基于ABAQUS加載方式對零件加工過程材料性能影響分析

李秀芬，李鑫，張永學(xué)

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450006）

1 引言

汽車用鋼鐵材料的加工過程復(fù)雜，依靠單向拉伸獲取的力學(xué)性能對其成形性進(jìn)行評價(jià)誤差較大。TRIP鋼的組織為鐵素體基體加貝氏體加殘余奧氏體組織，具有高的強(qiáng)度和加工硬化指數(shù)、低屈強(qiáng)比的特點(diǎn)，在車身選材中應(yīng)用廣泛［1］。TRIP690中為了保證殘余奧氏體穩(wěn)定性和表面鍍鋅能力，采取了降Si增Al的途徑。材料的成形性是影響零件生產(chǎn)的重要因素，實(shí)際零件的加工過程相對復(fù)雜。為了模擬材料在成形過程的力學(xué)性能以及成形后的性能變化規(guī)律，指導(dǎo)實(shí)際的零件沖壓生產(chǎn)過程，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件采用單向拉伸過程預(yù)應(yīng)變的方式，對單軸拉伸試樣進(jìn)行不同大小的預(yù)應(yīng)變，緊接著再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至斷裂失效，借此來評價(jià)材料在成形后的性能及變化規(guī)律以及不同成形條件的影響，具有重要的研究意義。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)［2］對汽車碰撞過程中材料的吸能過程進(jìn)行分析，并對相變過程進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［3］材料不同應(yīng)變拉伸試驗(yàn)，獲取材料在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸狀態(tài)下的組織變化規(guī)律；文獻(xiàn)［4］材通過斷口形貌測試，對材料拉伸失效過程進(jìn)行分析，判斷材料的失效形式；文獻(xiàn)［5］采用仿真模型對材料加工過程的相變進(jìn)行預(yù)測。

采用施加預(yù)應(yīng)變的方式，對材料力學(xué)特性變化進(jìn)行研究；采用單向拉伸過程預(yù)應(yīng)變的方式，對TRIP690單軸拉伸試樣進(jìn)行不同大小的預(yù)應(yīng)變，緊接著再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至斷裂失效；獲取各主要力學(xué)參數(shù)和加工硬化隨預(yù)應(yīng)變的變化規(guī)律；基于ABAQUS建立材料的體積元模型，分析不同預(yù)應(yīng)變下的殘余奧氏體相變過程和失效形式。獲取材料在成形后的性能及變化規(guī)律以及不同成形條件影響。

2 材料力學(xué)性能分析

TRIP鋼的組織為鐵素體基體加貝氏體加殘余奧氏體組織，如圖1所示，兼有高強(qiáng)度和高延展性，在汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。TRIP690中為了保證殘余奧氏體穩(wěn)定性和表面鍍鋅能力，采取了降Si增Al的途徑［6］。

圖1 TRIP鋼組織照片F(xiàn)ig.1 TRIP Steel Structure Photo

2.1 試驗(yàn)材料和試樣

所選用材料為TRIP690冷軋鍍鋅板，其化學(xué)成分，如表1所示。在MTS810型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸速度為2mm/min，采用50mm 的引伸計(jì)，引伸計(jì)測量誤差為0.3%［7］。根據(jù)測試結(jié)果，獲取主要的力學(xué)性能包括：屈服強(qiáng)度（Rp0.2/ReL）、抗拉強(qiáng)度（Rm）、總延伸率（A50）、平均n值以及應(yīng)力?應(yīng)變曲線（沒有特殊說明均為工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線），通過相關(guān)計(jì)算，可以得到屈強(qiáng)比和強(qiáng)塑積［8］。

表1 化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition

圖2 拉伸試件Fig.2 Tensile Test Piece

2.2 性能分析

同時(shí)測量軋向、橫向、45°等三個(gè)方向的力學(xué)性能，其中試驗(yàn)結(jié)果試樣的編號中Z為軋向、H為橫向、45為45°方向，分析獲得的性能結(jié)果，如表2所示。測試曲線，如圖3所示。

表2 材料力學(xué)性能Tab.2 Mechanical Properties of Materials

圖3 材料工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.3 Material Engineering Stress?Strain Curve

