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,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)。沖壓成形時的形狀凍結、面畸變和制件的剛度等都受到材料彈性模量支配,可見,彈性模量對沖壓件的成形精度有著重要的影響。隨著沖壓成形CAE技術的發(fā)展,有限元數(shù)值模擬開始應用于沖壓成形模擬和回彈預測?，F(xiàn)在工程應用和數(shù)值模擬中一般都把彈性模量作為常數(shù),而實際上彈性模量隨塑性變形的發(fā)展是在不斷的變化,這種變化的程度對不同材料也不相同。采用不變的彈性模量進行回彈預測,所得的結果與實際情況會有很大的偏離,導致回彈預測精度的降低。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)律已引起了國內外學者的關注。目前,對冷軋鋼板的彈性模量在塑性變形過程中的變化規(guī)律已經(jīng)有了研究,并將結果引入到對彎曲件回彈的有限元模擬中,有效地提高了回彈的預測精度。BrinkmanJ于20世紀90年代研究了彈性模量隨塑性變形的變化規(guī)律,并且提出了一個簡單彈性模量變形模型。同時學者李雪春對鋁合金的彈性模量在塑性變形中的變化規(guī)律進行了系統(tǒng)研究,并用數(shù)學模型進行了描述。FusahitoYoshidau研究了中強度鋼和高強度鋼在成形中的彈性模量隨塑性應變變化的規(guī)律。隨著鋁合金和高強度鋼在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的廣泛應用,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。因此對兩種類型材料彈性模量與塑性變形變化的關系進行系統(tǒng)研究對回彈預測有著重要的理論意義與實用價值。本文通過試驗研究,系統(tǒng)分析高強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變的變化關系,并采用分段線性函數(shù)進行描述。2試驗數(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,試驗采用動力學試驗方法測量彈性模量值,試樣按標準GB/T228-2002制成,標準拉伸試樣如圖1所示。在Instronmodel1341型號電子拉伸機上完成試驗。試驗中獲得的應變?yōu)楣こ虘?由Instron自帶引伸計直接測得。試驗數(shù)據(jù)由采集系統(tǒng)定時自動采集并保存為Excel文件格式。為了獲得比較準確的試驗結果,本試驗主要抽取載荷與工程應變數(shù)據(jù),然后通過計算獲得真實的應力-應變曲線,最后通過真實應力、應變值測得彈性模量值。由于采用的試驗設備具備較高的精度,試驗測得的載荷-工程應變曲線的初始階段不是嚴格意義上的直線,按照取斜率求彈性模量的方法是不夠準確的。因此,本研究中采用多項式擬合彈性階段的真實應力、應變值,獲得彈性階段真實應力-應變擬合曲線,再將曲線外推到使函數(shù)值為零的點,求該點的導數(shù)值,作為彈性模量的數(shù)據(jù)處理方法,如圖2所示。整個彈性模量的求取在Matlab軟件下實現(xiàn)與完成。為了盡量獲得真實、全面的試驗數(shù)據(jù),以便真實反應彈性模量與塑性變形的變化規(guī)律,試驗中每次試驗都進行了認真的設備調試和檢查,同時采用了以下兩種試驗方案。(1)加載時長至配合物對擬合曲線的影響采用多個試樣,先分別通過應變控制拉伸變形至不同的塑性變形程度,其中2024-T3拉伸應變?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-加載的過程,相應獲得3條反應彈性階段的擬合曲線。然后在彈性范圍內分別求取各自彈性模量,可獲得3個彈性模量值,分別為初始、卸載和加載彈性模量。該方案稱為簡單加載。(2)將塑性變形作為一個彈性模量值的2.采用一個試樣,先通過應變控制拉伸變形到一定的塑性變形程度,其中2024-T3拉伸應變?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。重復上述步驟,直到取得足夠的試驗數(shù)據(jù),最后再由各塑性變形對應的彈性階段擬合曲線求取其彈性模量值,獲得多個彈性模量值。該方案可稱為反復加載。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在簡單加載下不同塑性應變對應的彈性模量值。4種材料在簡單加載方式下彈性模量與等效塑性應變的關系如圖3所示。根據(jù)試驗方案2與試驗數(shù)據(jù),采用以上的彈性模量處理方案對試驗數(shù)據(jù)處理,獲得了材料2024-T3、3A21和深沖鋼板ST14在反復加載下彈性模量與等效塑性應變的關系曲線,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,在達到一定變形程度后,其變化趨于平緩。對試驗后獲得的彈性模量隨等效塑性應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%。同時發(fā)現(xiàn),不同材料在初始下降階段最小彈性模量Emin對應的等效塑性應變點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。通過分析發(fā)現(xiàn),當?shù)刃苄詰冃∮讦舏時,彈性模量急劇下降;隨著塑性變形的增加,塑性應變大于εi,彈性模量略有增加。當塑性應變達到一定程度后,塑性變形對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于初始的彈性模量Einit仍然有較大變化,遠小于初始彈性模量Einit。同時,加載方式對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相同,在反復加載方式下,4種材料的彈性模量下降幅度稍小于簡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變的變化是提高回彈數(shù)值模擬預測精度的重要手段,而準確描述彈性模量隨塑性變形的變化規(guī)律是進行回彈數(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變的變化關系。如圖5所示,即用AB、BC線性關系進行描述,當?shù)刃苄詰冃∮讦舕時,采用AB線性段;當塑性應變大于εl時采用BC線性段描述。通過以上分析可以看出,加載方式對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數(shù)據(jù)進行整合,將數(shù)據(jù)分段進行擬合而實現(xiàn),采用同一分段線性函數(shù)對材料彈性模量隨等效塑性應變的變化規(guī)律進行描述,2024-T3、2A12材料彈性模量變化規(guī)律擬合效果如圖6所示。通過對試驗結果數(shù)據(jù)進行分段擬合后得到了各材料彈性模量隨塑性應變變化規(guī)律的分段線性函數(shù),分別為: