CN101599094B - 一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的模型方法 - Google Patents

Abstract

一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的模型方法，涉及成形极限图的建立方法，按以下步骤进行：(1)测定TRIP钢板的厚度和应变硬化指数；(2)计算平面应变状态下相变诱发塑性钢板的极限应变值；(3)建立应变坐标系，将数据合成在坐标系上，建立该相变诱发塑性钢板的成形极限图。本发明是解决TRIP钢板料冲压问题的一个有效的工具，能成功预测TRIP钢板料失效，有效评价其成形性能，减少了现有建立成形极限图的测试工作量。

Description

一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的模型方法

技术领域

本发明涉及钢板成形极限图的建立方法，特别涉及一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的模型方法。

背景技术

TRIP(Transformation Induced Plasticity)钢又称相变诱发塑性钢，是近几年发展起来的一种高强度高塑性钢。用作汽车钢板可以减轻车重，降低油耗，同时有较强的能量吸收能力，能够抵御撞击时的塑性变形，显著提高汽车的安全等级，具有明显的优越性。板料成形是金属成形的一个重要组成部分，它在航空航天、汽车、轻工及家电等制造业中有着非常广泛的应用。在板料成形过程中，人们迫切需要知道板料能够承受的成形极限及在成形过程中发生破坏的时间和位置，以便采取措施加以避免。板料成形中的基本实验只能对板料的成形性能做出定性综合的一般评价，模拟实验又只能对少数典型工序，在较为单纯的条件下进行，故所得结果很难对复杂零件的成形性能做出确切的判断，也不能很好地处理生产中遇到的具体问题。而成形极限图(forming limit diagram，FLD)的出现为人们研究板料成形极限以及评价板料成形性能提供了基础，是解决板料冲压问题的一个有效的工具，能成功预测板料失效，有效评价其成形性能。成形极限图的获得通常采用标准的试验装置，通过改变试件的宽度和润滑条件，基于网格应变分析技术来获得极限应变数据。从关于成形极限图的测试方法可知，其测试方法虽然在不断的完善，但是总的来说还存在费工、费料和费时等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有建立板带材成形极限图需要标准试验装置、制备不同宽度尺寸试件和改变润滑条件等费工、费料和费时等缺点，本发明提供一种只需测定钢板的厚度和应变硬化指数就可以建立相变诱发塑性钢板成形极限图的模型方法，减少建立相变诱发塑性钢板成形极限图的测试工作量，成功预测相变诱发塑性钢板料失效，有效评价其成形性能。

实现本发明目的的技术解决方案如下：

1、测定相变诱发塑性钢板的厚度和应变硬化指数。

2、计算该相变诱发塑性钢板平面应变状态下的极限应变值，计算公式为：

${\mathrm{FLD}}_0=(23.3+\frac{360t}{25.4})\×\frac{n}{21}---\left(1\right)$

其中t为相变诱发塑性钢板的厚度，单位为mm；n为相变诱发塑性钢板的应变硬化指数；FLD₀为相变诱发塑性钢板平面应变状态下的极限应变值。

工程主应变和工程次应变的测试方法按国家标准GB/T15825.8-1995《金属薄板成形性能与试验方法-成形极限图(FLD)试验》进行，工程主应变为e₁，工程次应变为e₂，当工程次应变e₂＝0时，成形极限图中平面应变区域的工程主应变e₁便是FLD₀；测得FLD₀与钢板厚度以及钢板硬化指数的关系如(1)式所示。

3、建立相变诱发塑性钢板成形极限图建立的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将根据公式(1)和(2)计算获得的数据合成在坐标系上，建立该相变诱发塑性钢板的成形极限图。

成形极限图中工程次应变e₂＜0的部分为左半区域，工程次应变e₂＞0的部分为右半区域。

成形极限图的左半区域中，工程主应变(e₁)与工程次应变(e₂＝0)的关系等式如下：

e₂＜0时，e₁＝-e₂+FLD₀                (3)

即由平面应变点FLD₀在左侧引一条与横轴负方向夹角为45°的直线，构成成形极限图的左板区域。

成形极限图的右半区域中，在平面变形条件下，对于胀形区，在一定的应变比下，宽度方向的真应变与厚度方向的真实应变存在的相关用Cr表示为：

$\mathrm{Cr}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_w}{{\mathrm{\ϵ}}_t}---\left(4\right)$

