（材料加工工程专业论文）高强钢板电磁成形实验研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 懒憾p 捌捌期 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展，节能减排以及安全使用性能已经成为汽车行业最为 关注的几大问题。汽车轻量化可以有效降低能耗，减少废气排放，高强度材料 的应用还能有效提高车身安全性。目前车身用高强度材料主要是高强度钢，减 少高强钢板厚度并不会对冲压件质量造成很大影响，使用高强钢后能保证车身 具有足够的强度和刚度，达到减重的目的。但高强钢板屈服强度和抗拉强度较 高，在成形过程中比普通钢板更易出现破裂和回弹，零件尺寸和形状稳定性变 差。因此，高强钢板的成形技术研究是提高其成形性能和扩大其应用的主要途 径。 电磁成形是高速率成形的一种，通过瞬间释放能量的脉冲载荷作用使金属 成形，与常规成形相比可以很大程度上提高材料的成形性能，同时改善板料上 的应变分布。 本文以宝钢生产的深冲无间隙钢b 1 7 0 p 1 和烘烤硬化钢b 1 8 0 h 1 为研究对 象，首先通过准静态下的拉伸实验获得两种钢板的冲压性能参数，然后对不同 宽度的钢板进行静态拉伸实验和杯突实验获得两种钢板在准静态下的成形极限 图；通过电磁成形实验，得到两种钢板的变形高度数据，分析了驱动片厚度、 放电电压和放电电容对其成形性能的影响规律；通过测量应变数据，比较了准 静态和电磁成形条件下两种钢板在均匀变形阶段应变分布。 在电磁场有限元模拟中，首先对放电电路进行模拟，并比较不同参数下的 电流值；然后建立双螺旋平面板线圈的3 d 有限元模型，通过对有限元模型的 电磁场分析，得到板料在放电成形过程中的感应电流、磁场强度和电磁力的分 布规律。 关键词：电磁成形，高强钢板，成形性能，电磁场分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 黝t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y , s e v e r a lm a j o rp r o b l e m sw h i c h t h ea u t o m o b i l ec o n c e r n e da r ee n e r g ys a v i n g ，s a f e t ya n ds e r v i c ep e r f o r m a n c e t h e l i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l ec a nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s e f f e c t i v e l y , a n dt h ea p p l i c a t i o no fh i g hs t r e n g t hm a t e r i a l sc a ni m p r o v et h es a f e t yo f t h ea u t o m o b i l eb o d y c u r r e n t l y , t h em a i nh i g hs t r e n g t hm a t e r i a lo ft h ea u t o m o b i l e b o d yi sh i g hs t r e n g t hs t e e l r e d u c i n gt h et h i c k n e s so fh i g hs t r e n g t hs t e e ls t a m p i n g p a r t sw i l ln o th a v eg r e a ti n f l u e n c et ot h eq u a l i t yo fs t a m p i n gp a r t s t h ea u t o m o b i l e b o d yw i l lh a v es u f f i c i e n ts t r e n g t ha n ds t i f f n e s sb yu s i n gh i g hs t r e n g t hs t e e lt ol o s s w e i g h t h o w e v e r , t h ey i e l da n dt e n s i l es t r e n g t ho fh i g hs t r e n g t hs t e e la r eg r e a t d u r i n gt h ef o r m i n gp r o c e s s ，t h