（材料加工工程专业论文）almgsi基合金车身板材胀裂性能的研究.pdf

摘要 摘要 a 1 m g s i 基合金车身板材具有广阔的应用前景，其应用的难点之一是成形性能较 差。破裂是板料冲压成形过程出现的主要缺陷之一，本文重点对a 1 一m g s i 基合金车 身板材的胀裂性能从物理试验和数值模拟两个层面进行了较为深入的研究。 本文对合金成分为a l 一1 2 5 m g 1 2 5 s i 0 8 5 c u - 0 4 0 m n 一0 2 0 t i 一0 1 5 f e - x s r ( 简称a l m g s i 基合金) 车身板材的制各工艺进行了优化设计，检测了a i m g s i 基合金车身板 材力学性能，并采用成形极限图( f l d ) 试验对a 1 一m g s i 基合金车身板材胀裂性能进行 了检测。结果表明：a 1 一m g s i 基合金车身板材不仅具有较佳的力学性能，还具有良好 的胀裂性能，其成形极限高于a a 6 1 1 1 的成形极限，显示了良好的性能组合。 本文采用有限元法研究a i m g s i 基合金车身板材的胀裂性能。采用了著名的非 线性软件m s c m a r c 系统建立半球凸模胀形试验的有限元模型，该模型采用了适合于 描述铝合金屈服行为的b a r l a t 屈服准则和弧长分析法，并基于物理试验的思路，改变 不同的摩擦系数和试样尺寸获取不同的应变状态。结果显示：应变历史可以保持比例 加载的单一路径形式；从不同应力状态下的应变传播发展过程得出了长轴应变出现峰 值尖点( 包括长度很短的峰值平台) 的时刻是试样发生应变集中和塑性失稳的临界时刻 这一规律；失稳时刻的表面长轴应变的峰值以及这个峰值点处的表面短轴应变构造了 一对表面极限应变，由这些极限应变对构成的虚拟f l d 与试验的结果吻合的较好。 板材的“陛能数项组”对a i m g s i 基合金车身板材虚拟f l d 的影响结果表明： 成形极限曲线的形状取决于材料的“性能数项组”，成形极限曲线的高低却可以由n 值来定性判定。厚度对a 1 一m g s i 基合金车身板材f l d 的影响表明：随着厚度增大，成 形极限曲线升高的相对幅度减小，这从数值上验证了理论分析的定性规律。 最后本文采用试验所得的f l d 作为破裂的判据，对圆筒拉深、盒形件拉深的成 形极限进行模拟分析，结果表明破裂的部位与试验规律相符合。同时采用试验f l d 作为破裂判据对车门外板冲压过程进行了模拟，探讨a i m g s i 基合金车身板对于冲 压成形的适应性。 关键词：a i m g 。s i 基合金，成形极限，胀裂性能，有限元，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t a 1 m g - s ib a s e da l l o ya u t ob o d ys h e e tw i l lb eu s e dw i d e l yi nt h ef u t u r e ，b u t ，i nt h e r e c e n t ，o n eo ft h ed i f f i c u l t yi np r a c t i c ei si t sp o o rf o r r n a b i l i t y i t so n eo ft h em a i np r o b l e m s t h a tf r a c t u r ea l w a y so c c u r sd u r i n gs h e e tm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s i nt h i sp a p e rs u c h o r i g i n a lr e s e a r c ha sa n a l y z i n gt h es t r e c h a b i l i t yo fa 1 - m g - s ib a s e da l l o ya u t ob o d ys h e e tw a s d o n et h r o u g hp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l m i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fa i - m g - - s ib a s e da l l o ya u t ob o d y s h e e tw a so p t i m i z e d ，a n di t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e d t h e nt h es t r e t c h a b i l i t yo f a i m g s ib a s e da l l o ys h e e tw a sa l s ot e s t e db yu s i n gf l de x p e r i m e n t t e s t i n gr e s u l t i n d i c a t e st h