ε_w为宽度方向的真应变，ε_t为厚度方向的应变；根据体积不变原理，长度方向的真应变ε_l与ε_w和ε_t之间，存在以下关系：

${\mathrm{\ϵ}}_l+{\mathrm{\ϵ}}_w+{\mathrm{\ϵ}}_t=0\⇔{\mathrm{\ϵ}}_l=-{\mathrm{\ϵ}}_w(1+C_r)/C_r---\left(5\right)$

根据工程应变和真实应变的关系ε＝ln(1+e)，可以得到以下关系式：

$\ln (1+e_1)=\ln {(1+e_2)}^{-(1+C_r)/C_r}---\left(6\right)$

上式中设 ${(1+e_2)}^{-(1+C_r)/C_r}=C_1{(1+e_2)}^C,$ 由上式推导可得工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

e₁＝C₁×(1+e₂)^C-1                    (7)

其中C为常数。从成形极限图可知，当e₂＝0时，e₁＝FLD₀，从而可得常数C₁＝1+FLD₀。于是由公式(7)可得：

e₁＝(1+FLD₀)×(1+e₂)^C-1              (8)

选用典型TRIP钢的FLD₀数据，通过最小二乘法原理进行拟合分析得到C≈0.5。

从而成形极限图右半区域的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

e₂＞0时，e₁＝(1+FLD₀)×(1+e₂)^0.5-1               (9)

工程主应变和工程次应变的测试方法按国家标准GB/T15825.8-1995《金属薄板成形性能与试验方法-成形极限图(FLD)试验》进行，工程主应变为e₁，工程次应变为e₂，当工程次应变e₂＝0时，成形极限图中平面应变区域的工程主应变e₁便是FLD₀；测得FLD₀与钢板厚度以及钢板硬化指数的关系如(1)式所示。

上述的相变诱发塑性钢板应变硬化指数的测试方法为：通过单轴拉伸实验测得其工程应力应变曲线，在5％至35％的均匀塑性变形范围内将其转变为真应力应变曲线，真应力与真应变关系式为：

σ＝k·εⁿ                 (10)

上式中，σ为真应力、ε为真应变、n为相变诱发塑性钢板的应变硬化指数、k为系数，将式(10)转变成对数方程：

lnσ＝lnk+nlnε            (11)

在双对数坐标平面上的直线的斜率即为相变诱发塑性钢板的应变硬化指数n。

本发明通过模型方法建立相变诱发塑性钢板的成形极限图，该方法是解决TRIP钢板料冲压问题的一个有效的工具，能成功预测相变诱发塑性钢板料失效，有效评价其成形性能。模型方法只需测定钢板的厚度和应变硬化指数就可以建立相变诱发塑性钢板成形极限图，减少了现有建立成形极限图的测试工作量。

附图说明

图1为本发明实施例1中的成形极限图的模型计算结果和实验结果对比图；

图2为本发明实施例2中的成形极限图的模型计算结果和实验结果对比图；

图3为本发明实施例3中的成形极限图的模型计算结果和实验结果对比图；

图4为本发明实施例4中的成形极限图的模型计算结果和实验结果对比图；

图中a为实验数据，b为建立的模型。

具体实施方式

本发明实施例中TRIP钢板的制备方法分为两种：1、将低碳低硅钢冶炼成钢锭，成分按重量百分比为含C0.18～0.20％，Mn1.30～1.45％，Si0.60～0.70％，Al0.50～0.60％，P≤0.009％，S≤0.007％，Nb≤0.040％，余量为Fe。钢锭经1200℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料。热轧至3.5mm厚，再冷轧至1.0mm厚，获得冷轧钢板，将冷轧钢板在800℃的氯化盐中保温5min，然后淬入温度为400℃的硝酸盐中保温5min，空冷至室温，制备成TRIP钢板。2、将低碳高锰钢冶炼成钢锭，其化学成分C600ppm，Mn23.8％，Si3.0％，Al2.7％，余量为Fe。钢锭经1150℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料。热轧至5.0mm厚后再冷轧至1.0mm厚。将冷轧钢板加热到1100℃保温15min，然后水冷至室温，制备成TRIP钢板。

