【摘 要】
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目前,热冲压技术是实现汽车轻量化、满足汽车行业对节能减排和安全性能等需求的重要手段。随着热冲压技术的广泛应用,人们发现具有高强度低延展性的热冲压零部件是无法满足安全需要的。因此,为了进一步提高热冲压零部件的安全性能,人们设计并制造出了具有梯度性能的零部件。该零部件通过提高部分区域的塑性来吸收碰撞时产生的能量从而达到保护乘客的目的。对于具有梯度性能的热冲压零部件,其各个区域的力学性能具有较大差异。在
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目前,热冲压技术是实现汽车轻量化、满足汽车行业对节能减排和安全性能等需求的重要手段。随着热冲压技术的广泛应用,人们发现具有高强度低延展性的热冲压零部件是无法满足安全需要的。因此,为了进一步提高热冲压零部件的安全性能,人们设计并制造出了具有梯度性能的零部件。该零部件通过提高部分区域的塑性来吸收碰撞时产生的能量从而达到保护乘客的目的。对于具有梯度性能的热冲压零部件,其各个区域的力学性能具有较大差异。在过渡区域的微观组织一般由多种相组成,各相的体积含量、分布方式和组织形貌都会对零件的力学性能产生影响。因此,有必要对显微组织与力学性能之间的关系进行定量研究。基于上述背景,以具有梯度性能的热冲压22MnB5硼钢为研究对象,从宏观与微观两个方面对其韧性损伤行为展开研究,研究的具体工作和主要结论如下:(1)采用不同的热处理工艺制备了一系列具有梯度性能的22MnB5硼钢板,即纯贝氏体、纯马氏体和五种不同体积分数的贝氏体/马氏体双相组织。对热处理后的双相组织试样进行金相与扫描电镜(SEM)表征实验,发现随着保温时间的增加,贝氏体所占比例明显增加,并且粒状特征更明显。而且随着保温时间的增加,马氏体在所占比例不断减少的同时其组织形貌也变得更加细小且分散。此外,通过硬度测试发现随着保温时间的增加,维氏硬度值不断降低。(2)对通过热处理工艺制备的梯度性能硼钢板结合数字图像相关(DIC)技术进行准静态拉伸实验,通过标准拉伸实验获取相应材料的应力-应变数据。此外,为了表征热冲压22MnB5硼钢试样的韧性损伤断裂行为,制备了从剪切到平面应变不同应力状态的试样,并对其进行了拉断实验。借助DIC技术从应变域角度建立了纯贝氏体和纯马氏体组织的本构模型,并基于体积分数与维氏硬度通过线性插值方式建立了贝氏体/马氏体双相组织的本构模型。为验证这两类贝氏体/马氏体双相组织本构模型的准确性,将双相组织在不同应力状态下的试样分别进行了建模仿真,其中基于维氏硬度的本构模型相较于基于体积分数的本构模型会更贴近材料的真实性能。通过混合数值实验法获得了梯度性能硼钢的断裂应变、应力三轴度与Lode参数。发现,随着保温时间的增加,梯度性能硼钢中贝氏体所占比例不断增多,而断裂应变只在贝氏体所占比例较高时(80%,90%,96%)才会明显提高。通过最小二乘法获得了纯贝氏体与纯马氏体的断裂参数,并在Lode参数、应力三轴度和断裂应变的三维空间中分别构造了纯贝氏体与纯马氏体的断裂曲面。(3)基于材料的真实微观组织形貌建立了贝氏体/马氏体双相组织的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,并研究了网格密度对模拟结果的影响。为了在RVE模型中较为准确地预测贝氏体/马氏体双相组织的弹塑性行为,基于位错强化理论重新构建了纯贝氏体与纯马氏体的本构模型,并借助mode FRONTIER优化平台对其材料参数进行了优化。在此基础上,校定获得了贝氏体/马氏体双相组织中各相的本构模型参数值。为进一步研究贝氏体/马氏体双相组织的损伤断裂行为,提出了一种宏微观相结合的方式来获取断裂应变。(4)借助有限元仿真软件和SEM,研究分析了不同体积含量的贝氏体/马氏体双相组织试样在断裂前的孔洞形核与微裂纹扩展情况。研究发现在贝氏体/马氏体双相组织中存在三种孔洞形核模式:贝氏体/马氏体相界处、贝氏体相和马氏体相中的孔洞形核。对于包含80%贝氏体和20%马氏体(80%B+20%M)的双相组织,在低应力三轴度时,孔洞倾向于在贝氏体/马氏体相界处形核,在中应力三轴度和高应力三轴度时更容易在贝氏体中形核。此外,随着马氏体体积分数的增加,马氏体相的分布由离散变为连续,孔洞形核位置也由贝氏体逐渐向马氏体移动,裂纹在扩展过程中也会穿过马氏体相。
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