eh i g hs t r e n g t hs t e e lw i l lp r e s e n te a s i e rr u p t u r ea n d g r e a t e rs p r i n g b a c kt h a nt h eo r d i n a r ys t e e l ，a n dt h es t a b i l i t yo f t h es i z ea n ds h a p ew i l l b ew o 硌e n e m f o m ，t h er e s e a r c ho fh i g h - s t r e n g t hs t e e lf o r m i n gt e c h n o l o g yi st h e m a i nw a yt oi m p r o v ei t sf o r m a b i l i t ya n de x p a n di t sa p p l i c a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gi so n ek i n do fh i g hv e l o c i t yf o r m i n g ，w h i c hr e l e a s e e n e r g yi nas h o r tt i m ea n dm a k et h em e t a lf o r m i n gw i t hi m p u l s ei m p a c tp r e s s u r e c o m p a r e d t ot h ec o n v e n t i o n a lf o r m i n g ，t h ef o r m a b i l i t yo fm a t e r i a l sa n dt h es t r a i n d i s t r i b u t i o no nt h es h e e tc a ng r e a t l yi m p r o v e d i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c t sa r ed e e pd r a w i n gs t e e lb 1 7 0 p 1a n db a k e h a r d e n i n gs t e e lb 18 0 h 1t h a tp r o d u c e db ys h a n g h a ib a o s h a ng e n e r a li r o na n ds t e e l w o r k s f i r s tt h es t a m p i n gf o r m i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yt h eq u a s i s t a t i c t e n s i l ee x p e r i m e n t s ，t h e nt h eq u a s i - s t a t i cf l d ( f o r m i n gl i m i td i a g r a m ) w e r eg o tb y q u a s i - s t a t i ct e n s i l et e s tw i t hd i f f e r e n tw i d t ho ft h ep l a t ea n de r i e h s e ne x p e r i m e n t s ； t h ed a t e so ft h ed e f o r m a t i o nh e i g h tw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ee l e c t r o m a g n e t i c f o r m i n ge x p e r i m e n t s ，t h e nt h ei m p a c to ft h et h i c k n e s so fd r i v i n gd i s k , t h ed i s c h a r g e v o l t a g ea n dt h ed i s c h a r g ec a p a c i t yw e r ea n a l y z e d a n dt h es t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h e u n i f o r md e f o r m a t i o ns t a g ew a sc o m p a r e du n d e rt h eq u a s i - s