a ta 1 - m g s ib a s e da l l o ys h e e th a sn o to n l yg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb u ta l s o f a v o r a b l es t r e t c h a b i l i t y , a n dt h a ti t sf o r m i n gl i m i ti sh i g h e rt h a nt h a to fa a 6 1 1 1 1 t h i s s h o wt h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so f a l m g s ib a s e da l l o ys h e e ta r ee x c e l l e n t s e c o n d l y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t r e t c h a b i l i t yo fo fa 1 一m g - s ib a s e da l l o ys h e e tu s i n g f e mi nm u n e r i c a ls i m u l a t i o nv i e w , f es t r e t c h i n gt e s tm o d e lw i t hh e m i s p h e r i c a lp u n c hw a s c o n s t r u c t e d b a r l a ty i e l dc r i t e r i aa n da r c 一1 e n g t ha n a l y t i c a lm e t h o di sa p p l i e di no r d e rt o d e s c r i b ea ia l l o ys h e e ts t r e t c h i n gt e s t d i v e r s es t r a i ns t a t ec h a n g e st h o u g hd i f f e r e n tf r i c t i o n a n dt h ed i m e n s i o no fs a m p l ea c c o r d i n gt ot h et h o u g h to ft h ep h ) 7 s i c st e s t ，t h er e s u l tw a s r e v e a l e d ：s t r a i nh i s t o r yc a nr e t a i np r o p o r t i o n a ll o a d i n gw a y t h ec h a r a c t e ro fs t r a i n c o n c e n t r a t i o na n dp l a s t i c i t yl o c a lb u c k l i n gc a nb ej u d g e da tt h et i m ew h i c hm a j o rs t r a i n o c c u ra p e xp o i n t a n a l y t i c a lf l dw a sc o n s t r u c t e dw i t hm a j o rs t r a i na n dm i n o rs t r a i no ft h e n o d ew h i c hw a sj u d g e df r a c t u r e ，a n a l y t i c a lf l di sg o o dc o i n c i d e n tw i t hf l de x p e r i m e n t e f f e c to ft h es h e e tp r o p e r t i e sg r o u po nf l do fa 1 - m g - s ib a s e da l l o ys h e e ts h o wt h a t t h es h a p eo ff l dd e p e n d so ns h e e tp r o p e r t i e sg r o u p ，b u tt h eh e i g h to ff l dc a nb ej u d g e d b yt h ev a l u eo fn ；e f f e c to ft h ep r o p e r t i e sg r o u pc a u s e db yt h i c k n e s so nf l do fa i m g s i b a s e da l l o ys h e e ti n d i c a t et h a tr e l a t i v e l ya m p l i t u d ew h i c hb ei m p r o v e do ff l dd e c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gt