本发明实施例中工程主应变和工程次应变的测试方法为：按国家标准GB/T15825.8-1995《金属薄板成形性能与试验方法-成形极限图(FLD)试验》进行，实验设备为BCS-30D型通用板料成形试验机，试样为长度180mm，宽度分别为180mm、160mm、120mm、100mm、80mm、40mm和20mm的矩形试样，每组取3块，在试样上印制，网格形式为直径2.5mm相切圆。

通过成形试验机对试样进行胀形实验，至试样发生破裂，选择靠近裂纹区的网格作为临界网格点，拍摄至少一个二维影像图，采用ASAME自动应变测量系统将二维影像图处理成三维影像图，对临界网格圆进行分析，临界网格圆为试样上紧靠颈缩或裂纹的网格圆。

测量临界网格圆的长轴直径和短轴直径，然后根据以下公式计算工程主应变和工程次应变：

e₁＝(d₁-d₀)/d₀×100(％)              (12)

e₂＝(d₂-d₀)/d₀×100(％)              (13)

式中e₁为工程主应变，e₂为工程次应变，d₁为临界网格圆长轴直径，d₂为临界网格圆短轴直径，d₀为网格圆初始直径。

实施例1

首先制取相变诱发塑性钢板，方法是将低碳硅钢冶炼成钢锭，其成分按重量百分比为含C0.19％，Mn1.32％，Si 0.70％，Al 0.51％，P 0.0068％，S 0.0068％，余量为Fe。钢锭经1200℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料，热轧至3.5mm厚，再冷轧至1.0mm厚，获得冷轧钢板，将冷轧钢板切割成合理尺寸的小块，在800℃的氯化盐中保温5min，然后淬入温度为400℃的硝酸盐中保温5min，空冷至室温，制备成TRIP钢板。

测定该钢板的应变硬化指数n为0.323，t＝1.0mm，根据公式(1)计算得FLD₀＝0.576。建立相变诱发塑性钢板成形极限图的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

e₂＜0时，e₁＝-e₂+0.576

e₂＝0时，e₁＝FLD₀＝0.576

e₂＞0时，e₁＝(1+0.576)×(1+e₂)^0.5-1＝1.576(1+e₂)^0.5-1

以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将根据公式计算获得的数据合成在坐标系上，建立该相变诱发塑性钢板的的成形极限图。

对制备的TRIP钢板进行成形实验，实验结果与成形极限图的模型计算结果如图1所示。从此图可以看出，按模型关系式(2)计算的成形极限的左半支曲线(e₂＜0)、平面应变状态下的极限应变的FLD₀值(e₂＝0)和右半支曲线(e2＞0)与实验数据点的符合性都很好。从而表明本方法提供的建立成形极限图的模型方法能够准确地建立相变诱发塑性钢板的成形极限图。

从图1还可以看出，该TRIP钢板具有良好的成形性，其平面应变状态下的极限应变的FLD₀值分别为0.576。在成形曲线以上的区域是TRIP钢板将发生失效的区域，而在成形曲线以下的区域属于TRIP钢板的安全区域。

实施例2

首先制取相变诱发塑性钢板，方法是将低碳硅钢冶炼成钢锭，其成分按重量百分比为含C0.18％，Mn1.38％，Si 0.67％，Al 0.56％，P 0.0075％，S 0.0048％，Nb0.014％，余量为Fe。钢锭经1200℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料，热轧至3.5mm厚，再冷轧至1.0mm厚，获得冷轧钢板，将冷轧钢板切割成合理尺寸的小块，在800℃的氯化盐中保温5min，然后淬入温度为400℃的硝酸盐中保温5min，空冷至室温，制备成TRIP钢板。

测定该钢板的应变硬化指数n为0.325，t＝1.0mm，根据公式(1)计算得FLD₀＝0.580。建立相变诱发塑性钢板成形极限图建立的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

e₂＜0时，e₁＝-e₂+0.580

e₂＝0时，e₁＝FLD₀＝0.580

e₂＞0时，e₁＝(1+0.580)×(1+e₂)^0.5-1＝1.580(1+e₂)^0.5-1

以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将根据公式计算获得的数据合成在坐标系上，建立该相变诱发塑性钢板的的成形极限图。