t a t i cc o n d i t i o nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gc o n d i t i o n i nt h es i m u l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , t h em a g n i t u d eo fc u r r e n tw e r e - - 武汉理工大学硕士学位论文 c o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r st h r o u g ht h ec i r c u i t ss i m u l a t i o n ；t h e nt h e3 d f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ed o u b l es p i r a lf l a tc o i lw a se s t a b l i s h e d t h ed i s t r i b u t i o n s o fi n d u c t i v ec u r r e n t , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , e l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo nt h e s h e e tw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ，h i g hs t r e n g t h s t e e l ， f o r m a b i l i t y , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s m 一 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t】口【 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 高强钢2 1 2 1 汽车用高强钢板的分类及特点3 1 2 2 礤钢和b h 钢的特点及研究现状4 1 3 电磁成形的工艺特点8 1 4 电磁成形研究的最新进展。9 1 5 本文选题意义及研究内容13 1 6 本章小结1 4 第2 章实验方案及工装设计1 5 2 1 实验方案1 5 2 2 电磁成形工艺影响因素1 5 2 2 1 工件毛坯15 2 2 2 模具16 2 2 3 线圈种类。1 7 2 2 4 电磁成形储能能量2 0 2 3 电磁成形实验设备及工作线圈设计2 0 2 3 1 电磁成形设备及参数2 0 2 3 2 初始线圈设计2 1 2 3 3 线圈的封装。2 3 2 3 4 实验用模具设计2 3 2 4 本章小结2 5 第3 章高强钢板材的准静态成形极限研究2 6 3 1 引言2 6 3 2 拉伸实验2 6 3 2 1 实验材料2 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 性能参数测定2 7 3 2 3 钢板冲压性能分析2 8 3 3 准静态胀形实验2 9 3 3 1e d c h s e n 值2 9 3 3 2 成形极限图及其应用3 0 3 3 3 网格测量应变方法31 3 3 高强钢板准静态下成形极限图3 3 3 3 1i f 钢板准静态成形极限图3 3 3 3 2b h 钢板准静态成形极限图3 4 3 4 本章小结3 6 第4 章高强钢板条电磁成形实验3 7 4 1 工件毛坯及驱动片的设计3 7 4 1 1 毛坯的选择3 7 4 1 2 驱动片的设计3 8 4 2 放电参数对板条变形的影响4 0 4 2 1 放电电压对板条变形的影响4 0 4 2 2 放电电容对板条变形的影响4 2 4 3 板料均匀变形阶段应变值分析4 4 4 4 本章小结4 8 第5 章电磁场有限元模拟。4 9 5 1 放电电流电路模拟4 9 5 1 1 放电电流电路模拟原理4 9 5 1 2 放电电流电路模拟分析。5 0 5 1 3 不同放电参数下电路模拟51 5 2 电磁场基本理论5 3 5 2 1 麦克斯韦方程5 3 5 2 2 电磁场中常用的边界条件5 4 5 3 电磁场有限元分析5 4 5 3 1 电磁场分析方法的选择5 4 5 2 3 模型的建立5 5 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 4 网格的划分5 8 5 2 5 加载边界条件和载荷及求解5 9 5 3 后处理6 l 5 5 本章小结6 4 第6 章结论与展望。