高温条件下DP780的成形性能仿真研究

2020-09-04李达

汽车零部件 2020年8期

李达

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

轻量化、环保、节能和安全已成为汽车工业发展的主流趋势，先进高强度钢的应用是实现这一目标的有效途径之一[1]。其中，由于DP双相钢内部同时含有马氏体与铁素体的混合组织，使得其具有高强度特性的同时还具有优良的塑性成形性，因此DP双相钢是汽车上运用最广的钢种之一[2]。然而，双相钢板在室温成形时容易出现变形抗力大、模具磨损严重、板料拉裂、回弹严重、尺寸精度误差大及复杂结构零件成形困难等一系列问题[3]。有关研究表明，高强钢在高温状态下，材料的位错减少，滑移系统增加，其屈服强度大幅降低，塑性及延展性明显提高，成形性得到显著改善[4]。应运而生的热冲压成形、超塑性成形等一些先进成形技术的出现，克服了高强钢常温下难以成形的缺陷，高强度热冲压成形技术，通常是将板料加热到再结晶温度以上，使内部组织均匀奥氏体化，在进行快速成形并淬火冷却，使奥氏体转化为马氏体，从而得到超高强度的成形件[5]。

但是，热成形技术并不适用于双相钢。这是由于双相钢材料的性能主要是通过内部铁素体与马氏体的微观组织的组合产生的，加热到再结晶温度以上会破坏其原有结构，导致材料性能降低[6]。因此可将材料加热到低于再结晶温度下进行成形，既可以提高双相钢的成形性，减少回弹，又不会改变双相钢内部组织结构。目前该技术多运用于镁、铝合金冲压，在双相钢上运用相对较少，因此有必要对高温条件下双相钢的成形性能进行研究。本文作者通过在400、500、600 ℃条件下对试样进行单向热拉伸实验后，建立本构模型，导入到ABAQUS中，进行不同温度下的温成形数值模拟，探究不同成形温度下双相钢的成形性能。

1 双相钢热拉伸实验及本构方程建立

1.1 单向热拉伸实验过程

文中选用的板材为DP780双相钢，其化学成分及性能见表1和表2。单向热拉伸实验在MT5105微机控制电子万能试验机上进行，设备如图1所示。试验机中间的横梁是吨位机，下端伸出夹头用以连接固定试样，中间区域采用马弗炉对金属试样进行加热及保温，马弗炉炉壁内部含有加热电阻丝，能够快速将炉内物体加热到要求温度。另外，马弗炉中设置有上中下3个温敏传感器，能够实时观测对应位置的温度变化。

表1 DP780化学成分(质量分数)

表2 DP780高强钢力学性能

图1 MT5105微机控制电子万能试验机

按照国标GB/T 4338—2006设计试样，并根据试验机夹具要求对试样进行调整，如图2所示。实验条件：加热温度分别为400、500、600 ℃，每组温度的试样均在0.1、0.01、0.001 s-13种不同的拉伸速率下进行实验，直至样件拉断，输出力-位移曲线。

图2 拉伸试样尺寸

1.2 单向热拉伸实验结果

通过对实验得到的原始力-位移曲线进行处理后，得到不同温度、不同应变速率条件下的真实应力-应变曲线。在温度为400～600 ℃、应变速率为0.001～0.1 s-1范围内，随着温度的升高，变形速率的减小，应力曲线呈现明显的下降趋势，温度的升高导致材料的延伸率增大，如图3—图5所示。

图3 温度为400 ℃不同应变速率条件下真应力-应变曲线

图4 温度为500 ℃不同应变速率条件下真应力-应变曲线

图5 温度为600 ℃不同应变速率条件下真应力-应变曲线

1.3 考虑高温影响的本构方程求解

根据实验曲线和误差估计，选用Norton-Hoff模型对DP780不同温度、不同应变速率下的真应力-应变曲线进行描述，其本构方程为

通过对式(1)左右两边同时取对数，得到：

2 高温环境下双相钢成形仿真研究

2.1 有限元模型

采用热力耦合方法，利用ABAQUS软件进行U形件的冲压仿真分析，如图6所示。为提高计算效率，选取模型的一半进行计算，完成冲压成形后计算U形件的回弹量。板材选用B-T壳单元，模具均设为刚体，其中板料和模具的初始温度设置为20 ℃，成形温度分别设置为400、500、600 ℃，摩擦因数设为0.125，材料本构按照上述Norton-Hoff模型输入。

图6 U形件冲压模具示意

2.2 板料温度变化

在400 ℃条件下进行冲压数值模拟，如图7所示。

图7 400 ℃下不同时刻板料温度分布

观察发现在冲压过程中，板料的温度并不是持续降低的状态，而是降低后有少量上升。出现该异常现象的原因可能是双相钢发生塑性变形时，会释放大量的热量，导致板料温度升高；并且板料与模具之间存在摩擦，也会产生热量[7]。正是由于变形热和摩擦热的存在，虽然板料在成形过程中不断进行热耗散，但温度却不是持续降低的状态。为进一步验证该猜想，分别选择侧壁、法兰、顶部上的特征点进行描述，发现选点温度不只是逐渐降低，还有摩擦热和变形热造成的温升，如图8所示。

图8 400 ℃下板料选点温度变化

2.3 板料厚度变化

在400、500、600 ℃条件下进行冲压数值模拟，得到U形件的厚度分布情况，如图9所示。由图可知，最小厚度值均发生在侧壁，这是由于相比法兰跟顶部，侧壁的变形量最大，减薄最严重；并且还可以发现，随成形温度升高，最小厚度值越来越小，这是由于随着板料成形温度升高，双相钢的应力不断下降，导致材料塑性不断增强，板料更加容易实现减薄。

图9 板料在不同成形温度下的厚度分布

2.4 凸模力对比

通过获取不同成形温度条件下的凸模力进行对比分析，通过线性拟合得到图10。根据图10可看出，成形温度越高，凸模力变化越明显。且随着成形时间的推进，凸模力呈现两种不同的状态，在0.3 s以前，不同成形温度下的凸模力随时间增加相差越小，在0.3 s以后，成形温度越高，凸模力随时间增加越大，这是由于热传导的影响，模具温度逐渐升高，导致摩擦因数增大，加上热膨胀使得板料与模具接触力更大，导致板料与模具之间的摩擦力增大，因此凸模力也随之增大。

图10 不同成形温度下的凸模力趋势对比

2.5 回弹对比

对U形件进行回弹分析，选取侧壁和法兰的回弹角作为衡量标准，结果如图11所示。由图可知，随着成形温度的升高，由于材料的塑性更强，导致回弹角度存在大幅度减小。但是不建议选择600 ℃作为DP780的成形温度，由于在此温度下，材料表面出现黑色表皮脱落，说明已经影响双相钢本身的材料特性，如图12所示。因此，500 ℃为DP780较为合适的成形温度。