h i c k n e s so fs h e e t t h er u l ei nt h e o r yw a sv a l i d a t e db yu s i n gf e m a tl a s t ，t h i sp a p e ru s ef l do b t a i n e df r o me x p e r i m e n t a t i o na sf r a c t u r ec r i t e r i o ni n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l to fs i m u l a t i o no ft h ef o r m i n gl i m i to ft h ec y l i n d e rd r a w i n g i a b s t r a c t a n db o xd r a w i n gi n d i c a t e st h ep o s i t i o no ff r a c t u r ea c c o r d w i t he x p e r i m e n t a lr u l e s f o r m i n g p r o c e s s e so fd o o rp a n e lw a sa l s os i m u l a t e du s i n gf l d a sf r a c t u r ec r i t e r i o n , t h r o u l g hw h i c h t h ea d a p t a b i l i t yf o rf o r m i n go f a 1 一m g s ib a s e da l l o ys h e e tw a ss t u d i e d k e yw o r d s ：a 1 一m g s ib a s e da l l o y ，f o r m i n gl i m i t ，s t r e t c h a b i l i t y ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 作者( 签名) ：永疑丈 2 0 0 5 年5 月2 0 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1a i m g s i 基合金车身板及其应用前景 汽车工业是综合性很强的技术密集型产业，是许多发达国家或新兴工业化国家的 支柱产业。汽车工业领域所涵盖的技术是多项的、高新的、复杂的、综合的技术体系， 其发达与否是评价一个国家机械、电子、材料、化工等工业的重要标志。随着经济、 技术、社会的发展，人们对汽车的使用性能以及汽车个性化、人文化提出越来越高的 要求，使用者不仅关心汽车的使用性能和使用寿命，同时也追求汽车外观设计的美观， 驾驶室内的宽敞舒适，操作方便和良好的安全性能，从而使车身的外观设计、内部布 置和结构分析在整车设计中占有越来越重要的地位。2 0 世纪7 0 年代的石油危机，已 经把汽车车身的轻量化视为汽车工业的重大课题及发展方向，采用各种高强钢板( 包括 双相钢) 减小车身覆盖件厚度以及车身内部非重要部件的塑料化，是当时减轻车重的主 要方法。最近这些年来业界又开始发展铝、镁合金汽车车身板以期减轻整车的重量【i 】。 实现铝、镁合金车身板产业化的关键技术之一是提高铝、镁合金车身板的成形性能， 然而有关板料冲压成形性能的研究工作，从上世纪5 0 7 0 年代的热潮之后相对低落。 但是汽车工业作为当代民用品制造业的技术龙头，在全球范围内其发展与竞争势头， 不仅没有任何衰减迹象，相反却愈演愈烈。这些发展与竞争，不仅仅只是技术本身， 而且还表现在如何强化汽车产品的个性色彩和文化色彩方面，而决定汽车产品的个性 和文化特色的最重要的因素之一便是车身，传统的大众化车身设计、用材及其大批量 生产技术，虽然仍是当前汽车工业生产的主流，但是各种个性化的车身设计与定制技 术已经在市场需求驱动下出现，这些个性化的车身不仅各具文化特色，而且还常常使 用各种新型车身板材，其中包括各种高强度的铝台金、镁合金等轻合金薄板。伴随着 汽车产品的个性化与定制技术发展，环境保护与可持续发展战略对汽车能源消耗以及 能源清洁化提出更高要求，这些要求都意味着汽车及其车身的轻量化课题依然与过去 石油危机时代同样重要，各种轻合金薄板在汽车车身中的应用仍将具有广阔前景。然 而，受冲压成形性能研究气氛相对低落之影响，目前国内外都缺乏对各种轻合金车身 薄板的冲压成形性能，因此也就很难满足汽车工业对各种轻合金薄板的发展需求，有 鉴于此，郑州大学材料科学与工程学院在积极开发铝合金车身板的同时，亦把其冲压 成形性能研究作为重要的科研方向之一。 第1 章绪论 目前常用于汽车车身板的铝合金主要有a 1 一c u m g 基( 2 0 0 0 系) 、a i m g 基( 5 0 0 0 系) 、a i m g s i 基( 6 0 0 0 系) 合金，其中2 0 0 0 系和6 0 0 0 系是热处理可强化合金，5 0 0 0 系是热处理不可强化合金1 2 】。 