar Materials-Al6061-T4 Alloy with DP780 Steel, Hot-Pressed 22MnB5 Steel, and Carbon Fiber Reinforced Plastic[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2014, 214(10): 2169—2178.

[4] CAI J, LI F G, LIU T Y, et al. Constitutive Equations for Elevated Temperature Flow Stress of Ti-6Al-4V Alloy Considering the Effect of Strain[J]. Materials and Design, 2010, 32(3): 1144—1151.

[5] RUDNYTSKYJ A, SIMON P, JECH M, et al. Constitutive Modelling of the 6061 Aluminium Alloy under Hot Rolling Conditions and Large Strain Ranges[J]. Materials & Design, 2020: 108568.

[6] 潘應(yīng)暉, 戴峰澤, 魯金忠. 激光沖擊Johnson-Cook模型材料參數(shù)優(yōu)化[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012(2): 15—18. PAN Ying-hui, DAI Feng-ze, LU Jin-zhong. Optimization of Material Parameters for Johnson Cook Model of Laser Shock[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2012(2): 15—18.

[7] SEO S, MIN O, YANG H. Constitutive Equation for Ti-6Al-4V at High Temperatures Measured Using the SHPB Technique[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31(6): 735—754.

[8] LIN Y C, CHEN X M, LIU G. A Modified Johnson-Cook Model for Tensile Behaviors of Typical High-Strength Alloy Steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2010, 527(26): 6980—6986.

[9] 聶振超, 劉光連, 劉曦程, 等. 試驗(yàn)研究Q345鋼和20Cr13合金應(yīng)變硬化關(guān)系曲線[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2018, 25(1): 233—240. NIE Zhen-chao, LIU Guang-lian, LIU Xi-cheng, et al. Experimental Study on Strain Hardening Curve of Q345 Steel and 20cr13 Alloy[J]. Journal of Plastic Engineering, 2018, 25(1): 233—240.

[10] 李賢睿, 方文利, 唐鼎, 等. 鋁合金微通道扁管熱擠壓成形數(shù)值模擬[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2017, 24(5): 1—6. LI Xian-rui, FANG Wen-li, TANG Ding, et al. Numerical Simulation of Hot Extrusion Forming of Aluminum Alloy Microchannel Flat Tube[J]. Journal of Plastic Engineering, 2017, 24(5): 1—6.

[11] 陳水生. 基于硬度積分中值的拼焊板焊縫力學(xué)性能確定[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2016, 23(4): 160—163. CHEN Shui-sheng. Determination of Mechanical Properties of Tailor Welded Blanks Based on Median Value of Hardness Integral[J]. Journal of Plastic Engineering, 2016, 23(4): 160—163.

[12] WANG Lei, BENITO J A, CALVO J, et al. Constitutive Model of TWIP Steel after Multi Pass Equal Channel Extrusion[J]. Journal of Material Heat Treatment, 2017, 38(2): 185—190.

[13] JIA F, LI F, LI Y. Characterization and the Improved Arrhenius Model of 0Cr11Ni2MoVNb Steel during Hot Deformation Process[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, 382(2): 022027.

[14] 李攀, 李付國(guó), 曹俊, 等. 基于修正DMNR模型的1060純鋁本構(gòu)方程[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)(英文版), 2016, 26(4): 1079—1095. LI Pan, LI Fu-guo, CAO Jun, et al. Constitutive Equation of 1060 Pure Aluminum Based on Modified Dmnr Model[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(4): 1079—1095.

Study on Flow Stress Model of High-Strength Steel and Aluminum Alloy in Clinching

LI Qi-han1, WANG Bao-zhong1, GAO Song1, XU Chuan-wei1, MA Feng-lei1, HAN Xiao-heng1, YUAN Bo1

(Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

This paper aims to study the stress-strain relationship between high-strength steel and aluminum alloy in clinching at room temperature. The material?s properties were studied through the tensile test, including yield strength, tensile strength, and elongation. Then, four flow stress models, namely the constitutive model, were used to describe the stress-strain relationship of the two materials. Then the correlation coefficientand average absolute relative errorAAREwere used to evaluate the effect of the four models. The results show that the four constitutive models can well describe the stress-strain relationship of the two materials. The-value of high-strength steel and aluminum alloy is higher than 0.99, and theAAREvalue is lower than 2%. Through comparative analysis, Voce model is more effective to describe the stress-strain relationship of high-strength steel, and the Swift model is more effective to describe the stress-strain relationship of aluminum alloy. It is successfully applied to the clinched process, and the error is less than 5%.

high strength steel; aluminium alloy; tensile test; constitutive model; clinching

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.017

TU502

A

1674-6457(2021)04-0121-06

2021-04-26

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20190302100GX）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51805045）

李奇涵（1970—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘侔辶蠜_壓成形技術(shù)。