從單向拉伸實(shí)驗(yàn)表2和圖3中，可以得到：相變誘發(fā)塑性鋼TRIP690 的強(qiáng)度較高，其屈服強(qiáng)度455MPa 左右、抗拉強(qiáng)度720MPa 左右，能夠在應(yīng)用時(shí)保證強(qiáng)度；從試驗(yàn)值可以看到，TRIP690鋼板有很好延展性，平均伸長率可達(dá)為33.5%，試驗(yàn)最小延伸率為33.1%，最大可達(dá)34%，與同等級抗拉強(qiáng)度的雙相鋼相比，延伸率顯著大于雙相鋼，同時(shí)TRIP690的強(qiáng)塑積，由于延伸率的提高達(dá)到了24.2GPa*%；TRIP690試樣三個(gè)方向都沒有屈服平臺，材料的屈強(qiáng)比為0.63，平均加工硬化指數(shù)為0.2，由于TRIP效應(yīng)的作用加工硬化行為明顯；TRIP690三個(gè)方向的試樣的力學(xué)性能相差不大，各向異性不太明顯。

3 預(yù)應(yīng)變對力學(xué)行為的影響

為了模擬材料在成形后的力學(xué)性能以及成形后的性能變化規(guī)律，指導(dǎo)實(shí)際的零件沖壓生產(chǎn)過程，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件采用單向拉伸過程預(yù)應(yīng)變的方式［9］，對單軸拉伸試樣進(jìn)行不同大小的預(yù)應(yīng)變，緊接著再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至斷裂失效，借此來評價(jià)材料在成形后的性能及變化規(guī)律以及不同成形條件的影響。在MTS810型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸速度為2mm/min，采用50mm的引伸計(jì)，引伸計(jì)測量誤差為0.3%。測量主要的力學(xué)性能包括屈服強(qiáng)度（Rp0.2/ReL）、抗拉強(qiáng)度（Rm）、總延伸率（A50）、平均n值以及應(yīng)力?應(yīng)變曲線（沒有特殊說明均為工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線），通過相關(guān)計(jì)算可得到屈強(qiáng)比和強(qiáng)塑積。分別對試樣施加0%、5%，10%，15%等三種預(yù)應(yīng)變，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)［10］。同時(shí)測量軋向、橫向、45°方向的力學(xué)性能，其中試驗(yàn)結(jié)果試樣編號Z為軋向、H為橫向、45為45°方向。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

3.1 預(yù)應(yīng)變對基礎(chǔ)力學(xué)性能的影響

編號中1、2、3、4 分別為0%、5%、10%、15%三種預(yù)應(yīng)變量。A0為預(yù)應(yīng)變后再拉伸過程中的延伸率，A50為整個(gè)預(yù)應(yīng)變和后續(xù)拉斷失效后的總延伸率［11］。TRIP690在0%、5%、10%、15%三種預(yù)應(yīng)變量拉伸力學(xué)性能，如表3所示。并將表內(nèi)各參數(shù)求得各方向平均值繪制和預(yù)應(yīng)變率關(guān)系的變化曲線，如圖4所示。

表3 預(yù)應(yīng)變拉伸材料力學(xué)性能Tab.3 Mechanical Properties of Pre-Strained Tensile Materials

圖4 不同參數(shù)變化曲線Fig.4 Variation Curve of Different Parameters

由表3、圖4 結(jié)果可知，材料的性能特征受預(yù)應(yīng)變的影響較大；材料的強(qiáng)度隨著施加預(yù)應(yīng)變的增大而逐漸增大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不同的增大速率，導(dǎo)致屈強(qiáng)比隨著預(yù)應(yīng)變量的增大而變大，由不施加預(yù)應(yīng)變下的（0.63～15）%預(yù)應(yīng)變下的0.97；同時(shí)TRIP690的延伸率則是呈現(xiàn)先減后增的趨勢，但是幅度較??；材料的強(qiáng)塑積則整體呈現(xiàn)增大的趨勢；整個(gè)過程中材料的加工硬化平均值則迅速降低，考慮到材料相組織的變化，材料的TRIP效應(yīng)不再明顯。

TRIP690在0%、5%、10%、15%預(yù)應(yīng)變后拉伸至失效過程，軋向、橫向、45°等方向的工程應(yīng)力?應(yīng)變曲線，如圖5所示。圖中分析結(jié)果可以看出，在三種形式下，材料的強(qiáng)度都是呈現(xiàn)出增加的趨勢；同時(shí)，對比TRIP690各個(gè)方向的不同預(yù)應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，橫向的延伸率相比軋向和45°方向的結(jié)果較低；對比觀察5%和10%的力學(xué)性能變化可知，材料的屈服平臺較小，主要由于相變的應(yīng)力松弛作用的結(jié)果。

圖5 不同預(yù)應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Different Pre?Strain Stress?Strain Curves