6 0 0 0 系a 1 一m g s i 基合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优良。它重量轻、 强度适中、成形性及耐磨性好、易着色。6 0 0 0 系t 4 态板材的屈服强度和抗拉强度与 钢板相近，金属薄板拉伸应变硬化指数( n 值) 超过钢板。此外，6 0 0 0 系合金是热处 理可强化合金，成形后经油漆烘烤( 相当于人工时效) ，性能也进一步提高。 2 0 0 0 系a l c u m g 基合金具有良好的锻造性，高的强度和良好的焊接性能。2 0 0 0 系合金也是种热处理可强化合金，具有烘烤强化效应，但其抗蚀性较差。 5 0 0 0 系a i m g 基合金中的m g 固溶于a l 中，形成固溶强化效应，使该合金在强 度、成形性能和抗蚀性能等方面具有普通碳钢板的优点，可用于汽车内板等形状复杂 的部位。但低m g 的a l 合金不仅铸造性能较差，而且合金具有明显的热脆性。5 0 0 0 系合金的固溶强化效应使它有两个明显的缺点：延迟屈服和勒德尔斯线。另外，当晶 粒尺寸大于1 0 0 9 m 时，板材易出现桔皮效应。与6 0 0 0 系合金相比，在喷漆退火后屈 服强度g 。下降，而6 0 0 0 系的屈服强度嚷上升。 表l l 是用于轿车车身的传统铝合金板材的成形性能。从该表可以看出，铝合金 表1 1 铝合金车身板材成形性能川 t a b 1 - 1t h ef o r m a b i l i t yo r a lb a s e da u t o m o b i l es h e e t 合金 总延伸率( ) 均匀伸长率( )n 值r 值杯突值1 8 0 0 弯曲半径 2 0 0 2 一t 4 j 丽一面百1 西r 1 蕊厂污1 r 一 2 1 1 7 一t 42 5 02 0 0o 2 5 o 5 98 6 i t 2 0 3 6 - t 42 4 0 2 0 00 2 3o 7 59 1i t 2 0 3 7 - t 42 5 0 2 0 00 2 40 7 09 41 t 2 0 3 8 一t 52 5 0 0 2 6 0 7 5 l 2 t 5 1 8 2 一o 2 6 01 9 00 3 30 8 099y 2 t 5 1 8 2 一s s f2 4 01 9 0 0 _ 3 10 6 79 7y 2 t x 5 0 8 2 一o3 0 02 0 00 3 00 6 6 1 t 6 0 0 9 一t 4 2 5 02 0 00 2 30 7 09 71 2 t 6 0 1 0 一t 5 2 4 01 9 00 2 2o 7 09 1i t 6 1 11 - t 42 7 5 0 2 8 0 7 08 41 2 t 6 0 1 6 - t 42 81 2 4 60 2 60 7 0 深冲钢4 2 2 2 0 00 , 2 31 3 911 90 t 注：t 为板材厚度。 板材的延伸率、杯突值和r 值较冲压钢板相比偏低，但f t 僮与钢板接近甚至超过钢板， 因此提高和改善杯突值所代表的板材拉胀成形性能，将有可能使用轻质的铝合金板材 代替钢板作为用于汽车车身生产。但是国内外材料工作者在面向车身板研究“以铝代 第1 章绪论 钢”之课题时已经发现：2 0 0 0 系铝合金的抗蚀性较差，5 0 0 0 系铝合金的勒德尔斯线、 桔皮效应严重，以及喷漆后屈服强度o 。下降，它们没有取代冲压钢板的优势，所以当 前的研究重心聚集在6 0 0 0 系a i m g s i 基合金板材上【3 】。 1 2 板料冲压成形性能及其研究历史、发展趋势 1 2 1 板料成形性能及其分类 用于冲压成形汽车车身覆盖件的各种薄钢板、铝合金薄板、镁合金薄板、塑料夹 层复合钢板等各种薄板材料统称为汽车车身板，或简称为车身板，这些板料对于各种 冲压成形工艺的适应性统称为冲压成形性能( f o r m a b i l i t y ) 。一般来讲，板料冲压成形 性能的优劣，直接反映各种薄板材料在不同的冲压加工条件下转变成为三维板金产品 或板金零件的能力，同时也反映既定的三维板金产品或板金零件在实际冲压成形过程 中的几何成形难度。因此，板料的成形性能是一个同时包括材料因素、工艺因素和产 品设计等多种工程变量的系统问题。 根据板料在各种冲压成形过程中的失效形式不同，各种板料的冲压成形性能一般 可以分为以下三种基本类型【4 】o 抗破裂性( 狭义成形性能) ：板料在冲压成形过程中抵抗各种破裂或颈缩的能 力。 贴模。陛( f i t a b i l i t y ) ：扳料在冲压成形过程中贴靠模具型面并获取几何形状的能 力。 定形性( f i x a b i l i t y ) ：板料在冲压模具内成形为各种板金零件或车身覆盖件后， 抵抗回弹或翘曲以保持其在模内既得形状的能力，过去也有人根据日语直译为“形状 冻结性”。 一k 述三种冲压成形性能中，板料的抗破裂性最为直观，它直接决定了一块板料能 否在冲压成形过程和冲压成形模具中完好地转变成为板金零件或车身覆盖件。而贴模 性与定形性却制约板金零件或车身覆盖件的尺寸精度、形状精度以及表面状态和表面 质量，这些问题将进一步影响板金零件或车身覆盖件之间的焊接、装配和油漆等后继 工序。 