6 5 参考文献6 6 致谢7 0 攻读硕士期间发表的论文7 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来汽车工业特别是中国汽车工业得到了迅猛发展，与此同时汽车工业 发展带来的环境与能源问题也日益严峻，其中汽车7 5 的能耗直接与车重有关。 研究表明，车重每减轻1 0 ，油耗可降低6 一- 8 t 1 1 。因此全球汽车生产商竞 相开发和利用新材料、新工艺以减轻汽车自重、降低燃油消耗、减少废气排放， 汽车轻量化已经为现代结构设计的主流趋势。随着汽车技术的发展，汽车轻量 化的实现主要有两种途径，一是优化汽车结构设计，二是使用轻量化材料。前 者经过不断研究开发，日趋完善，空间已相对狭窄。后者随着科学技术的发展 和新材料的不断涌现，为汽车轻量化开辟了广阔的空间【2 】。 轻量化材料是指在强度不减小，但是可以通过改变材料的厚度或者密度来 减轻车辆重量的材料，轻量化对车辆节能减排，安全级别以及成本控制都有影 响，而且关系到自然资源、能源和环境保护等诸多方面，汽车轻量化的已成为 汽车材料技术发展的重要方向。目前，轻量化材料主要有两大类：一是密度低 的轻质材料，像镁铝合金、复合新材料以及塑料件等；另一种就是高强度材料， 如车身用高强度钢板。 钢铁仍是汽车制造的主要材料，但其内涵却发生了很大的变化，即由原先 的以软钢为主发展到以高强度钢为主，结合相关的先进钢铁加工技术的使用， 在实现汽车轻量化的同时，还提高了汽车车身的被动安全性和刚度等。随着国 内汽车工业的发展，对优质汽车用钢的要求越来越高，需求量也越来越大，上 海宝钢集团、武钢集团等企业也紧跟汽车工业的发展趋势，研究和开发了一系 列汽车高强度钢板。高强度钢的力学性能与普通低碳钢有很大差异，高强度钢 的屈服强度和抗拉强度都很高，随着强度增高，成形性能下降，比普通钢板更 易产生破裂、回弹，导致零件尺寸和形状稳定性变差，成形裕度降低【3 】。因此， 高强钢板成形的关键技术研究及开发是目前提高其成形性能和扩大其应用的重 要瓶颈问题。目前，国内外对高强钢的成形工艺进行了研究以改善其冲压成形 性能，提高成形精度【4 】。室温成形方面，日本j f e 公司正研究应用张力控制成 形或改变从冲压到弯曲的成型模以及用数字模拟优化工具形状的方法以减少回 弹；n k k 公司为解决高强钢板冲压开裂问题，在模具上开孔注入润滑油，以改 武汉理工大学硕士学位论文 善润滑等。由于常温时高强钢的变形范围窄，许多研究人员采用热成形工艺， 将材料加热到奥氏体温度区间时进行热冲压，其优点是材料变形抗力小、成形 极限提高、冲压成形性能得到改善。但设备投资大，模具设计和加工复杂，制 造成本较高。在国内，由于受到技术和设备的限制，相关方面的研究与应用开 展较为缓慢。 电磁成形由于材料动力响应的惯性、模具高速冲击带来的惯性减薄以及高 速率下材料本构关系的改变，可使得很多金属材料的成形性能得到改善，某些 难成形的金属材料在电磁成形下也变得容易成形。电磁成形还具有成型速度快、 成形精度高、无需传递介质、成形模具简单、加工能量易于准确控制及设备通 用性强等特点，是目前研究技术热点之一。虽然国内外学者对板材电磁复合成 形进行了一定的基础理论研究和工艺探索，但此技术刚刚起步，只进行了初步 的模拟试验和变形的准静态解析，总体上处于实验阶段，且研究对象均集中于 铝合金。而对高强钢而言，其应变率敏感性较强，高应变率条件下的应力应变 行为和铝合金有较大差异，因此带来工艺分析的复杂性；在电磁成形条件下， 高强钢板在高应变率变形条件下的应力应变行为、本构方程、微观组织的变化 对成形性能的影响等问题也待于研究。这些问题的解决对汽车覆盖件高强钢板 电磁成形机理有更全面的认识和理解。 本课题以宝钢生产的含磷高强礤钢板b 1 7 0 p 1 和烘烤硬化高强钢板 b 1 9 0 h 1 两种车身覆盖件高强钢板为主要研究对象，研究高强钢板材电磁成形 对其成形性能的影响，在分析电磁复合成形基本理论的基础上，设计高强钢板 材电磁成形的工艺路线和实验工装；通过系列高强钢板材电磁成形试验，研究 电磁成形条件下的成形极限；改变电磁成形主要放电参数，研究电参数变化对 成形性能的影响规律。 1 2 高强钢 现代车身制造中镁铝合金和高性能复合材料等轻质材料的应用虽然不断增 加，但主导地位的依然是钢铁材料，但是不同材质的使用比例在变化，中低强 度钢和铸铁的应用比例不断下降，而高强度钢板得到越来越多的应用。一般将 屈服强度高于2 1 0 m p a 的钢板称为高强度钢板，与普通中低强度钢板比较，高 强钢强度高，用于车身可以减少质量，降低车本，在汽车碰撞测试中能够保证 车辆的安全指标，因此汽车轻量化主要取决于高强钢材料的使用量。