（机械制造及其自动化专业论文）双相钢拼焊板温变形行为及组织性能研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：襄峨毫缸 2 , o1 1 年( 月1 1 1 f 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于 豕饽么 保密口。 学位论文作者签名： 年月 日 指导教师签名： 触年6 其( 江苏大学硕士论文 摘要 双相钢激光拼焊板可以最大限度地减少汽车零件数量、减轻汽车 重量、优化零部件的公差和降低成本，同时又可保证汽车的性能，但 是常温条件下其塑性较低，成形比较困难，目前有关高强度钢板的研 究大都限于加工工艺参数的优化和成形性能的研究，且都集中在温热 成形领域，不仅研究拼焊板的宏观力学性能，而且着重于研究板料成 形过程中的微观组织的变化。 本文以b 3 4 0 5 9 0 d p 双相钢拼焊板为研究对象，建立基于z 参数 的拼焊板温拉伸流变应力模型；分析不同变形温度对双相钢拼焊板母 材、焊缝和热影响区微观组织变化；还建立了双相钢拼焊板温拉伸晶 粒尺寸模型；最后通过盒形件拉深成形试验和微观组织观察，研究工 艺参数对双相钢拼焊板盒形件拉深成形性能的变化规律。所做的具体 工作如下： 1 ) 温成形研究现状。介绍国内外有关温成形试验和理论方面的 研究现状，分析现有的温成形的研究特点，引出本文的主要内容。 2 ) 温成形宏观力学性能试验和理论研究。通过单向拉伸试验， 研究双相钢拼焊板在不同变形条件下的流变应力行为，建立了基于z 参数的双相钢拼焊板温拉伸流变应力模型，可以预测双相钢拼焊板的 温成形过程的力学性能变化。 3 ) 温成形微观组织试验和理论研究。结合微观组织观察和金相 图像处理软件，定性分析温变形条件对微观组织的变化以及建立了双 相钢拼焊板温拉伸晶粒尺寸模型，通过有限元模拟验证了双相钢拼焊 板微观模型的准确性。 4 ) 双相钢拼焊板盒形件温拉深成形研究。结合成形试验和盒形 件微观组织观察，分析变形工艺参数对双相钢拼焊板盒形件拉深性能 i 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 的影响，优化双相钢拼焊板成形工艺，可以提高双相钢拼焊板温成形 性能。 l i 关键词：双相钢，拼焊板，温成形，流变应力行为，组织性能 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g e so fr e d u c i n gt h en u m b e ro fa u t op a r t s ，c u t t i n g d o w nt h em a n u f a c t u r i n gc o s t s ，o p t i m i z i n gt o l e r a n c ep a r t s ，a n de n s u r i n g t h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l e ，d u a lp h a s es t e e lt a i l o rw e l d e db l a n k s ( t w b s ) t e c h n i q u eh a sb e e nt h em a i nt r e n dt or e d u c ea u t o - b o d yw e i g h t h o w e v e r , u n d e rr o o mt e m p e r a t u r e ，t h ep l a s t i c i t yi sl o w e r , t h ef o r m a b i l i t yo f d p t w b si sm u c hd i f f i c u l t u pt on o w , m o s ti n v e s t i g a t i o n so nh i g h s t r e n g t hs t e e la r el i m i t e db yo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d f o r m i n gp r o p e r t i e s ，a n da r ec o n c e n t r a t e do nt h ew a r mf o r m i n gf i e l d n o t o n l ya r et h em a c r o s c o p i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft a i l o rw e l d e db l a n k s i n v e s t i g a t e d ，b u ta l s of o c u s e do nt h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g