一般来讲，影响板料抗破裂陛的主要因素包括微观方面的材料组织结构、细观方 面的材料表面状态及其厚度均匀性、宏观方面的材料力学性能以及通过外部能量所施 加给材料的应力应变状态和应变路径等，破裂过程通常由分散性颈缩或集中性颈缩所 第1 章绪论 引发，因此表征、估测和评价板料的抗破裂性时，需要研究板料的颈缩现象和颈缩理 论。 1 2 2 板料成形性能的研究历史 工程界对于板料冲压成形性能的认识始于对抗破裂性的研究，以后又扩展到贴模 性与定形性，所以不少人把工程界最早认识的抗破裂性视为狭义冲压成形性能，而把 后来认识到的贴模性和定形性视为广义冲压成形性能，或是将抗破裂性、贴模性与定 形性共同视为广义冲压成形性能。 对于板料抗破裂性已有近百年研究历史，但具有科学意义的定量研究和理论研 究，直到上世纪5 0 6 0 年代才得以实现，主要表现如下： 2 0 世纪5 0 年代初期，由h i l l 、s w i f t 分别提出集中性颈缩失稳理论和分散性颈缩 失稳理论【5 拍】，籍用这些理论，许多学者分析或解释了板料在冲压成性过程中的颈缩或 破裂机理。 1 9 5 7 年，吉田清太公开发表关于板料冲压成形分类的博士论文【”，在此论文中， 由他首次采用几何定量方法区分了各种不同应力条件下的冲压成形方式，并在各种不 同冲压成形方式下，根据材料所发生的颈缩或破裂性质，最早定义出各种不同的冲压 成形性能，如胀性( s t r e t c h i n g ) 成形性能、拉深( d r a w i n g ) 成形性能、扩孔及翻边( h o l d i n g a n df l a n g i n g ) 成形性能、弯l t t ( b e n d i n g ) 成形性能，以及胀性+ 拉深复合成形性能等，这 些定义实质上是在工艺方面找出了板料发生颈缩或破裂时的不同应力条件，更进一步 讲，是从力学上澄清了板料发生颈缩或破裂时的工艺应力机理，科学地细化了人们过 去只是对冲压破裂现象以及对板料抗破裂性的泛泛认识，为系统的研究板料在不同冲 压成形工艺条件下的抗破裂性建立了理论基础。 k e e l e r 与g o o d w i n 两人分别于1 9 6 5 年和1 9 6 8 年提出并完善了冲压成形极限图 ( f o r m i n gl i m i td i a g r a m f l d ) 概念【8 ，9 1 ，这是对冲压成形性能研究的重大突破，在此之 前，冲压成形行业仅仅只能利用板料发生颈缩或破裂之前的总体成形极限( 如冲压坯料 尺寸、坯料成形高度等) 来估测或评价板料成形性能，而建立f l d 之后，他们不仅可 以籍用这种极限图研究和评价板料在不同应力条件或不同应变路径下发生颈缩或破 裂之前可以达到的局部极限应变量( 局部成形极限) ，而且还能利用这种极限图分析解 决实际冲压成形生产中扳料发生破裂的工艺应力因素，并籍此改变或改善冲压成形工 艺条件或相关技术措施。 4 第1 章绪论 1 9 6 5 年m a r c i n i a c 与k u c z y n s h i 假设板料厚度存在不均匀性，即板料局部在厚度 方向具有显微沟槽，在双向拉应力作用下，这些沟槽将会转变成为诱发板料产生集中 性颈缩的根源【。借用这种假设，他们从理论上推导出板料发生集中性颈缩失稳时的 力学条件，即m k 理论或称沟槽理论，同时还对这种理论进行了试验验证。m k 理 论的提出，解决了h i l l 集中性颈缩失稳理论和s w i f t 分散性颈缩失稳理论在双向拉应 力条件下存在的矛盾。 总之，上世纪5 0 6 0 年代是对板料冲压成形性能( 抗破裂性) 研究的大发展时期， 在这个时期，研究性质从经验上升到理论，研究方法从理论发展到应用，对冲压成形 技术进步发挥了极大的推动作用，特别是在上述研究的基础上，进一步涌现出许多具 有重要价值的理论和应用性研究成果。进入7 0 年代，研究板料抗破裂性的各种模拟 成形实验方法日臻成熟，许多学者开始把视角转向扳料的抗破裂性能与常规力学性能 ( 包括n 、r 值) 之间的关系0 1 , 1 2 】，并希望籍助这种关系，推动冶金行业与板料冲压生产 尤其是与汽车工业相互协作，推动冶金技术面向冲压行业和汽车工业求取更大发展。 在此方面，日本钢铁工业与汽车工业的通力协作是一个典范，它们共同促成日本汽车 钢板生产技术领先于世界的辉煌成就。这种协作关系在很大程度上受益于自3 0 年代 开始，从福井伸二到吉田清太乃至更下一代的学者对板料冲压成形性能锲而不舍的数 十载执著研究，以及吉田清太本人的组织能力和学术造诣。从7 0 年代中后期至今， 对板料抗破裂性的研究开始朝向更为广泛的领域发展，如从位错结构出发或利用损伤 力学及破坏力学方法，研究板料发生颈缩前的极限应变等。特别是1 9 8 0 年，美国康 奈尔大学教授n ww a n g 提出利用数值模拟方法分析板料拉深成形过程同时结合实 测f l d 设计板料拉深成形工艺 i ”，并实时预测冲压成形缺陷以及综合修订拉深成形 工艺条件的概念，把冲压成形性能研究及其应用与计算机模拟技术和现代设计方法联 系在一起，目前这种概念已经在复杂的汽车覆盖件冲压生产中得以实现和运用，有关 技术已经软件化，如美国e t a 公司的d y n a f o r m 板料专用成形软件，我国自然科学基 金会1 9 9 7 年亦将类似技术研究作为年度重大项目给予资助，湖南大学也于前年独立 开发出这类技术软件，并通过了鉴定。