3.2 預(yù)應(yīng)變對加工硬化的影響

單軸拉伸時(shí)，材料加工硬化指數(shù)可由下式計(jì)算得到：

式中：σ—應(yīng)力；ε—應(yīng)變。

根據(jù)Hollomon方程［11］，計(jì)算得到TRIP690軋向試樣的瞬時(shí)n值變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同預(yù)應(yīng)變量的加工硬化曲線Fig.6 Work Hardening Curve for Different Pre?Strain

由圖中分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，施加預(yù)應(yīng)變之后，材料的初始加工硬化仍然較高，主要由于相組織之間的位錯(cuò)運(yùn)動引起的加工硬化現(xiàn)象；隨著施加預(yù)應(yīng)變量的增加，材料的初始加工硬化指數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢，同時(shí)瞬時(shí)值也呈現(xiàn)出降低的變化趨勢；由于屈服階段的存在，可以發(fā)現(xiàn)不施加預(yù)應(yīng)變加工硬化最低點(diǎn)高于其他工況，分析原因主要是材料內(nèi)部組織殘余奧氏體的轉(zhuǎn)換速度變化，造成加工硬化效應(yīng)降低。

4 殘余奧氏體相變分析

基于ABAQUS 模擬TRIP690 的體積元模型拉伸過程，在建立的體積元模型上通過統(tǒng)計(jì)得到殘余奧氏體含量為9.1%，稍微低于XRD實(shí)驗(yàn)測得的10.4%，因?yàn)镋BSD掃描步長及掃描次數(shù)的關(guān)系，部分殘余奧氏體沒有被標(biāo)定出來，因此建模得到的模型含量也稍低。

圖7 TRIP690組織及RVE模型Fig.7 TRIP690 Organization and RVE Model

變形量分別為5%、15%的殘余奧氏體及馬氏體的分布情況，如圖8所示?？梢钥闯鰵堄鄪W氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變最早發(fā)生在5%變形量。同時(shí)可以看出，隨著變形的繼續(xù)，殘余奧氏體持續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，新生成的馬氏體含量提高。

圖8 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變過程Fig.8 Residual Austenite Transformation Process During Uniaxial Stretching

變形量分別為5%、15%、25%和30%時(shí)TRIP690在單軸拉伸邊界條件下Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變分布情況，如圖9所示。

圖9 拉伸過程中Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變分布Fig.9 Mises Stress and Equivalent Plastic Strain Distribution During Uniaxial Stretching

由圖可知，開始時(shí)貝氏體強(qiáng)度較高，不易發(fā)生變形，容易造成應(yīng)力集中，隨著變形過程的持續(xù)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移至馬氏體組織上，沿著材料的拉伸方向分布。與之相對的等效塑性應(yīng)變則集中在軟相區(qū)，開始時(shí)集中在鐵素體，隨著變形過程持續(xù)，發(fā)生加工硬化強(qiáng)度提高，和殘余奧氏體和貝氏體的強(qiáng)度差減弱，變形協(xié)調(diào)性增強(qiáng)，因此應(yīng)變集中反而減弱。到變形的后期，沿45°方向生成明顯的應(yīng)變失效帶，這與實(shí)際單軸拉伸試驗(yàn)的失效方式一致。

5 結(jié)論

（1）通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)獲得TRIP690冷軋鍍鋅板軋向、橫向、45°方向的靜態(tài)拉伸性能；TRIP690同時(shí)兼具高的強(qiáng)度和延伸率，同時(shí)具有較高的加工硬化指數(shù)；（2）通過預(yù)應(yīng)變試驗(yàn)，研究了不同預(yù)應(yīng)變量對材料的力學(xué)性能以及加工硬化行為的影響規(guī)律：在拉伸預(yù)應(yīng)變條件下，材料的強(qiáng)度都有所增強(qiáng)；而在預(yù)應(yīng)變后的繼續(xù)拉伸階段，材料的TRIP效應(yīng)不再明顯；（3）隨著預(yù)應(yīng)變量地增加初始加工硬化指數(shù)降低，瞬時(shí)加工硬化指數(shù)呈現(xiàn)相同的變化趨勢；在初始階段加工硬化曲線下降最低點(diǎn)，無預(yù)應(yīng)變的加工硬化曲線最低點(diǎn)高于預(yù)應(yīng)變的試樣；（4）在小變形區(qū)域應(yīng)力都主要集中在初始“硬相”貝氏體上，而隨著變形的繼續(xù)，殘余奧氏體將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；軟相鐵素體在前期的塑性應(yīng)變較高而隨著應(yīng)變量的增大，鐵素體發(fā)生明顯的加工硬化，與貝氏體的強(qiáng)度差減小，應(yīng)變集中程度降低。