eo f s h e e tm e t a l f o r m i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h ee s t a b l i s h m e n to fd u a l p h a s es t e e l ( b 3 4 0 5 9 0 d p ) t a i l o rw e l d e db l a n k sw a r mt e n s i l ef l o ws t r e s sm o d e lh a sb e e nd o n eb a s e d o nt h ezp a r a m e t e r s ；w e l d e da n dh e a ta f f e c t e dz o n em i c r o s t r u c t u r e c h a n g e s ，a n dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eh a sb e e n a n a l y s i s ；t h ee s t a b l i s h m e n to fd u a l p h a s es t e e lt a i l o rw e l d e db l a n k sw a r m t e n s i l eg r a i ns i z em o d e lh a sb e e nd o n e ；t h ep a r a m e t e r so nd u a lp h a s e s t e e lt a i l o rw e l d e db l a n kb o xd r a w i n gh a v eb e e ns t u d i e dt h r o u g h b o x - s h a p e dd e e pd r a w i n gt e s ta n dm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n t h em a i n w o r k sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) m a c r o m i c r or e s e a r c hs t a t u so fw a r mf o r m i n g m a i n l yi n t r o d u c e t h es t a t u so fm a c r o m i c r or e s e a r c hi nr e s p e c to ft h e o r ya n dt e s t s a n a l y z e t h ec h a r a c t e ro fw a r mf o r m i n ga n dt a i l o rw e l d e db l a n k s ，a n dt h e n ，g e tt o t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r 2 ) m a c r or e s e a r c ho fw a r mt e n s i l et e s t s v i aw a r mt e n s i l et e s t s ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd u a lp h a s es t e e lt a i l o rw e l d e db l a n k sw e r e i n v e s t i g a t e da td i f f e r e n td e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，a n dt h ef l o ws t r e s s i i i 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 m o d e lo fd p - t w b si se s t a b l i s h e db a s e do nt h ezp a r a m e t e r s ，t h a tc a l l p r e d i c tt h ev a r i a t i o no ff l o ws t r e s s 3 ) m i c r or e s e a r c ho fw a r mt e n s i l et e s t sa n dt h e o r y t h r o u g ht h e o p t i c a l m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n d i m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e ， q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n si sd o n e ， a n dd u a l p h a s es t e e lt a i l o rw e l d e db l a n k st e m p e r a t u r et e n s i l eg r a i ns i z e m o d e li se s t a b l i s h e d ，m o r e o v e r , t h ea c c u r a c yo ft h em o d e li sv e r i f i e db y f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 4 ) b o x e d s h a p er e s e a r c ho fd r a w i n gf o r m i n g t h eb o x e d - s h a p ep a r t f o r m i n g t e s ta n dm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n sa r ed o n eo nd i f f e r e n t d e f o r m a t i o np a r a m e t e r s i nt h a tc a s e ，t h r o u g hi m p r o v i n gt h ef o r m i n g p r o c e s so fd p t w b s ，t h ed r a w i n gf o r m a b i l i t yc a nb ee n h a n c e dg r e a t l y k e yw o r d s ：d u a l - p h a s es t e e l s ，t a i l o r - w e l d e d i v f o r m i n g ，f l o w s t r e s s b e h a v i o r , p r o p e r t i e s b l a n k s ，w a r m m i e r o s t r u c t u r e 2 3 1 基于z 参数的流变方程1 9 2 3 2 流变应力的预测结果比较与分析一2 2 2 3 3z 参数与流变应力之间的关系2 2 2 4 本章小结2 3 第三章双相钢拼焊板温拉伸微观组织分析一2 5 3 1 双相钢拼焊板温拉伸试验微观组织分析2 5 3 1 1 拼焊板母材温拉伸微观组织分析2 5 3 1 2 拼焊板焊缝温拉伸微观组织分析3 0 3 1 3 拼焊板焊接热影响区温拉伸微观组织分析一3 3 3 2 基于z 参数的双相钢拼焊板温拉伸动态再结晶晶粒尺寸模型3 6 3 2 1 双相钢拼焊板温拉伸再结晶理论3 6 3 2 2 双相钢拼焊板温拉伸再结晶模型的建立一3 7 3 3 双相钢拼焊板温拉伸晶粒尺寸模型的仿真分析3 9 3 3 1 单向拉伸有限元模型的建立3 9 3 3 2 模型的验证4 1 v 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 3 4 本章小结4 2 第四章双相钢拼焊板盒形件拉深试验及微观组织分析4 3 4 1 双相钢拼焊板盒形件拉深成形机理4 3 4 1 1 盒形件的拉深原理4 3 4 1 2 盒形件拉深变形特点4 5 4 1 3 盒形件拉裂4 5 4 2 盒形件拉深试验4 5 4 2 1 盒形件拉深试验方案4 5 4 2 2 盒形件拉深试验结果。4 7 4 3 双相钢拼焊板盒形件微观组织分析4 8 4 4 双相钢拼焊板盒形件宏微观分析5 2 4 5 本章小结5 2 第五章结论和展望5 5 5 1 结论：5 5 5 2 展望5 6 参考文献5 7 致谢：i ：6 2 攻读硕士学位期间承担科研情况及主要成果6 3 v i 江苏大学硕士论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 能源短缺及环境污染问题己成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题， 无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会 发展的需要【。汽车燃油消耗与车重有着密切的联系，激光拼焊可以最大限度地 减少汽车零件数量、减轻汽车重量、原材料利用率提高、增加产品设计灵活性和 降低成本，同时又可保证汽车的性能，代表了汽车新技术的发展方向。绝大部分 先进车型的车门内板、升降台、车底板和侧梁等都采用了激光拼焊板【2 捌。 通过使用激光拼焊技术，将材料强度、厚度得到合理组合，使结构刚度得到 提升，结构的抗腐蚀性能也得到提高。而高强度钢的开发和应用是同时确保轻量 化和碰撞安全性的有效手段【4 棚。