此外，吉田清太博士临终前不久，还站在“场” 的高度上来考虑板料的冲压成形性能 1 ，只是由于他的猝然离世，而未能使这一学术 观念得以展开。从目前的材料科学及工程技术发展来看，将冶金技术与冲压成形技术 相结合，利用遗传工程算法和神经网络方法，交叉材料学与材料加工技术知识，从微 第1 章绪论 观到宏观综合研究、预测并应用板料的抗破裂性能，积极研究开发各种新型冲压板材 以及汽车车身板材，极有可能成为今后板料成形性能研究的一个新方向。 1 3 冲压成形极限及其实验和理论研究方法 成形极限是板料成形领域中一个十分重要的性能指标和工艺参数，它反映了加工 过程中，板材在塑性失稳前所能取得的整体或局部最大变形程度”】。2 0 世纪，人们提 出过许多评定板材成形极限的方法和指标，它们大多已经成为设计冲压成形工艺的参 数，如拉深系数、极限胀形高度、最小弯曲半径等。在所有冲压成形极限研究中，最 具科学价值的当属k e e l e r 和g o o d w i n 提出的成形极限图( f l d ) ，目p f l d 不仅具有较为严 格和不断发展的工程塑性理论支持，而且还可以把它作为研究或判别实际冲压成形失 稳的工具。 f l d 的一般形式如图1 1 所示，常用于确定f l d 的实验方法和理论计算方法如下所 述。 - - _ * j 毛 图1 - 1 冲压成形极限图( f l d ) 【”l f i g 1 - 1f o r m i n gl i m i td i a g r a m 1 3 1f l d 的实验检测方法 1 3 1 1 拉胀实验法 这种方法以板材在双向或单向拉应力作用下胀形颈缩或破裂作为判椐确定板材 在不同应变路径下的表面极限应变e l l i 。、2 帅，并最终在2 一e ：i 表面应变坐标系中将 它们绘制成曲线或条带形区域。 最常用的拉胀实验方法是日本学者n a k a z i m a 在1 9 6 8 年提出的，即半球头刚性凸模 第1 章绪论 胀形法( 图l 2 ) ，以后又有人用液压胀形法予以实现。这类方法的主要特点是：通过设 计不同的试样宽度和材料的几何约束改变拉胀应力应变状态，以获取f l d 左边部分； 通过设计模具和试样之间不同的摩擦接触状态，形成不同的双向拉应力和双向伸长应 变状态，以获取f l d 右边部分。 图1 - 2 半球凸模胀形法【”】 f i g 1 - 2s t r e t c h i n gt e s tw i t hs e m i b a l lp u n c h 该试验方法已经被美国汽车工程师学会( s a e ) 和国际标准化组织( i s o ) 接受，他们 分别制订了s a ej 8 6 3j u n 8 6 “金属板材冲压塑性变形测试方法”、i s o t c1 6 4 s c 2 n 2 5 3 1 9 9 3 “金属板材一成形极限图测试指南”两个标准【1 7 】。我国锻压标准化技术委员 会仿效参照i s o 标准，提出并制订 v g b f r1 5 8 2 5 8 1 9 9 5 “金属薄板成形性能与试验方 法成形极限图( f l d ) 试验”。 1 3 1 2 平底凸模拉胀实验法 使用半球头刚性凸模胀形确定f l d 的实验方法简单易行，但检测到的表面极限应 变受成形凸包影响具有弯曲性质。为了解决这一问题，m a r c i n i a k 等人在提出m k 理论 的同时，还提出了图1 3 所示的平底凸模拉胀实验法，国外习惯称为“i n - p l a n e ”法。使 用这种方法时，需要在平底凸模和板材试样之间夹衬环状摩擦垫促进试样发生双向拉 应力，改变衬垫可以获得不同的双向拉应力组合及其极限应变。一般来讲，这种实验 方法只能用来测定f l d 的右半部分，所以后来虽经许多人不断改进这种实验方法，但 始终未能获得广泛应用。 除了以上两种实验方法外，还有人提出采用十字形板材试样的双向拉伸实验法 ”，受机械设备限制，一直未能很好发展，直到近年才取得了一些突破，并得到应用。 随着实验设备精密制造及计算机控制技术的发展，十字形试件双向拉伸试验方法将成 为研究复杂加载应变路径最为方便的方法，尤其是它可以直接计算得出应力、应变数 第1 章绪论 值。现在的主要研究重点是十字形试件的优化设计。 哺蛐扦 l 瞩口【) e 图1 - 3 平面法模型设置“ f i g ，1 3m a r c i n i a ki n p l a n et e s ts e t u p 1 3 2f l d 的理论计算方法 传统上可以使用m i s e s 屈服准则、h i l l 4 8 正交塑性各向异性屈服准则，以及分散 性颈缩和集中性颈缩两种塑性失稳准则，从理论上计算和确定体心立方晶格的铝镇静 低碳薄钢板的f l d ，但对于面心立方的铝合金板材来讲，需要改用h i l l 7 9 、h i l l 9 0 、 h i l l 9 3 塑性各向异性屈服准则以及b a r l a t 和h o s f o r d 屈服准则等。