鋁合金與鋼板塑性變形中的彈性模量

鋁合金與鋼板塑性變形中的彈性模量

1彈性模量對(duì)塑性變形變化的影響彈性模量是工程材料的重要性能參數(shù)。在宏觀角度上，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力的規(guī)模。由于在沖壓成形過(guò)程中不但存在塑性變形,還伴隨有彈性變形,卸載后由于彈性變形的恢復(fù),即產(chǎn)生回彈現(xiàn)象,因此彈性模量是影響回彈的重要材料性能參數(shù)。沖壓成形時(shí)的形狀凍結(jié)、面畸變和制件的剛度等都受到材料彈性模量支配,可見(jiàn),彈性模量對(duì)沖壓件的成形精度有著重要的影響。隨著沖壓成形CAE技術(shù)的發(fā)展,有限元數(shù)值模擬開始應(yīng)用于沖壓成形模擬和回彈預(yù)測(cè)?，F(xiàn)在工程應(yīng)用和數(shù)值模擬中一般都把彈性模量作為常數(shù),而實(shí)際上彈性模量隨塑性變形的發(fā)展是在不斷的變化,這種變化的程度對(duì)不同材料也不相同。采用不變的彈性模量進(jìn)行回彈預(yù)測(cè),所得的結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有很大的偏離,導(dǎo)致回彈預(yù)測(cè)精度的降低。因此彈性模量這一影響回彈的重要性能參數(shù)隨塑性變形的變化規(guī)律已引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前,對(duì)冷軋鋼板的彈性模量在塑性變形過(guò)程中的變化規(guī)律已經(jīng)有了研究,并將結(jié)果引入到對(duì)彎曲件回彈的有限元模擬中,有效地提高了回彈的預(yù)測(cè)精度。BrinkmanJ于20世紀(jì)90年代研究了彈性模量隨塑性變形的變化規(guī)律,并且提出了一個(gè)簡(jiǎn)單彈性模量變形模型。同時(shí)學(xué)者李雪春對(duì)鋁合金的彈性模量在塑性變形中的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了描述。FusahitoYoshidau研究了中強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼在成形中的彈性模量隨塑性應(yīng)變變化的規(guī)律。隨著鋁合金和高強(qiáng)度鋼在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的廣泛應(yīng)用,由于其性能與普通的低碳鋼不同,在沖壓成形中產(chǎn)生的回彈較大。因此對(duì)兩種類型材料彈性模量與塑性變形變化的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究對(duì)回彈預(yù)測(cè)有著重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。本文通過(guò)試驗(yàn)研究,系統(tǒng)分析高強(qiáng)度鋼和不同鋁合金的彈性模量隨塑性變形的變化規(guī)律,得出彈性模量與塑性應(yīng)變的變化關(guān)系,并采用分段線性函數(shù)進(jìn)行描述。2試驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法材料選用2024-T3、2A12(CZ)、3A21(狀態(tài):H14)和ST14,板材厚度分別為1.3,2.0,1.5和1.5mm。試樣方向與軋制方向相同,試驗(yàn)采用動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法測(cè)量彈性模量值,試樣按標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2002制成,標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣如圖1所示。在Instronmodel1341型號(hào)電子拉伸機(jī)上完成試驗(yàn)。試驗(yàn)中獲得的應(yīng)變?yōu)楣こ虘?yīng)變,由Instron自帶引伸計(jì)直接測(cè)得。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由采集系統(tǒng)定時(shí)自動(dòng)采集并保存為Excel文件格式。為了獲得比較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果,本試驗(yàn)主要抽取載荷與工程應(yīng)變數(shù)據(jù),然后通過(guò)計(jì)算獲得真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,最后通過(guò)真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變值測(cè)得彈性模量值。由于采用的試驗(yàn)設(shè)備具備較高的精度,試驗(yàn)測(cè)得的載荷-工程應(yīng)變曲線的初始階段不是嚴(yán)格意義上的直線,按照取斜率求彈性模量的方法是不夠準(zhǔn)確的。因此,本研究中采用多項(xiàng)式擬合彈性階段的真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變值,獲得彈性階段真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線,再將曲線外推到使函數(shù)值為零的點(diǎn),求該點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值,作為彈性模量的數(shù)據(jù)處理方法,如圖2所示。整個(gè)彈性模量的求取在Matlab軟件下實(shí)現(xiàn)與完成。為了盡量獲得真實(shí)、全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以便真實(shí)反應(yīng)彈性模量與塑性變形的變化規(guī)律,試驗(yàn)中每次試驗(yàn)都進(jìn)行了認(rèn)真的設(shè)備調(diào)試和檢查,同時(shí)采用了以下兩種試驗(yàn)方案。