对制备的TRIP钢板进行成形实验，实验结果与成形极限图的模型计算结果如图2所示。

实施例3

首先制取相变诱发塑性钢板，方法是将低碳硅钢冶炼成钢锭，其成分按重量百分比为含C0.20％，Mn1.45％，Si 0.61％，Al 0.58％，P 0.0083％，S 0.0050％，Nb0.036％，余量为Fe。钢锭经1200℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料，热轧至3.5mm厚，再冷轧至1.0mm厚，获得冷轧钢板，将冷轧钢板切割成合理尺寸的小块，在800℃的氯化盐中保温5min，然后淬入温度为400℃的硝酸盐中保温5min，空冷至室温，制备成TRIP钢板。

测定该钢板的应变硬化指数n为0.310，t＝1.0mm，根据公式(1)计算得FLD₀＝0.553。建立相变诱发塑性钢板成形极限图建立的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

e₂＜0时，e₁＝-e₂+0.553

e₂＝0时，e₁＝FLD₀＝0.553

e₂＞0时，e₁＝(1+0.553)×(1+e₂)^0.5-1＝1.553(1+e₂)^0.5-1

根据该公式建立该TRIP钢板的成形极限图。

对制备的TRIP钢板进行成形实验，实验结果与成形极限图的模型计算结果如图3所示。

实施例4

首先制取相变诱发塑性钢板，方法是将低碳高锰钢冶炼成钢锭，其化学成分C600ppm，Mn23.8％，Si3.0％，Al2.7％，余量为Fe。钢锭经1150℃保温1.5～2hr后，锻造成30mm厚的锻坯方料。热轧至5.0mm厚后再冷轧至1.0mm厚。将冷轧钢板加热到1100℃保温15min，然后水冷至室温，制备成TRIP钢板。

测定该钢板的应变硬化指数n为0.242，t＝1.0mm，根据公式(1)计算得FLD₀＝0.432。建立相变诱发塑性钢板成形极限图建立的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

e₂＜0时，e₁＝-e₂+0.432

e₂＝0时，e₁＝FLD₀＝0.432

e₂＞0时，e₁＝(1+0.432)×(1+e₂)^0.5-1＝1.432(1+e₂)^0.5-1

以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将根据公式计算获得的数据合成在坐标系上，建立该相变诱发塑性钢板的成形极限图。

对制备的TRIP钢板进行成形实验，实验结果与成形极限图的模型计算结果如图4所示。

Claims (1)

1.一种建立相变诱发塑性钢板成形极限图的模型方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)测定相变诱发塑性钢板的厚度和应变硬化指数；(2)计算该相变诱发塑性钢板平面应变状态下的极限应变值，计算公式为：

${\mathrm{FLD}}_0=(23.3+\frac{360t}{25.4})\×\frac{n}{21};$

其中t为相变诱发塑性钢板的厚度，单位为mm；n为相变诱发塑性钢板的应变硬化指数，FLD₀为极限应变值；

(3)建立相变诱发塑性钢板成形极限图的工程主应变e₁与工程次应变e₂的关系式为：

以工程主应变e₁为纵坐标，工程次应变e₂为横坐标，建立应变坐标系，将根据上述两个公式计算获得的数据合成在坐标系上，建立该相变诱发塑性钢板的成形极限图；所述的应变硬化指数的测试方法为：通过单轴拉伸实验测取工程应力应变曲线，在5％至35％的均匀塑性变形范围内将其转变为真应力应变曲线，真应力与真应变关系式为：

σ＝k·εⁿ

上式中，σ为真应力、ε为真应变、n为相变诱发塑性钢板的应变硬化指数、k为系数，将上式转变成对数方程：

lnσ＝lnk+nlnε

在双对数坐标平面上的直线的斜率即为相变诱发塑性钢板的应变硬化指数n；

所述的相变诱发塑性钢板成分按重量百分比为含C0.19％，Mn1.32％，Si 0.70％，Al 0.51％，P 0.0068％，S 0.0068％，余量为Fe；或者为含C0.18％，Mn1.38％，Si 0.67％，Al 0.56％，P 0.0075％，S 0.0048％，Nb0.014％，余量为Fe；或者为含C0.20％，Mn1.45％，Si 0.61％，Al 0.58％，P 0.0083％，S 0.0050％，Nb0.036％，余量为Fe；或者为含C600ppm，Mn23.8％，Si3.0％，Al2.7％，余量为Fe；上述相变诱发塑性钢板的应变硬化指数分别为0.323、0.325、0.310、0.242，厚度为1mm，FLD₀分别为0.576、0.580、0.553、0.432。

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