如图1 4 所示采用计算 出来i f 钢板的理论f l d 与试验f l d 的比较。 n 一 ，歹 弋 ：手i 篙ii 父i 。_ 嚣粼。 t。 1 幅l n o f s w a i ne 2 图1 - 4i f 钢板理论计算f l d 与试验f l d 的比较 1 9 f i g 1 4t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf l do f i fs t e e l 需要说明，迄今为止无论采用何种理论计算确定板材的f l d ，计算结果经常都会 与实验结果之间具有较大误差。笔者认为，这是由于传统的、经典的工程塑性理论假 设条件所致，解决这种问题的方法一方面有赖于工程塑性理论不断发展、提高和完善， ( 如各种屈服准则、硬化理论以及失稳准则和判据等) ，另一方面则可以借助于有限元 数值分析方法等进行探讨。 1 3 3 成形极限图的有限元研究的进展 第1 章绪论 近些年来，国内外学者积极开展利用数值模拟技术准确地预测板料成形过程断裂 现象，利用有限元研究成形极限的理论主要采用连续力学方法以及损伤力学方法，文 献2 0 1 利用韧性断裂准则( d u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i o n ) 积极开展这方面工作，并取得了一些 成果。 随着有限元分析技术的飞速发展以及计算机性能的不断提高，一些商用有限元应 用软件系统己逐渐成为模具研究及板料成形工艺优化的强有力工具。板料成形过程的 有限元数值模拟在冲压成形方面具有明显的优势，在缩短产品设计、模具设计与调试 周期，降低产品成本等方面都发挥着至关重要的作用。如何迅速、准确地预测整个板 料成形过程可能出现的起皱、断裂以及不合要求的回弹等缺陷并确定一些重要工艺参 数，已成为板料成形技术发展的瓶颈问题 2 1 - 2 3 1 。同时，断裂作为成形极限，也一直是 板料成形技术研究的前沿问题之一。为了利用数值模拟技术预测板料成形过程中的断 裂现象，通常是在原有屈服函数和相关流动法则的基础上计算每一步的应力、应变场， 并引入适当的断裂准则进行判断，即预测成形极限。在板料成形过程中，把有限元数 值模拟和有效的断裂判断准则联系在一起，对于识别导致成形零件断裂发生的条件， 采取修改成形过程条件以生产出可靠的产品具有十分的重要意义。 1 4 本文选题、主要研究工作及研究意义 在板料冲压成形生产中，破裂、起皱和回弹是三大成形障碍，其中尤以破裂最为 致命。冲压破裂分为承载区破裂和变形区破裂两种主要形式，前者主要受冲压成形过 程中的工艺设计变量影响，如坯料形状和尺寸、压边力大小和作用部位，以及凹摸的 入口圆角等，人为地对这些变量加以修正或改善，问题就会获得解决。变形区破裂的 基因来源于冲压件的产品设计，冲压件的几何结构特征、尺寸大小以及它们与板材塑 性性能之间的关系，是影响变形区几何与物理性质的关键性因素。从大工业生产的专 业技术分工来看，这些因素不是冲压成形工艺人员所能决定和改变的，他们通常只能 依靠调整和优化冲压成形工步和冲压成形工艺参数这两种措施，从冲压件局部或细部 改变变形区域的分布状态，从冲压件局部或细部采取“节流”或“开流”方法抑制变形区 内的应变集中，进而才有可能使问题获得解决。然而，调整和优化冲压成形工步和冲 压成形工艺参数，需要预先知道冲压成形过程有无可能发生破裂，破裂可能发生在何 处，以及如何判断发生破裂的临界时刻。解决这些问题的传统方法是对模具、工艺条 件以及坯料形状和尺寸进行生产现场调试，调试不仅需要理论和经验指导，而且还要 第1 章绪论 花费大量工时并消耗浪费大量原材料。 随着数字化制造技术的蓬勃发展，虚拟设计和虚拟制造的概念已经广为制造业所 接受，在冲压成形生产中进行虚拟设计和虚拟制造的科学基础是有限元方法。利用有 限元方法，可以对冲压成形工艺全过程中的工艺设计变量和应力应变状态进行数值跟 踪和实时修改，并随时依据f l d 分析判断冲压成形工艺过程有无可能发生冲压破裂， 这种虚拟性质的冲压成形过程可以用图1 5 示意说明，诸如m s c m a r c 和d y n a f o r m 等 图1 5 利用有限元法和成形极限图进行c a e 冲压成形极限分析的流程图 1 7 】 f i g1 - 5t h ef l o wc h a no f f o r m i n gl i m i ta n a l y s i su t i l i z i n gf e ma n df l d 许多通用或专用的商品化非线性有限元软件，目前都已经具有该图所示的冲压破裂功 能。但是，软件中的f l d 数据必须由用户根据实验数据输入。 一般来讲，f l d 实验是一种操作繁复、 验，无论是i s o 还是国标规定的f l d 实验， 耗时、耗材的模拟性质的冲压成形性能实 其本质都属于冲压成形工艺技术中一种非 常经典的半球胀形工艺，因此虚拟设计和虚拟制造的概念同样适用于f l d ，因此利用 i o 第1 章绪论 有限元方法进行虚拟f l d 实验，是对虚拟冲压成形工艺的概念拓展，同时也是一种数 字化的材料性能检测新技术。