(1)加載時(shí)長(zhǎng)至配合物對(duì)擬合曲線的影響采用多個(gè)試樣,先分別通過(guò)應(yīng)變控制拉伸變形至不同的塑性變形程度,其中2024-T3拉伸應(yīng)變?yōu)?%,4%,5.5%,8%,10%和12.5%;3A21為1%,1.5%,2.5%,3.5%和4.5%;2A12為1%,2%,5%,6%,8%和10%;而ST14為2%,4%,6%,10.5%,18%和26%。然后卸載后,再加載到相同的塑性變形程度,也就是經(jīng)歷加載-卸載-加載的過(guò)程,相應(yīng)獲得3條反應(yīng)彈性階段的擬合曲線。然后在彈性范圍內(nèi)分別求取各自彈性模量,可獲得3個(gè)彈性模量值,分別為初始、卸載和加載彈性模量。該方案稱為簡(jiǎn)單加載。(2)將塑性變形作為一個(gè)彈性模量值的2.采用一個(gè)試樣,先通過(guò)應(yīng)變控制拉伸變形到一定的塑性變形程度,其中2024-T3拉伸應(yīng)變?yōu)?%,2%,3%,4%和5.5%;3A21為1%,2%,2.5%,3%和4%;而ST14為2%,4%,6%,10%,14%和18%。然后通過(guò)載荷控制卸載后再加載到相同的塑性變形程度,繼續(xù)加載,使其產(chǎn)生更大的塑性變形。重復(fù)上述步驟,直到取得足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),最后再由各塑性變形對(duì)應(yīng)的彈性階段擬合曲線求取其彈性模量值,獲得多個(gè)彈性模量值。該方案可稱為反復(fù)加載。3彈性模量隨重塑變形程度的變化根據(jù)方案1的試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用彈性模量處理方案求取了材料2024-T3、2A12(CZ)、3A21和深沖鋼板ST14在簡(jiǎn)單加載下不同塑性應(yīng)變對(duì)應(yīng)的彈性模量值。4種材料在簡(jiǎn)單加載方式下彈性模量與等效塑性應(yīng)變的關(guān)系如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)方案2與試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用以上的彈性模量處理方案對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,獲得了材料2024-T3、3A21和深沖鋼板ST14在反復(fù)加載下彈性模量與等效塑性應(yīng)變的關(guān)系曲線,如圖4所示。由圖3、圖4可知,4種材料的彈性模量隨塑性變形程度變化的趨勢(shì)基本相同,與冷軋鋼板的彈性模量變化規(guī)律(圖5)基本一致,即初始階段彈性模量隨塑性變形程度的增加先有一定幅度下降,在達(dá)到一定變形程度后,其變化趨于平緩。對(duì)試驗(yàn)后獲得的彈性模量隨等效塑性應(yīng)變變化曲線分析后可以看出,4種材料的彈性模量的下降幅度不同。如表1和表2所示,深沖鋼板ST14下降幅度最大,其最大幅度為45.41%左右,次之為防銹鋁3A21,其下降最大幅度為30.639%,最小的為硬鋁2A12,最大的幅度只有17.812%,但也比冷軋鋼板的彈性模量下降幅度大得多,冷軋鋼板的彈性模量值最大可下降約6%。同時(shí)發(fā)現(xiàn),不同材料在初始下降階段最小彈性模量Emin對(duì)應(yīng)的等效塑性應(yīng)變點(diǎn)εi也是不同的。如表1和表2所示,深沖鋼ST14、防銹鋁3A21較大,2024-T3次之,硬鋁2A12最小。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變小于εi時(shí),彈性模量急劇下降;隨著塑性變形的增加,塑性應(yīng)變大于εi,彈性模量略有增加。當(dāng)塑性應(yīng)變達(dá)到一定程度后,塑性變形對(duì)彈性模量的影響不再明顯,彈性模量變化趨于平緩。由此可以揭示,板料沖壓成形中在初始小變形范圍彈性模量有較大變化,隨著變形程度增加到一定程度,彈性模量變化趨于平緩,但是彈性模量值相對(duì)于初始的彈性模量Einit仍然有較大變化,遠(yuǎn)小于初始彈性模量Einit。同時(shí),加載方式對(duì)彈性模量的變化有影響。在不同加載方式下,彈性模量隨塑性變形程度的變化趨勢(shì)相同,在反復(fù)加載方式下,4種材料的彈性模量下降幅度稍小于簡(jiǎn)單加載方式下彈性模量的下降幅度。4材料彈性模量隨等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律回彈數(shù)值模擬中考慮彈性模量隨塑性應(yīng)變的變化是提高回彈數(shù)值模擬預(yù)測(cè)精度的重要手段,而準(zhǔn)確描述彈性模量隨塑性變形的變化規(guī)律是進(jìn)行回彈數(shù)值模擬的前提。本文采用分段線性函數(shù)描述彈性模量與塑性應(yīng)變的變化關(guān)系。如圖5所示,即用AB、BC線性關(guān)系進(jìn)行描述,當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變小于εl時(shí),采用AB線性段;當(dāng)塑性應(yīng)變大于εl時(shí)采用BC線性段描述。通過(guò)以上分析可以看出,加載方式對(duì)材料的彈性模量變化影響不大,尤其是鋁合金材料。因此該節(jié)將兩種加載方式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,將數(shù)據(jù)分段進(jìn)行擬合而實(shí)現(xiàn),采用同一分段線性函數(shù)對(duì)材料彈性模量隨等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行描述,2024-T3、2A12材料彈性模量變化規(guī)律擬合效果如圖6所示。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合后得到了各材料彈性模量隨塑性應(yīng)變變化規(guī)律的分段線性函數(shù),分別為: