第三代高强钢中锰钢在复杂冲压工艺下的塑性行为研究

New materials, processes and equipments have been developed for lightweight automotive manufacturing in recent years, for example the medium-manganese steel (a type of the 3rd generation automotive steels) and the servo stamping technology based on high-speed, automated, flexible servo presses are being used in the automotive industry. The retained austenite of the medium-manganese steel is in meta-stable state and phase transformation occurs during plastic deformation, resulting in both TRIP and TWIP effects. Because the yielding, hardening and fracture behaviors of the medium-manganese steel in advanced stamping process are fairly complex and not yet known, it is imperative to conduct research on material's constitutive model and forming limit model under complicated forming conditions like variable speed and loading path etc. Based on the advanced numerical control servo press and the 3rd generation of automobile medium manganese steels, which are the results of key national project and "973" project respectively, further theoretical study will be conducted in this project. These are of great scientific significance to enrich the strain hardening and strain rate hardening mechanism of multi-phase, multi-scale, transformation-induced plasticity materials. The forming theories out of this research can be applied to guide the design of servo stamping process effectively and will be wildly used in the promotion of the automobile light-weighting materials and servo press.

近年来用于汽车轻量化制造的新材料、新工艺、新装备得到不断发展，中锰钢等第三代高强钢和基于高速、自动、柔性伺服压机的伺服冲压工艺开始得到应用。由于中锰钢的残余奥氏体出于亚稳状态，塑性变形过程中发生相变，兼具TRIP（相变诱导塑性）及TWIP（孪晶诱导塑性）效应，在复杂成形工艺条件下（如：变路径加载、含预应变加载、反复卸载加载）的塑性屈服、应变强化行为及韧性断裂规律比较复杂，在设计冲压工艺时缺乏准确的塑性模型和成形性准则做理论指导。本项目将在国家重大专项的研究成果（高档数控伺服压机）和973计划的研究成果（第三代汽车钢中锰钢）的基础上做进一步理论研究，揭示中锰钢在复杂冲压工艺件下的塑性行为及成形性。这对于丰富多相、多尺度、相变诱导塑性材料的应变强化机制及理论具有较高的科学意义。研究所得的成形性理论能够有效指导伺服等先进冲压工艺设计，在推广汽车轻量化材料和伺服压机设备过程中将得到广泛应用。

近年来用于汽车轻量化制造的新材料、新工艺、新装备得到不断发展，新一代高强塑积的中锰钢和QP钢开始在基于高速、自动、柔性伺服压机的伺服冲压工艺中得到应用。由于新一代高强钢钢的残余奥氏体出于亚稳状态，塑性变形过程中发生相变，兼具相变诱导塑性及孪晶诱导塑性效应，在变路径加载、含预应变加载、反复卸载加载等复杂成形工艺条件下，其塑性屈服、应变强化行为及韧性断裂规律比较复杂，在设计冲压工艺时缺乏准确的塑性模型和成形性准则做理论指导。本项目主要研究了模具与板料之间的摩擦力随材料及冲压条件的变化规律；材料在振荡加载情况下的强化规律；以及体现材料各向异性及加载情况的成形极限图。利用有限元模型计算了试件在弯曲模具上的弯曲/不弯曲力，建立了弯曲引起的表面粗糙度增加与摩擦系数之间的关系。推导出了包含接触压力、滑动速度和几何曲率的摩擦系数模型，并确定了模型参数，应用于冲压成形仿真，得到更接近实际的结果。不同卸载位置与卸载次数影响材料拉伸成形的应力-应变曲线及其断后延伸率。与单调加载相比，材料在卸载后再加载应力迅速上升，随后应力-应变曲线较单调加载时的曲线向上或向下偏离，且其延展性较单调加载实验增强。中锰钢50％TEML处一次卸载的总伸长率与单调加载时相比增加了5.05％，并且在75％TEML处为第一次卸载具有最大的延伸率增加量（2.5％），其中总延伸率的增加量随总卸载次数的增加而减少。利用凸模胀形及减薄试件获取大双向应变的成形极限试验方法，使板料裂纹产生非常接近甚至达到拱顶，摆脱对称于拱顶的双颈缩的问题，提高应变对测量的准确性；可通过设计试件减薄区域的最小厚度来控制试件的减薄程度，可有效的获得最适用的试件减薄方案；能够满足对不同板材减薄试件的设计需求，可延伸至对不同宽度板料成形极限试验的应用。研究所得的成形性理论能够有效指导伺服等先进冲压工艺设计，在推广汽车轻量化材料和伺服压机设备过程中将得到广泛应用。