与其他材料相比，钢铁材料在强度、塑性、抗 冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优势，其在汽车材料中的主导地位 仍是不可动摇的。近年来先进高强度钢在汽车上的应用得到了较快增长。 双相钢属于相变强化高强度钢，其组织成份主要是具有铁素体和岛状马氏体 混合相组织的钢，具有屈强比低、应变强化指数高和良好的抗碰撞性等特点，具 有优良的力学性能和成形性能，是理想的汽车用高强度钢板【7 8 】，并且具有连续 屈服行为，在塑性变形初期具有高的加工硬化率，而且相对于其强度在成型时还 具有好的延展性。近年来，双相钢得到迅速发展并在汽车工业上应用。双相钢这 些特性吸引了大量的研究以解释和模拟其力学性能。 双相钢激光拼焊板同时具有双相钢和激光拼焊板技术的优点，在减轻汽车车 身重量的同时，提高了产品设计灵活性、提高了原材料利用率，也保证了汽车的 性能。但是由于拼焊板焊缝附近存在热影响区，拼焊板的塑性性质和机械性能发 生很大变化【蚶1 1 。双相钢拼焊板在常温条件下其塑性较低。而有关高强度钢板的 研究大都限于加工工艺参数的优化和成形性能的研究，且都集中在温热成形领域 1 2 - 1 4 】，一方面研究板料的宏观力学性能，另一方面研究成形过程中板料的微观组 织的变化。 温成形过程中，影响材料流变应力的因素很多，除化学成分、应力状态、微 观组织和环境介质外，主要是变形条件( 如变形温度、应变速率和应变量) 1 5 , 1 6 。 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 由于金属板料在温成形过程中的力学性能随变形条件相应的变化，因此研究双相 钢拼焊板温成形过程中变形条件与宏观力学性能参数和微观组织参数之间的关 系具有重要意义。 本课题的目的就是从宏观流变应力和微观组织变化两个方面，对双相钢拼焊 板温成形进行深入的研究，通过单向拉伸试验，建立基于z 参数的双相钢拼焊板 温成形流变应力模型和动态再结晶模型，为双相钢拼焊板温成形技术的研究和应 用提供试验和理论方面的依据，具有重要的理论意义。 1 2 金属板材温成形的研究现状 温塑性成形技术【1 7 】是近年来在冷塑性成形技术基础上迅速发展起来的塑性 成形新工艺，其变形温度范围通常认为是在室温以上完全再结晶温度以下。从金 属学的观点来看，在再结晶温度以上进行的塑性变形是热加工。而再结晶温度是 再结晶能够进行的最低温度，而再结晶过程进行的快慢、；o n - r 硬化的消除，并没 有明确的规定。因此根据金属塑性变形后有无加工硬化现象来区分冷、热加工似 乎更合理些。在金属塑性变形后存在加工硬化现象的过程通常称为冷变形和温变 形。而变形后不存在；o n - r 硬化现象的过程称为热变形。根据变形温度和熔点的比 值，划出了冷变形、温变形和热变形的温度范围：当丁 0 2 时称为冷变形， 一般在室温下，不发生回复和再结晶；r 0 3 0 4 时称为温变形，一般是在 回复与再结晶温度下进行变形；丁瓦0 6 o 8 时称为热变形，是在完全再结晶 温度上进行的变形。黑色金属的温变形温度是2 0 0 一8 5 0 ，奥氏体不锈钢常 用温变形温度为2 0 0 - - 4 0 0 ，有色金属铝是室温到2 5 0 。对某一具体材料的 温塑性变形温度，据变形速度、变形程度以及产品的性能要求不同也不尽相同。 温成形技术是集冷、热成形的优点而发展形成的。与热成形相比，温成形的 零件精度高，脱碳倾向、氧化小，模具寿命高；与冷成形相比，成形力小，成形 性好，且不需要中间软化处理工序。 高强度钢的温成形主要是在两相区进行的。对于双相钢拼焊板，其温成形工 艺受到材料组织成分、工艺参数与摩擦状态等诸多因素的影响，研究表明温成形 可以改变板料微观组织结构，降低焊缝和热影响区的硬度，减少焊接接头氧化物 夹杂引起的裂纹，提高拼焊板成形性能【1 8 , 1 9 】。然而，现有的板料微观组织、温度 效应对拼焊板成形性能的影响规律，至今没有得到足够了解和掌握，双相钢拼焊 2 江苏大学硕士论文 板温成形复杂形状零件还有许多难点未被解决。 1 2 1 温成形试验研究现状 国内外关于板料温成形塑性变形的试验方法主要有单向拉伸、压缩和扭转 等，通过这三种方法求得的应力应变关系数据可用于分析实际变形过程的塑性变 形行为，探明变形的本质【2 0 ，2 。其中，拉伸试验得出的拉伸力学性能可以更好地 反映金属板料的成形性能，且拉伸力学性能与拉深成形性能有着密切联系。因此 拉伸试验方法更适合研究双相钢拼焊板的力学性能。 对于板料温成形的试验研究主要是针对合金材料，如铝合金、钛合金等，国 外学者对碳钢和拼焊板温变形力学性能和相应的微观组织变化进行了相关研究。 密歇根大学d ml i t l 6 】等研究了铝合金温变形条件下的拉伸性能。采用拉伸 试验方法，变形温度为2 0 0 一3 5 0 ，应变速率为0 0 1 5s - 1 n 1 5s 一。得到铝合金 的整体延伸率随着温度的升高而增加，同时随着应变率的降低而增加；应变速率 敏感系数随着温度升高而增加。 韩国学者ys l e e 等【2 2 】研究了a z 3 1 镁合金在不同变形温度和应变速率下变 形时的成形极限，主要包括三方面：不同成形条件下的单拉试验、盒形件拉深成 形试验和盒形件有限元模拟，同时在盒形件试验中还包括一部分微观组织变化的 研究。单拉试验温度为2 0 0 ( 2 , 4 0 0 ( 2 ，应变速率为1 0 - 3s - 1 、1 0 - 2s - 1 和1 0 - 1s _ 1 。 通过试验与模拟方法研究了a z 3 1 镁合金温变形力学性能和成形性能。 德国学者l s t o r o j e v a 2 3 】等人研究中碳钢在温变形条件下的组织变化，采用 热模拟试验机研究了温度变化对微观组织的影响，主要研究了温变形过程中渗碳 体和铁素体的组织变化以及引起的力学性能变化。 意大利帕多瓦大学p f b 撕a i l i 【2 4 】等人研究了高强度钢热冲压成形试验，结 合板料在变形条件下的相变理论和微观组织、温度和应变路径引起的颈缩和失 效，研究了高强度钢热成形过程的成形极限。 韩国科学技术院s b k i m 2 5 】等人进行了汽车车身钢板高速成形的成形极限 图研究。通过单向拉伸试验和成形极限试验，分析应变速率对d p 5 9 0 成形极限 应变的影响，结果表明，应变速率是成形过程中影响成形极限图的一个重要因素。 韩国m gl e e 【2 6 】等人研究了t r i p 钢成形汽车零部件的热冲压工艺。结合有 限元方法和试验研究了t r i p 钢热成形过程中马氏体组织的相转变、板料的热塑 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 性变形行为等，可以通过优化板料成形工艺和模具设计，提高板料的成形性能。 加拿大滑铁卢大学s k p a n d a t 2 7 】等人研究了高强度钢激光拼焊板的成形过 程中的软化现象。通过双向拉伸试验研究了双相钢拼焊板和低合金高强度钢的成 形性能，结果表明，焊接热影响区的软化产生的应变局部化是导致成形性能下降 的主要因素。 德国亚琛工业大学e 肘l i l l e d 【2 8 】等人研究了d p t r i p 钢激光拼焊板的成形性 能，对2 5 m m 的d p 6 0 0 与1 2 m m t r i p 7 0 0 钢板激光焊接，进行标准的埃里克森 杯突试验，结果表明，破裂发生在t r i p 7 0 0 钢母材一侧。d p 6 0 0 与t r i p 7 0 0 钢 母材的屈服准则分别符合s w i f t 和修正的m k 模型。 国内有关板料温成形试验的研究，主要是对碳钢和铝合金板料的温塑性变 形。 燕山大学熊毅【2 9 】等人研究了高碳钢的温变形行为，在变形温度为9 13 9 7 3 k ， 应变速率在o 0 ls 1 1 0s 0 的变形条件下，利用压缩试验建立了温变形本构方程， 同时对温变形过程中微观组织的变化进行了探讨。 中南大学王孟君【3 0 】等人对汽车用5 1 8 2 铝合金板材的温拉伸流变行为进行了 详细研究，温拉伸试验条件为：变形温度为2 5 0 0 3 0 0 * 0 ，应变速率在0 0 0 1s 1 0 1 s 一，试验仪器为l n s t r o n 8 0 3 2 电子拉伸试验机。通过试验得到真实应力应变曲线， 并由此采用修正后的f i e l d s b a c k o f e n 方程描述5 1 8 2 铝合金温拉伸时的流变行 为，最后对其变化的物理本质进行了简单介绍。 香港科技大学c p l a i 3 1 1 等人研究了模具加热对钛合金拼焊板成形性能的 影响。控制模具的温度为室温、3 0 0 。0 、5 5 0 ，试验研究模具在不同温度下的钛 合金拼焊板成形极性能。 西北工业大学z x u 【3 2 1 等人研究了奥氏体不锈钢焊接接头的母材和焊缝的动 态机械性能，主要研究了应变，应变速率和温度对试样流变应力的作用。结果表 明：加工硬化速率和流变应力对应变、应变速率和温度的敏感性主要是受试验温 度的影响。分析母材和焊缝的塑性流变机制及微观组织变化。 前面简单的介绍了国内外有关金属板料温变形条件下的力学性能和微观组 织的变化，试验方法大多是拉伸试验、热压缩试验等，试验材料主要是合金及其 拼焊板、碳钢，关于高强度钢激光拼焊板的温变形研究很少，因此本文对双相钢 拼焊板温成形的研究具有重要的意义。 江苏大学硕士论文 1 2 2 温成形理论模型研究现状 现有的温变形流变应力数学模型，大致可以分为两大类：一类是从宏观角度 出发，以工艺参数为基础的数学模型，主要是为实际生产过程中工艺参数的制定 提供依据，为计算机控制生产提供数学模型；一类则从微观角度出发，以微观组 织结构为基础的数学模型，主要是为寻求宏观应力变化与微观本质的定量关系 3 3 - 3 5 1 ，其目的还是为了指导实产，为实际生产提供更科学、更精确的数学模型。 1 ) 宏观流变理论 宏观本构模型中，在变形引起的热效应可以忽略的低应变速率条件下，模拟 计算或设计金属加工工艺时最常用到的有f i e l d sa n db a c k o f e n 方程【3 3 】： h o l l o m o n 方程：仃。= c s 4 ( 1 1 ) l u d w i k 方程：莎。= a o + c s 4 ( 1 2 ) s w i f t 方程：= c ( s + 岛) ” ( 1 3 ) v o t e 方程：= 一( 一c r ) e x p ( 一刀引( 1 - 4 ) 以土方程的形式都比较简单，能比较准确地描述如钢、铜、铝合金等特定材 料的流变应力。其中方程( i - 1 ) ( 1 - 3 ) 的准确性局限在达到最大应力前的应 变段。而( 1 - 4 ) 则可以表达更高应变段时的流变应力情况。 一 把应变速率的影响加以考虑的方程有： f i e l d sa n db a c k o f e n 方程：盯。= c 矿( 1 - 5 ) g r o s m a n 方程：q = 口4e x p ( n a g ) 舌” ( 1 6 ) 如果再把温度因素考虑到模型里面，此类模型还有： 盯口= c s ”e x p ( n ，) k ”e x p ( a l t ) ( 1 7 ) 盯p = 西4e x p ( n a e ) k ”+ 竹e x p ( a n t ) ( 1 8 ) 盯口= c s 肿矽e x p ( n l g ) k ”+ 6 re x p ( a i t ) ( 1 - 9 ) 上述方程中，盯。代表应力，刀、为材料应变硬化系数，m 为材料应变速率敏 感系数，c 、a 。、b 、岛材料参数。 以上这些模型可以用来描述简单的流变应力曲线，同样也可以用来描述复杂 的流变应力曲线，包括硬化、软化以及稳定状态。 5 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 在实际应用中，对于f i e l d sa n db a c k o f e n 方程的应用较广，此模型比较简单， 而且将应变速率等因素考虑其中，缺点为未将其他因素，例如温度等考虑之中， 所以在应用过程中，需要经常对其中的一些参数进行修正，将其表示成温度的一 次函数。 俄亥俄州立大学的z q s h e n g 3 6 】等人研究了镁合金温变形塑性变形行为， 见图1 1 所示，基于z 参数，考虑到应力应变的关系提出了二个镁合金流变应力 理论模型，分两个阶段建模： 6 s s t 龇s 嘶 s 旧曲 s t r a i n 图1 1 镁合金温变形时的流变应力曲线 f i g 1 1t y p i c a lf l o ws t r e s sc u r v ea te l e v a t e dt e m p e r a t u r e 第一阶段：硬化阶段+ 稳定阶段 硬化阶段： 盯= k ( z 弦”孙，8 0 魄 占 气址 k 仨，= 4 ( 。g ( 号) ) 2 + 墨，。g ( 吾) + q 咒c z ，= 4 ( ，o g ( 詈) ) 2 + 岛。g ( 詈) + g 稳定阶段： 1 7 = 址+ 口p c s t a b l e ) ，址 s 第二阶段：软化阶段+ 恒定阶段 软化阶段： 2 + d ( z ) p 一) ， g s 陬 ( 1 - 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 - 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 江苏大学硕士论文 郇，= e l o g ( 吾) + f ( 1 - 1 5 ) 恒定阶段： o r = o r e + g ( z ) ( 占一) ， s 0 ( 1 - 1 6 ) 叩m 崦( 手) 州 ，7 ) 上海交通大学许勇顺等【3 7 】在热变形试验研究的基础上，应用热力学原理和数 学分析方法，首次提出了一种新的适合于工程应用的真实应力应变曲线数学模 型。对于动态回复型的应力应变曲线， 当g 和营恒定时 o r = k e x p ( c t ) ( 1 1 8 ) 一 当t 和占恒定时 仃= k 舌耐( 1 1 9 ) 而对存在强化极限和稳态阶段的动态再结晶型的应力应变曲线，提出了以 下模型：t j ： 仃= a s 4 叠6e x p 一( c t + d e ) 】一? 。? j ( 1 - 2 0 ) 式中，o r 为流变应力( m p a ) ，占为应变( ) ，舌为应变速率，丁为温瞰k ) ，a 、b 、 c 、d 是与材料有关的常数。式( 1 - 2 0 ) 仅涉及主要的工艺参数，公式简单易懂， 适合于工程实际应用。 2 ) 微观流变理论 微观试验研究是为了能了解温成形过程中微观组织的演变过程；将微观组织 的演变与力学性能的变化结合在一起，这样就能更好地解释温成形过程中所出现 的一系列现象，其核心是组织演变模型的建立。 在热塑性成形过程中，由于高温和变形的同时作用，材料的微观组织将发生 明显的变化，例如动态、静态回复与再结晶及晶粒长大等，同时这些微观组织变 化又影响了材料的宏观力学性能。