基于这种技术思路以及当前铝合金车身板开发研究匮乏 成形性能数据的现状，本次研究选题为“a 1 一m g s i 基合金车身板材胀裂性能的研究”， 开展这一研究需要进行的主要技术工作如下。 对a 1 一m g s i 基合金车身板材进行设计与制备，并检测其力学性能。 对a 1 m g s i 基合金车身板材的胀裂性能进行实验研究，即对a 1 m g - s i 基合金车 身板进 t f l d 实验。 利用通用非线性有限元软件系统对a 1 m g s i 基合金车身板材进行胀裂数值模 拟，探讨虚拟f l d 的可能性与可行性。 采用试验的f l d 结果作为破裂的判据，对a 1 一m g s i 基合金车身板圆筒拉深、盒 形件拉深以及车门外板成形过程进行数值分析。 开展本课题研究的主要意义为：一方面了解和掌握a i m g s i 基合金车身板在拉胀 应力应变条件的抗破裂性能，为进一步提高和改善这类铝合金车身板的冲压成形性能 和质量提供实验数据；另一方面则以a 1 一m g s i 基合金车身板为对象，利用通用有限元 软件探讨虚拟f l d 实验方法的可能性。a 1 一m g s i 基合金车身板材作为一种新型车身材 料，它的冲压成形性能以及与其密切相关的各种冲压成形工艺参数，均需要大量物质 性的物理模拟试验和工艺模拟试验确定，这些工作无疑需要耗费大量人力、物力和财 力，因此将导致高昂的新材料开发费用。现代数学力学方法的不断开拓与创新，为包 括冲压成形在内的各种塑性加工问题的近似解析和精确解析奠定日益坚实的科学基 础，非线性有限元分析软件功能的不断完善和提高，正在为虚拟数字化的各种塑性成 形过程模拟和仿真创建日益实用的技术方法，因此可以预见在当前和未来的冶金工业 和冲压生产中，物质性的传统冲压成形性能物理模拟试验和冲压成形工艺模拟试验， 将有可能很快地被虚拟化的冲压成形性能数值模拟和冲压成形工艺数值模拟方法全 面替代或部分替代。基于这种理念，本文对虚拟板材冲压成形性能试验之一的胀裂试 验数值模拟与分析，研究a 1 一m g s i 基台金车身板材胀裂性能，同时为开发虚拟冲压成 形性能实验建立技术基础。 第2 章a i - m g s i 基合金车身板材制备的与力学性能 第2 章a i m g s i 基合金车身板材的制备与力学性能 2 1 板材的合金成分 2 1 1 合金元素对6 0 0 0 系铝合金组织和性能的影响 材料工作者试图从材料学的角度来提高6 0 0 0 系列铝合金的性能。6 0 0 0 系列 铝合金主要含有以下元素：s i 、m g 、c u 、m n 、t i 等。各合金元素的作用是综合 “2 4 。26 1 。 m g 、s i ：m g 、s i 是6 0 0 0 系铝合金中最重要的合金元素。它们在时效时能形成强 化相m 9 2 s i 。m 9 2 s i 经固溶淬火、时效处理后，以细小的析出相弥散分布于基体上， 有效地提高了材料的强度。文献 2 7 1 指出：每增加o 1 初生s i ，强度峰值增加 1 0 - 1 5 m p a ，延伸率下降0 2 5 。一定强度水平下，含初生s i 的合金延伸率最大。若 能在固溶温度下完全溶解，则每o 1 m 9 2 s i 可使强度峰值增加5 m p a ，同时延伸率有 少量增加。s i 能提高铸造流动性、耐磨性。m g 可使6 0 0 0 系合金具有热处理能力，同 时又能使合金保持良好的抗蚀性与可焊性【2 4 1 。在m g 、s i 完全固溶的极限以内，提高 固溶温度能提高强度和韧性瞄舯。 c u ：c u 也是6 0 0 0 系合金中重要的强化元素。c u 能提高合金硬度，控制好组 织也可提高合金的强度、疲劳性能、蠕变抗力。c u 降低合金的塑性和抗蚀性，同 时随着c u 含量的增加，合金的过烧敏感性增强。6 0 0 0 系铝合金中，若铜含量约 为镁含量的一半，而硅含量等于或大于镁含量，则合金的时效硬化主要是q 相 ( a 1 c u m g s i ) 的沉淀【2 训，此外还可形成c u a l 2 相。 m n ：m n 在变形铝合金中得到了广泛的应用。它可以中和f e 的有害作用【3 0 1 。随 着m n f e 比例减小，a 1 一( m nf e ) s i 弥散相尺寸增大。m n 弥散相以其在晶界的阻 塞作用使晶粒重结晶时细化。随着m n 的增加，再结晶阻力增大【3 甜。 文献1 3 3 j 研究t i 对铝台金力学性能的影响表明：当t i a l 3 硬质点呈针状、片状均匀 分布时，在提高耐热性的同时割裂了基体的联系，滋生出了裂纹源，同时t i a l 3 易偏 析，对常温强度和韧性影响大，t i 含量应限制在1 o 以下。t i 晶粒细化处理已成为 铝型材生产中的有机组成工序，人们对晶粒细化现象的认识也不断深化，提出了不少 观点和理论，企图阐明t i 细化机理，但遗憾的是，到目前为止还没有一种观点和理论 1 2 第2 章a 1 m g s i 基合金车身板材制备的与力学性能 能完全解释所有的细化现象p 4 】。 随着对s r 变质作用的深入研究与了解，s r 变质被越来越多的铸造厂家所接受。近 期的研究成果表明：在近共晶a l 。s i 合金中加入s r ，将显著增加枝晶旺的