高强钢现 武汉理工大学硕士学位论文 在主要用于汽车车身、悬架、底盘、转向等汽车零部件，在车身制造过程中， 使用高强钢板代替传统的钢板，车身自重可以减少3 0 4 0 ；使用高强钢材 料加工的传动轴类零件可以减轻1 0 的质量【5 】。 汽车行业在近3 0 年的发展中，高强度钢板的应用已经成为汽车轻量化的主 导方向，高强钢板屈服强度高，减少钢板的厚度后，在后续冲压过程中不会对 冲压件质量造成很多影响，但最重要的是冲压件的强度得到保证。而高强度钢 板强度的提高进一步减少钢板厚度，因此可以在保证车身安全性的前提下降低 车身自重。研究显示，在高强钢在汽车制造中应用发展过程中，钢板厚度减少 0 0 5 r a m 、0 1 0 r a m 、0 1 5 r a m 时，车身可以减少6 、1 2 、1 8 的质量【6 j 。在现 代乘用车生产过程中，车身结构主要有四种型式，分别为独立式钢质车身、组 合式钢质车身、钢质立体框架和铝质立体框架，铝制立体框架虽然能最大限度 降低车身质量，但是成本较高，在一般普通乘用车上，主要还是钢铁材料骨架， 在使用高强钢后，能保证车身具有足够的强度和刚度，达到减重的目的，因此 全球主要汽车制造企业都对车身骨架结构的改造进行了大量的研究。 目前的研究调查显示，欧洲车身高强钢使用量占汽车白车身重量7 0 左右， 日本、美国车身高强钢使用量占汽车白车身重量5 0 - - 6 8 左右，而我国汽车制 造中，高强钢的平均使用比例只有4 5 左右，但随着中国汽车行业迅猛发展， 车辆的安全性和省油性使得高强钢在车身的应用越来越多，预计到2 0 1 2 年高强 钢的使用比例能到5 0 左右。 1 2 1 汽车用高强钢板的分类及特点 汽车用高强钢板按强度分可以高强度钢板( i - i s s ) ，先进高强度钢板( b l i s s ) 和超高强度钢板( d h s s ) ，主要指标是钢板的屈服强度，高强钢板屈服强度通常 在2 1 0 5 5 0 砌a 之间，而大于5 5 0 m p a 的称为超高强度钢板，先进高强度钢的 屈服强度一般在3 5 0 m p a 以上，覆盖与两者之间。 按照强化机理可以将高强钢板分为普通高强度钢板和先进高强钢板。普通 高强钢板主要通过弥散固溶强化来提高强度，主要有高强度低合金钢( h s l a ) ， 碳锰钢( c m n ) ，各向同性钢( i s ) ，含磷钢( p ) ，高强度无间隙原子钢( i f ) 和烘烤 硬化钢( b h ) ；先进高强钢主要采用相变强化来提高强度，主要有马氏体钢( m ) ， 贝氏体钢) ，复相钢( c p ) ，相交诱导塑性钢( t a w ) 和孪生诱导塑性钢( t w l e ) 等。 汽车用钢板主要包括结构件用钢板和覆盖件用钢板两种主要类型，其中覆 武汉理工大学硕士学位论文 盖间用钢板的使用量大、种类多、对板材的性能要求相对较高。汽车覆盖件具 有材料相对厚度小、形状复杂、结构尺寸大、尺寸精度和表面质量要求较高等 特点，且大多数是由复杂的空间自由曲面组成，因为成形难度大，工艺要求高。 汽车覆盖件用高强度钢板主要包括高强度无间隙原子钢、烘烤硬化钢、各向同 性钢和一些低强度级别的双相钢系列，随着国内汽车工业的发展，对优质汽车 用钢的要求越来越高，需求量也越来越大，上海宝钢集团、武汉武钢集团等企 业也紧跟汽车工业的发展趋势，研究和开发了一系列高强度钢板。 1 2 2l f 钢和b h 钢的特点及研究现状 本文研究的为i f 钢和b h 钢两种，因此主要介绍这两种钢的特点和研究现 状。 钢( i n t e r s t i t i a l f r e es t e e l ) ，即高强度无间隙原子钢，m 钢在退火织构增 加，r 值可以提高至2 0 ，屈服强度小，屈强比低，具有比较好的深冲和延展性 能和非时效性，在加工时有比较好的抗薄和抗应变强化性能，可以加工变形程 度较高的难冲压件，如侧围外板、外门、轮罩等同，对于比较复杂的结构件也 可以用伍钢进行加工，因此在汽车行业得到广泛的应用【8 】。 巧钢是在钢中加入n 等合金元素，并采用真空除气措施，使钢中c 和n 含量在0 0 1 以下，c 和n 由t i 或n b 固定，钢中基本不存在间隙固溶原子， 铁素体也可以深层次净化，巧钢的强度通过在基体中添加p 、m n 和s i 等元素 起到固溶强化的作用来达到，但是含p 在深冲后容易出现二次加工脆性，因为 p 容易产生偏析使晶界偏析，实际中可以加入少量b ，抑制p 的偏析【9 】，有时候 通过控制卷取温度来改善其二次加工脆性【l o l 。在i f 钢的生产发展过程中，发现 在i f 钢中添加少量的c u ，通过控制卷取温度，可以使铜固溶在钢中，这样 可以生产强度和成形性能俱佳的高强钢板【1 1 】。 