基于细观力学的TTP热成形硼钢韧性损伤机制及关键理论研究

With the promotion of ultra high strength steel and hot stamping technology in the automotive industry, the problem of matching the mechanical properties of components with the safety requirements of the body has been paid more and more attention. TTP technology can meet the requirements of different mechanical properties in different zones of the same component. The deformation resistance and damage failure process of this kind of component are the urgent problems for automobile designers. The research is focus on TTP stamped boron steel. The aim of this study is to determine the evolution of the microstructure by means of SEM in situ tensile test and based on macro/micro observation, and to reveal the physical damage mechanism under different loading conditions. Double inclusion (DI) model is to reflect the deformation behavior of multi-phase steels. With the help of digital speckle deformation measurement technology (DIC), ductile damage (void initiation, growth and coalescence) mathematical models of the TTP stamped boron steel will be provided. According to the real microstructure distribution and with SEM image vectorization technology, different failure models are used to different phases and interfaces in order to quantitatively obtain the mechanical behavior of multi-phase steel. A hybrid DIC-RVE-FEM method is used to determine the micro scale damage model of dual-phase and multi-phase steel. The research of this project lays the theoretical foundation for the improvement of the TTP process, including the layout of the cooling channel/heating element, the selection of die material and so on. It can also establish the important theoretical foundation for the prediction of the deformation resistance of the components and the safety evaluation of the whole vehicle.

随着超高强钢及热冲压技术在汽车行业的推广，零部件力学性能与车身安全性相匹配的问题日益受到关注。TTP工艺能够实现同一零件的不同区域具有不同的力学性能。该类零件的抗变形能力及损伤失效过程是设计者迫切关心的问题。项目以TTP热成形硼钢为研究对象，旨在基于宏/微观观察、SEM原位拉伸实验确定微观结构的演变过程，揭示不同负载条件下的物理损伤机制；基于双夹杂模型DI描述多相材料的变形行为；借助DIC数字散斑测量技术，提出能够反映TTP热成形硼钢韧性损伤过程（空洞的萌生、生长和聚合）的数学模型；借助SEM图像矢量化技术，根据真实微观组织分布，对不同的相及界面采用不同的失效模型，定量获得多相钢的力学行为；采用混合DIC-RVE-FEM法，确定两相以及多相钢微观尺度上的损伤模型。本项目的研究为TTP工艺的改进（包括冷却流道/加热元件布置、模具选材等）、零件抗变形能力预测及整车安全性评估奠定理论基础。

基于细观力学的材料断裂损伤研究，是力学与材料学的多尺度，跨学科的复杂命题，也是目前科学界面临的挑战之一。本研究成果展现了韧性断裂准则对马氏体硼钢22MnB5各种应力状态下断裂行为的精确预测，并从细观损伤力学和数值模拟两方面揭示了韧性断裂的内在机理，为基于细观损伤力学的韧性断裂准则表达式的构建提供依据。也为采用Ti-6Al-4V合金成形的高性能零部件制造，提供了理论分析工具。本研究成果能够有效提高计算机数值模拟的精确性，促进了基于细观力学的韧性损伤理论在金属塑性成形及车辆碰撞预测领域的应用。并且获得了国际多名学者的正面评价及引用。主要研究成果如下：.（1）进行单轴拉伸实验，确定了马氏体22MnB5的变形硬化参数，利用反求法外推其真实应力应变数据。基于数字图像相关（DIC）技术，对中心孔试样、面内剪切试样、缺口试样、等双轴拉伸试样以及扩孔试样进行韧性断裂实验，确定材料在各种应力状态下的韧性断裂行为。分别使用DIC法和混合数值实验法获取断裂应变，通过最小二乘法进行优化并获得断裂参数。构造了韧性断裂曲面，并在应力三轴度、Lode参数和断裂应变组成的三维空间进行了比较。将DF2015、MMC4和HC三种韧性断裂准则的数值模拟结果与实验数据进行对比。.（2）通过宏观分析，探索了马氏体22MnB5最大剪切应力方向与断裂表面之间的关系。基于SEM的分析研究了材料断裂的内在机制。使用DF2015韧性断裂准则进行有限元数值分析，与断口形貌进行对比，揭示了马氏体22MnB5孔洞聚集过程的断裂机理。并为基于细观损伤力学的韧性断裂准则表达式的建立提供了理论基础。.（3）使用热冲压工艺制作了马氏体22MnB5的U形梁组件，并对其进行三点弯曲实验。实验会产生复杂的应力状态历史，最终在冲头下形成两个对称的裂纹。将数值模拟结果和实验获取的裂纹位置、形状以及力位移曲线等数据进行对比研究，验证了DF2015韧性断裂准则对复杂应力状态下，断裂行为的预测情况。.（4）提出一种修正的各向异性莫尔-库仑（MMC）韧性断裂准则，表征Ti-6Al-4V钛合金在室温下的韧性断裂行为。成功地引入了四阶线性变换张量。采用新的断裂准则成功地预测了Ti-6Al-4V合金在单轴拉伸、面内剪切、不同加载方向的平面应变和等双轴拉伸应力状态下的断裂行为。