TRIP钢在不同应变路径下的硬化行为及其本构模型研究

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TRIP(Transformation Induced Plasticity)钢在塑性变形时会发生残余奥氏体向马氏体的转变,其力学行为受到位错运动和马氏体相变的共同影响。在冲压工程实践中,材料往往还会经历复杂的应变路径变化。马氏体相变和应变路径变化两种因素的叠加,给TRIP钢本构模型的建立带来了很大的困难。研究应变路径对TRIP钢的变形行为的影响,开发相应的本构模型,对于提高TRIP钢成形过程的数值模拟计算精度,促进TRIP钢的进一步推广应用具有显著的应用价值。本文针对TRIP钢在比例加载、反向加载和应变路径改变这三种情况下的硬化行为,开展了实验研究,分析了应变路径变化对TRIP钢硬化行为的影响。在此基础上,提出了能够反映不同比例加载路径、反向加载和应变路径变化影响的TRIP钢硬化模型,建立了基于优化方法和实验数据的硬化模型参数标定方法,开发了相应的Abaqus/UMAT子程序对所提出的硬化模型进行验证。本文的主要内容与结论如下:(1)通过单向拉伸、纯剪切和平面应变实验,获得TRIP钢在这三种比例加载模式下的应力应变数据。实验结果表明,TRIP钢在不同比例加载路径下的硬化行为有明显的差异。为了体现不同加载路径对硬化行为的影响,本文以应力三轴度和洛德角表征不同的比例加载模式,建立了一种基于Voce和Hollomon硬化模型的HVTL混合硬化模型。该模型根据不同的比例加载模式,通过改变Voce和Hollomon硬化部分在混合硬化模型中所占的比重来反映加载路径对硬化行为的影响。运用该模型对上述实验进行数值模拟计算,结果表明应力三轴度和洛德角可以较好地体现比例加载路径的变化,HVTL模型可以较好地重现TRIP钢在不同比例加载模式下的硬化行为。(2)基于TRIP钢的循环剪切实验,获得TRIP钢循环剪切的应力应变数据,并考察了TRIP钢在反向加载时出现的包申格效应、瞬态效应和永久软化效应等现象。在HAH模型的基础上,考虑马氏体相变对TRIP钢反向加载时硬化行为的影响,对HAH模型中和瞬态行为相关的参数k1,以及和永久软化效应相关的g3和g4项进行了改进,加入了马氏体相变率的影响。开发了相应的HAH模型的UMAT子程序,基于实验数据和数值模拟优化建立了一套HAH模型参数标定方法。计算结果表明,改进后的HAH模型能够更好地重现TRIP钢在反向加载下的硬化行为。(3)建立了一种双向应力加载+单向拉伸的两步成形的实验方法。该方法首先采用Marciniak试验方法对TRIP钢不同胀形试样进行胀形实验;胀形卸载后在试样均匀变形区域截取拉伸试样进行第二步单拉实验。实验表明,随着Marciniak试验中第二方向的应力从正应力向负应力变化,TRIP钢的后续硬化能力得到增强。基于Voce模型和HAH模型的归一化微结构偏量构建了考虑应变路径变化的VH模型,将VH模型与Voce模型的模拟结果相比较,计算结果表明VH模型能够较好地再现出应变路径变化对TRIP钢后续硬化行为的影响,计算结果和实验数据的吻合度较高。
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