一般根据钢中添加合金元素的不同将环钢分成三类：t i - i f 钢、n b - i f 钢和( n b + t i ) - i f 钢。对t i - i f 钢性能产生影响的析出物一般在加热和热轧阶段 就产生，所以工艺参数对其影响不大，但是t i - i f 钢平面各向异性大，镀层抗 粉化能力比较差，一般不用于镀锌处理；n b - i f 钢对工艺参数比较敏感，因为 其析出过程一般在热轧或者退火阶段，但其各向异性值低；( n b + t i ) - i f 结合了 前两种的优点，适合于生产高强钢板和热镀锌板。 b h 钢( b a k e d h a r d e n i n gs t e e l ) ，即烘烤硬化钢，在生产过程中和环钢一 武汉理工大学硕士学位论文 样，通过添加p 和m n 等元素起到固溶强化作用来提高强度。在冲压加工过程 中的加工硬化产生的应变时效强化和烤漆阶段的固溶强化作用，使其的强度和 成形性能俱佳，是一种理想的汽车用钢板，一般用于车门、侧围、顶板和底盘 以及其他一些汽车零部件上【1 1 1 。 b h 钢中合金元素n 和n b 比i f 钢中低，因此钢中还有微量的c 和n 没有 被固定，形成一定数量的间隙原子，由于间隙原子比较少，并不影响冲压时的 性能，在冲压时其屈服强度比较低，成形性能和普通碳钢类似；在烤漆过程中， 加热过程相当于微弱的热处理过程，间隙原子会产生时效反应，在之前冲压变 形过程的时候钢的位错密度增加，这时间隙原子会向位错附近扩散，相当于对 位错起到钉扎作用，在这以过程中的固溶强化，宏观上表现钢板的屈服强度会 一定程度上提高，零件的表面抗凹性提高。 由于环钢和b h 钢的广泛应用，国内外的研究机构对两种钢板开展了不同 的研究，包括不同应力状态下钢板的成形极限；不同应变速率以及应变路径对 其成形性能的影响；材料的显微组织结构对其材料特性的影响以及不同退火工 艺下钢板性能的区别等。 r n a r a y a n a s a m y 等t 1 2 】研究了热镀锌i f 钢和b h 钢板材在不同应力条件下的 应变极限，并通过微观结构图显示热镀锌钢板为材饼状晶粒结构而且钢 结构为完全再结晶晶粒，更适合于成形加工，由于i f 钢具有更好的n 值、r 值， 其拉伸性能也比较好，b h 钢为链状微观结构，不利于成形。通过比较而言， 热镀锌巧钢板材的综合性能更优，更适合用于汽车车身结构。e b a y r a k t a r e 等 【1 3 】通过标准拉伸测试、有凹口拉伸测试以及夹式拉伸测试来预测成形参数对 钢、b h 钢在成形过程中对其变形行为的影响，主要得出不同型号钢、b h 钢的f l d 的比较。s b k i m 等【1 4 】通过高速率拉伸测试研究了高速率下车身用板 材的成形极限，结果显示，高速率下板材的成形极限相对于静态成形有一定的 提高，应变速率对成形性能的影响尤为明显。m a l as e t h 等1 1 5 】在应变速率为 5 0 2 0 0 m s 范围内研究了钢板在动态冲击下的成形性能，结果显示，高速率冲 击下板材的屈服应力增加，冲击作用使板材的延伸率提高。s t h u i l l i c r 等【1 6 j 研 究了b h 钢板在拉伸和剪切应变路径下淬硬性特性，动态淬硬性采用h i l l 各向 异性弹塑性模型来反映等效塑性应变，在预加应变后改变剪切方向。各向同性 和动态影响主要通过装卸拉伸试验数据得出，并与简单剪切试验对比。结果显 示，应变加载路径不同，但对淬硬性作用的结果在同一数量级上。a u e n i s h i 等【1 7 】研究了礤钢在复杂应变路径下以及应变速率变化下的本构模型，结果显示 武汉理工大学硕士学位论文 i f 钢在应变速率跳跃后流变应力变大，主要是由于大应变率下导致的热软化， 在应变率产生跳跃后流变应力往往趋于新的应力应变曲线上的值，同时得出的 本构模型可以预测复杂应变路径或者应变速率变化下i f 钢的力学性能。m k u r o d a 掣1 8 】研究了i f 钢在应变速率为0 0 0 1 p 7 5 0 s 下的变形行为，在高应变 速率下，屈服极限明显上升，流变应力增加很明显，但i f 钢的塑性与低应变速 率下相比明显降低，文中采用一种基于位错密度以及热软化的本构模型来解释 i f 钢在高应变率下的塑性行为，通过高应变率下的颈缩变形以及上述本构模型 来模拟拉伸过程中的变形，结果显示，位错密度的变化与热软化作用对i f 钢在 高应变率下的加工硬化行为有直接影响，位错密度的变化在模型可以明显反映。 a u e n i s h i 等【1 9 】通过电镜扫描i f 钢在不同应变速率下变形后的试样来分析应变 速率以及应变速率跳跃对i f 钢微观组织的影响，结果显示在同一样品中有不同 类型的微观结构，这主要取决于晶粒取向，而且进一步的变形也取决于微观结 构的类型；在高应变率下，特别是应变率还不是很高的时候，位错密度会增加， 而且位错组织的阻碍作用也延迟很多。