近年来，各国学者在组织模型的建立方面开展 了深入研究，提出了多种形式的模型，见表1 1 。 7 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 表1 1国内外的微观组织演变模型研究现状 t a b l e1 1 ，t h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n to f m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm o d e l 分类特点举例 进行大量的试验，通过经 伊朗沙力夫理工大学s 验公式或图表来描述组织演变s e r a i z a d e h 【3 8 】等人研究了碳、硅对钢力 行为。 学性能的影响，提出分两个阶段研究 经 在经验公式中，组织变量热变形过程中的流变应力行为。 验 被表示为应变、应变速率、变 上海交通大学金朝阳、崔振i j i d g 公 形温度等宏观变形参数的函等人研究了低碳钢热压缩成形过程的 数。 本构模型，采用单一内变量的位错密 式 度演化模型描述加工硬化和动态回复 对流动应力的影响；应用a v r a m i 方程 表达动态再结晶软化作用对流动应力 的影响。 通过高温变形试验和金西北工业大学李淼泉、熊爱明f 删 相分析可以获得大量的试验数等建立了钛合金组织演化的模糊数学 统据，因此用统计学的方法建立 ( f s ) 模型和人工神经网络模型，预测 计 组织演变模型是可行的，其中 了热变形后的等效晶粒尺寸、再结晶 数值模 模最有代表性的是人工神经网络 体积百分数、晶粒轴比、相的体积分 型 型 ( a n n ) 。 数等，并与f e m 相结合实现了钛合金 微 在高温变形过程中组织演变的数值计 观 算。 组用合适的数值方法将描垂 专 金属成形过程中的组织结构可以 - 织 基 状态变量随时间变化的等式i 通过多个不同的内部状态变量来描 演 于 变形历史逐步积分，就可以j ! !述，可选用品粒尺寸、不同类型晶粒 变 的体积分数、相分数或亚晶粒尺寸、 模 内 到金属成形过程中的微观组笔 、 型 部 演变：位错密度、第二相粒子等作为内变量 变 参数。 量 拿= 曩 ，跏，力 目前，内变量法已经用于钢、铸 的 也 ” 7 铁、铝合金等金属非等温变形过程中 物 拿：嚏 ，跏，d 组织演变模型的建立。西北工业大学 理 衍 ”“ 。7 李淼剁4 i 】等提出的钛合金的内变量法 模 组织模型。 型 譬：呜( 墨，d d t ”。上 。 采用m o n t ec a r l o 方法或 美国的洛斯阿拉莫斯国家试验室 单元自动控制方法( c e l l u l a rs r o l o v i t z 4 2 1 等人用二维m o n t ec a r l o a u t o m a t o n ，c a ) 对晶粒的形核方法模拟了再结晶均匀形核和长大： 位置、晶粒取向以及晶粒的生 北京科技大学宋晓艳【4 3 】等人进行 随机模型 长过程进行随机处理，能够考了单相材料正常晶粒长大过程的三维 虑单个晶粒的具体形态及其生m o n t ec a r l o 模拟，获得了晶粒长大动 长演变。力学和拓扑学的全面信息，逼真地再 现了晶粒长大的过程。 目前的微观机制数学模型中，大多考虑的是晶粒尺寸和位错密度。基于晶粒 尺寸的微观模型，该部分的文献比较多，但总的来说，模型中参数较多，而且不 易求解，在实际应用中很难适用；基于位错理论的微观模型，建立的方式很多， 8 江苏大学硕士论文 但模型中材料参数都不好求，而且材料参数很多，有些需要特殊的方法去求解， 例如遗传算法等。 现有的模型大致可以分为四类：位错塞积模型、加工硬化模型、复合模型和 尺寸分布模型。大多模型设定系数尼与位错有关，而将r 看成常数；也有从晶粒 尺寸分布计算k 值的。各模型中的主要数学式及模型的提出者列于下表1 2 t 4 4 1 。 表1 2 常用的微明机制数学模型删 t a b l e1 2m a t h e m a t i c a lm o d e lc o m m o n l yu s e di nm i c r o - m e c h a n i s m t 4 4 机制 模型作者 a tt h ey i e l ds t r e s s ： 尼= 0 7 ( ) 啦g ( 6 ) 啦( n f f m i t e l y s t r a i g h t ) e o h a l l 【4 5 1 ，n j up e t c h 4 6 1 r w ： 位错塞积 后= 2 ( 牝g p ) 啦( d i s l o c a t i o nl o o p s ) a r m s t r o n g 4 7 1c t a l u a t a g i v e ns 仃a m ： r w a r m s t r o n g 4 8 1 ，j d a = o - 0 + z s 。k = k a + p s 。