当应变率产生跳跃时，会导致微观组织 结构的位错密度会急剧增加，在宏观上表现为高应变率下试样横截面减小、温 度升高。在高应变率下，产生的较高的加工硬化主要与位错延迟有关，在应变 率跳跃后，产生的高加工硬化率可能是在位错密度增加后试样微观组织均匀分 配所导致。w c j e o n g 等【2 0 】研究了退火条件对1 5 m n 一0 3 m o 烘烤硬化低碳钢 烘烤硬化特性，微观组织以及晶粒结构的影响，当退火温度较高，冷却速度较 快的时候，微观组织主要为位错密度较高的贝氏体、铁素体，位错相的转变使 得在低温时的烘烤硬化以及抑制应变时效特性增大。高密度的位错结构使延伸 率降低，为了提高延伸率，必须优化工艺条件，可以通过在两相区退火时，控 制铁素体体积分数来加强y 纤维织构的强度。k d e n g h a n i 等【2 l 】采用动态一静态 烘烤硬化和动态烘烤硬化两种方法，将含0 0 6 t i 的i f 钢加热到9 0 0 ，并以 1 2 的速度冷却到室温，然后再1 0 0 2 5 0 温度范围内，以1 0 - 3 s q 应变速率拉伸 2 , - - 8 ，并进行动态烘烤硬化处理，测定处理前后的拉伸性能。结果显示，在 动态烘烤期间，动态应变时效导致加工硬化率和最终强度显著增加，对一定量 的固溶碳来说，动态和然后静态时效的钢，比用常规方法烘烤硬化的钢具有更 高的强度。 毕大森等 2 2 1 对b 1 9 0 h 1 和d c 0 4 两种钢板的成形性能进行了研究，b 1 8 0 h 1 的力学性能优于d c 0 4 ，成形性能不低于d c 0 4 ，且b 1 8 0 h 1 的烘烤硬化性能及 抗凹陷性能方面均优于d c 0 4 ，b 1 8 0 h 1 钢板的实冲壳体也具有良好的成形性能， 武汉理工大学硕士学位论文 还使用n a d d r g 模型对b 1 8 0 h 1 钢的成形极限进行了预测。曹圣泉等田j 运用 电子背散射衍射技术研究了两种退火工艺处理的i f 钢板的显微组织与二次加 工脆性间的关系，结果显示，两种退火工艺的i f 钢板在再结晶晶粒尺寸、显微 织构和晶界特征分布上存在很大的差异，这种差异导致了两种退火工艺的实验 钢板在深冲性能和韧脆转变温度上的差异。李立军等阱】利用透视电镜研究了m 钢在单向拉伸各阶段中的位错形成、增生、阻塞和滑移的演变过程，结果表明 第二相粒子对位错的阻塞作用是造成微裂纹产生和材料最终失稳的主要原因。 陈继平等【2 3 】采用光学显微镜和透射电镜分别对t i + 】妯超低碳烘烤硬化退火钢 板的金相显微组织以及析出、位错和亚结构进行观察，结果表明，t i + 超低 碳b h 钢退火板的组织主要为饼形的再结晶铁素体晶粒和一些伸长的饼形晶粒。 退火板中析出物分布比较细小弥散，对位错产生钉扎，起到了强化超低碳b h 钢基体的作用。退火板的铁素体晶界附近区域出现了无析出物区，有利于退火 板的屈服变形在较低应力状态下开始。张红梅等【2 6 硎研究了变形量、变形温度 对高强i f 钢应力一应变曲线及显微组织的影响，测定了变形量为3 0 、5 0 、7 0 ， 变形速率为1 0 s 一，变形温度分别为9 5 0 c 和8 5 0 的高强无间隙原子( i f ) 钢的 应力应变曲线，变形温度越高、变形量越大、铁素体晶粒越细小。当变形温度 和变形速率一定时，随压下量的增加，变形抗力增加；在铁素体区进行变形时， 动态软化行为明显大于在奥氏体区变形，且在高温区域铁素体区变形的流变应 力显著降低，同时随变形温度的下降，晶粒变得粗大。陈银莉等，赵虎等【2 8 捌 分别研究了超低碳( t i + n b ) - i f 钢板、超低碳烘烤硬化钢板组织性能和织构， 主要包括不同冷轧压下率条件下生产的冷轧板和退火板的织构，热轧、冷轧和退 火织构演变，退火板不同厚度处的织构。于燕等【3 0 】研究了高强度钢板强化机制， 并通过实验对b i f 3 4 0 、b h 3 4 0 两种钢板的强化机制进行探讨，对于b i f 3 4 0 钢， p 元素的固溶强化提高钢抗拉强度和屈服强度的作用，但使延伸率下降，同时在 冷轧退火时有f 0 2 t i ( p ) 相析出，而且此析出相非常细小，对组织有很重要的强 化作用；对于b h 3 4 0 钢，分析了烘烤硬化特性，并得出b h 3 4 0 钢板1 7 0 、 保温2 0 m i n 后，综合性能最好。段小平等【3 1 】研究分析了烘烤温度、烘烤时间、 预应变量等烘烤条件对超低碳烘烤硬化钢烘烤硬化性能的影响，结果显示，烘 烤温度小于1 4 0 时，b h 值随着烘烤温度的增加而显著增加，烘烤温度高于1 4 0 时，温度对其影响不大；2 预应变、1 4 0 烘烤条件下，超低碳钢的烘烤硬化 效应在数分钟内迅速表现出来，2 0 分钟内达到最大，随保温时间的继续增加，b h 值并无明显变化；预变形量对明值有一定的影响，大于2 的预变形反而会减弱 武汉理工大学硕士学位论文 烘烤硬化效应。叶卫平等【3 2 】研究了加热速率和形变量对巧钢再结晶温度的影 响，结果显示，i f 钢再结晶温度随加热速率的增加而提高，随变形量的增大而 降低。于风云等1 3 3 】研究了深冲i f 钢再结晶 1 1 1 ) 纤维织构形成机制，实验结果 显示，随着退火温度的增加，再结晶量逐渐增多，y 纤维织构强度亦相应增强， 同时，q 纤维织构强度则逐渐降低；冷轧i f 钢再结晶初期的织构转变主要发生 在y 纤维织构之间。刘明辉等【3 4 】研究了碳含量对i f 钢冷轧板力学性能的影响， 结果表明i f 钢存在微量固溶碳时，将对钢板织构的类型产生严重的影响，使 1 1 1 ) 织构急剧减弱， 1 0 0 增强，r 值下降，成形性能变差，还能导致钢板的 应变时效。另外，微量固溶碳会导致冷轧板晶粒细化，产生固溶强化，使钢板 屈服强度升高，屈强比升高，n 值下降。乔立峰等【3 5 】研究了退火工艺对高强细 晶i f 钢的显微组织与性能的变化规律，结果显示随着退火时间的延长，晶粒度 逐渐变大，当退火时间超过某一特定值时，晶粒度随时间的变化不大；由于铌系 析出物非常细小以及晶粒细化作用使试验钢具有较高强度和良好的伸长率。 1 3 电磁成形的工艺特点 电磁成形的基本原理如图1 1 所示，平板毛坯在线圈的下面，首先通过变 压器将交流电充入电容器c ，充到预设电压后，高压真空开关k 闭合，电容c 对线圈放电，放电电流为强脉冲衰减谐波电流，电流通过线圈时线圈周围产生 感应磁场b ，板料受到感应磁场b 作用产生感应涡流，感应涡流又生成感应磁 场b ，在b 和b 的作用下，平板毛坯受到背离线圈表面的电磁力，当电磁力 超过毛坯的屈服极限时，工件将产生塑形变形。在变形过程中，因为放电时间 比较短，电磁力的作用效果只是给板料施加一个动量，然后板料在惯性的作用 下向线圈表面的反方向运动。 c 图1 - 1 电磁成形基本原理 武汉理工大学硕士学位论文 电磁成形具有许多显著的优点，非常适用于某些特殊零件的生产，它于近 期获得较大的进展，电磁成形的主要优越性【3 6 】是： 1 、电磁成形可以对工艺参数和成形过程进行控制，便于生产的自动化和机 械化，而且电磁成形是高速成形，生产效率高，能达到普通冲压的效率。 2 、电磁成形用于成形部分的模具一般只需一个凸模或凹模即可，而且电磁 成形主要是靠板料在磁场作用下受到的电磁力产生变形，因此不会出现常规冲 压中压力超载损坏等问题，同时，电磁成形不需要润滑，不会造成污染，对加 工环境没有太大要求。 3 、电磁成形适用于加工电导率和磁导率较高的材料，如铜、铝等，对于电 导率磁导率差的材料，可以通过采用退火紫铜片等材料作为驱动片进行间接成 形。电磁成形可以用于不同材质材料之间的连接，而且对加工前零件无硬性要 求，成形后精度比较高。 4 、电磁成形主要是电磁力的作用，对毛坯表面不会产生损伤，材料的表面 处理可以在电磁成形前进行，电磁场具有穿透性，可以对有涂层的毛坯进行加 工，而且电磁力作用不会产生刚体模具冲击产生的局部减薄现象。 5 、电磁成形下的高速率作用，可以一定程度提高材料的成形极限，由于惯 性作用，可以抑制板料的起皱等问题，而且能改善板料上的应变分布，对于板 料冲压底部难成形区域可以使用电磁成形来改善。 电磁成形技术目前已广泛应用于平板毛坯成形、管件胀形、管件缩径、 连接、冲裁和粉末压实等各个加工领域。 1 4 电磁成形研究的最新进展 ms e t h 3 7 通过电磁胀环实验研究了电磁成形对材料成形性能的影响，并对 电磁成形工艺参数和边界条件进行了研究，参数选择合适时，电磁成形下的变 形程度远大于准静态成形。b r o s i u sa 等【3 8 】通过电磁管件成形研究了应变速率为 1 0 s 川时材料应变和应变速率之间的关系以及材料的屈服应力，结果显示，材料 的成形性能取决于材料的应变速率以及应变速率敏感性。x y h u 掣3 9 , 4 0 通过模 拟研究了板料动态拉伸和电磁胀环下不同应变速率下板料的成形性能，结果显 示，当应变速率到达临界值时，材料的延伸率增加，直到破裂，主要原因高应 变速率下板料的应力分布改变，延缓了颈缩的产生，即惯性作用是材料成形性 能提高的原因。j m i m b e r t 等【4 l 】通过铝合金板材电磁成形实验，研究了自由成 武汉理工大学硕士学位论文 形和有模成形对板料成形性能的影响，结果显示有模成形板料变形高度大于自 由成形，板料和模具的冲击作用提高了材料的成形性能。目前研究显示，材料 在高速率下成形性