2 m e a k i n 【4 9 1e t a l 七= 口g ( 6 ) v 2 ( i 1 + 万d ) v 2 s l ，2 m e a s h b y l 5 0 l 加工硬化 仃= 州一鹅+ 号务 a w t h o m p s o n , m i b a s k e s 【5 1 】 k = a g b ( 3 p 1 ) 啦 一 j c m l i 5 2 】 复合机制 f ：t o 1 + _ 4 t i _ r b 一1 ) 1 u e k o c k s 5 3 1 d 尺寸分布 吼= 舻，j j = k o e x p ( 一毫肋2 ) k j k u r z y d l o w s k i 髀l e ta 1 注：上表各式中： t 晶界临界屈服应力； 忙剪切模量； 卜柏氏矢量； b _ 平均滑移长度； 扛晶粒直径： 岛晶界源密度； 晶粒内部的流变应力； 毛晶界的流变应力； f _ 一晶界厚度，其值取决于s ，而与z o 和无关； 如l 一晶粒尺寸分布函数的标准差； 其余为待定常量 9 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 大多数学者从晶粒尺寸的角度建立流变应力模型时，都是基于霍尔佩奇公 式的【4 5 问： 仃= 瓯+ k r 一1 7 2 ( 1 2 1 ) 式中，c r n 是摩擦应力，k 是霍尔佩奇系数，r 是晶粒半径。 北京科技大学张麦仓等【5 5 1 通过g l e e b l e2 0 0 0 上的热模拟压缩试验，分析了 q 2 3 5 低碳钢在不同热加工参数下的动态组织演化特征。得出的结论：应变速率 和温度对q 2 3 5 钢的奥氏体形变特征影响强烈，在相同变形温度下，应变速率的 提高可以明显推迟动态再结晶的发生；应变速率较低时，降低温度同样可以延迟 动态再结晶的发生。利用定量金相技术及线性、非线性拟合算法，建立了q 2 3 5 钢热变形过程的唯像本构关系及组织演化动力学模型，并将此模型应用于仿真之 中。文中采用了y a d a 模型【5 6 】表征q 2 3 5 钢变形过程的平均晶粒尺寸。 id = q 叠一qe x p ( - c 3 q r t ) ( 占乞) d = d op 乞) ( 1 - 2 2 ) l 乞= c 4e x p ( c 5 d ，： 式中，d 为动态平均晶粒尺寸，成为初始晶粒尺寸，乞为临界应变，q 为形变激 活能，c ，i = l ，5 ，为待定参数。 北京有色金属研究总院的沈健等【5 7 1 学者采用g l e e b l e l 5 0 0 热压缩模拟试验机 对a 1 z n m g - c u 合金在热变形条件下的微观组织演化进行了研究，研究了其动 态再结晶行为，并通过线性回归建立了热变形条件与亚晶尺寸之间的关系，平均 亚晶直径d 的倒数与温度补偿应变速率z 参数的值的自然对数之间满足类似于 h a l l p e t c h 方程的线性关系，为热成形工艺参数的制定提供一定的理论基础。 d 一= - 0 3 8 5 + 0 0 4 1 n z( 1 2 3 ) 1 3 本文主要研究内容 本文从试验和理论两个方向入手，对b 3 4 0 d p 5 9 0 双相钢拼焊板宏观和微观 两个方面进行研究，通过单向拉伸试验、微观组织观察和流变应力理论，分别建 立宏观流变应力模型和微观晶粒尺寸模型，对双相钢拼焊板温成形理论进行全面 分析；通过盒形件拉深试验和微观组织观察研究了变形工艺参数对双相钢拼焊板 成形性能的影响。 基于以上研究内容，本文各章节内容安排如下： l o 江苏大学硕士论文 第一章：主要介绍了金属板材温变形的研究现状，包括宏微观试验和理论研 究现状，并提出了本文的研究内容。 第二章：主要介绍了单向拉伸试验方法和双相钢拼焊板拉伸流变应力分析。 研究了双相钢拼焊板温拉伸试验结果，通过真实应力应变曲线建立了双相钢拼 焊板流变应力模型，可以将模型应用到有限元仿真中，预测不同变形条件下的双 相钢拼焊板温成形性能的变化规律。 第三章：通过微观组织观察试验，研究双相钢拼焊板在不同温变形条件下的 微观组织变化规律，结合金相分析软件定量分析微观组织参数的变化，建立了双 相钢拼焊板温拉伸再结晶晶粒尺寸模型，可以应用到有限元仿真模拟中。 第四章：通过盒形件拉深试验和微观组织观察试验，研究不同温变形工艺参 数对双相钢拼焊板成形性能和微观组织的影响。基于盒形件拉深成形规律，对比 单向拉伸试验结果，验证双相钢拼焊板的温变形变化规律。 第五章：总结本文的研究内容和结论，并且对将来的工作提出了展望。 双相钢拼焊板温变形行为及微观组织性能研究 江苏大学硕士论文 第二章双相钢拼焊板单向拉伸试验 2 1 试验方案设计 试验材料为b 3 4 0 5 9 0 d p 高强度钢，激光焊接成等厚拼焊板1 0 m m 1 0 m m 。 材料的基本力学性能参数如表2 1 所示。 按照金属高温拉伸试验方法的要求，试样形状和尺寸如图2 1 所示，标 距为3 6 m m 、宽度为9 m m 、焊缝宽度2 m r n ，焊缝方向平行于主应变方向，为配 合温拉伸附带的延伸测量系统，在