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摘要：高強度钢板热冲压成形是实现车身轻量化、保证安全性的重要途径，近年来得到汽车和钢铁工业的广泛关注与应用。由于高温工况的引入，高强度钢板的力学行为表现出明显的应变率和温度相关性，为准确评价板料的热成形性带来了挑战。概述了热冲压技术的工艺特点，从热成形极限实验和理论预测两方面展开讨论，介绍了国内外学者的相关研究工作，分析了应变成形极限方法存在的不足，引出了基于损伤力学理论的板材成形性评价方法，分别介绍了连续介质损伤和细观损伤理论在板材成形性方面的若干研究，以及材料损伤参数的识别方法。结合热冲压技术的工艺特点，指出热冲压高强度钢的损伤研究应采用实验、理论及数值仿真相结合的方式，并充分考虑温度、加载速率以及应力状态对损伤演化的影响。本研究可为完善损伤理论在金属板材热冲压中的应用提供借鉴。
关键词：损伤力学；热冲压；高强度钢；热成形性；参数识别
中图分类号：TG306文献标志码：A
收稿日期：20171220；修回日期：20180102；责任编辑：冯民
基金项目：国家自然科学基金（51705065）；中央高校基本科研业务费专项资金（DUT16RC（4）28，DUT17JC38）
第一作者简介：刘文权（1989—），男，天津人，博士，主要从事高强度钢板热冲压成形材料高温成形性方面的研究。
通信作者：盈亮讲师，博士。 Email：[email protected]
刘文权 ，盈亮，荣海，等.高强度钢板热成形性预测研究进展[J].河北科技大学学报，2018，39（2）：9198.
LIU Wenquan， YING Liang， RONG Hai， et al.Research progress of the prediction method for thermal formability of high strength steel[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2018，39（2）：9198.Research progress of the prediction method for thermal
formability of high strength steel
LIU Wenquan， YING Liang， RONG Hai， HU Ping
（Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China）
Abstract：Hot stamping of high strength steel is an approach to achieve the lightweight of autobody and guarantee the security of automobile simultaneously， and it has been widely used in the automobile and steel industry in recent years. Due to the high temperature process， the mechanical behaviors of high strength steel are strongly dependent on the deformation temperature and strain rate， which presents a challenge to evaluate the thermal formability accurately. On the basis of the review of the process characteristics of hot stamping， the experimental and theoretical predicted research on the thermal forming limit diagram （FLD） published by overseas and domestic scholars is analyzed. The deficiencies of FLD are discussed， then the evaluation methods for formability based damage mechanics are introduced， which include the continuum damage mechanics and mesoscopic damage mechanics. The calibration methods for damage parameter are also discussed. Finally， some suggestions are given： to accurately study the damage evolution of high strength steel in hot stamping， the influence of deformation temperature， strain rate and stress state must be fully considered. To achieve this， the method combined experiment， theory and numerical simulation must be adopted based on the technological characteristics of the hot stamping technology. This work can provide a reference for the improvement of damage theory in hot stamping of sheet metal， and the related research results can be used to guide process optimization of actual hot stamping， which can effectively shorten the development cycle of new products. Keywords：damage mechanics； hot stamping； high strength steel； thermal formability； parameter calibration
轻量化是实现汽车节能减排的重要途径。相较于车身结构件的优化减重，高强度材料的应用将得到更加显著的减重收益，同时也可保证整车的碰撞安全性。高强度钢板具有极高的比强度，价格远低于铝镁等轻质合金，因此，在未来很长一段时间内，高强度钢板都将在汽车轻量化方面得到广泛应用[1]。
河北科技大学学报2018年第2期刘文權，等：高强度钢板热成形性预测研究进展热冲压是将传统金属热处理和冷成形相结合的先进制造技术，可有效解决高强度钢板常温成形回弹大、易破裂、模具磨损严重、压机吨位要求高等问题[2]。热冲压技术的一般流程如图1所示。首先，将板材加热至900 ℃以上并进行充分保温，以实现板材微观为均匀的奥氏体组织；然后将红热板料快速转运至水冷模具，进行冲压成形并保压淬火；最后进行切边等后续处理。热成形零部件的抗拉强度可达1 500 MPa以上，同时具有回弹小、尺寸精度高等优点[34]。目前，国内外学者针对高强度钢板热冲压的技术特点，在高温材料力学性能，板材与模具间的接触换热、摩擦，成形工艺优化以及板料微观组织相变预测等方面开展了大量研究[511]。
图1热冲压技术一般流程
Fig.1General process of hot stamping technology
在金属板料塑性成形过程中，材料内部会伴随着损伤的演化发展，而不合理的成形工艺将造成材料损伤行为的加剧演化，导致板材的开裂破坏[12]。传统的试错方法是通过不断调整成形工艺、更改模具尺寸等方式，对上述问题予以解决。然而，该方法必将耗费大量的人力、物力，同时延长生产周期。有限元仿真技术的发展使得工程师可以对成形过程进行仿真预测，进而选取适当的准则对板材的成形性进行评价，以优化成形工艺，缩短研发周期。板材的成形极限是指在一定的变形条件下材料所能允许的不发生破裂的最大塑性变形程度。在此概念下提出的成形极限图FLD（forming limit diagram）[1314]被广泛应用于评定板材成形中的集中性失稳和危险点位置的确定，在优化模具设计、控制产品质量等方面发挥了重要的指导作用。
然而，应变成形极限图一般由线性或近似线性路径的胀形实验获得。在实际的成形过程中，板材的变形路径并非线性；进一步的研究表明，应变成形极限具有显著的变形路径相关性，这均给应变成形极限图的应用带来了挑战＼[1516＼]。同时，热冲压是一个温度连续变化的过程，高强度板材的成形性能不仅受应变大小和路径的影响，而且将强烈依赖于温度、应变率以及成形工艺窗口等多因素的选择。因此，简单地将传统成形极限方法应用于热冲压板材成形性研究是不可取的。本文将对国内外学者在热冲压成形性方面的研究进行综述，包括成形极限理论和实验方法的研究以及损伤理论在板材成形性研究中的应用，以期为热冲压高强度钢板，乃至镁铝合金的成形性研究提供借鉴意义。
1基于实验的高强度钢板热成形极限研究
常温成形极限可通过曲面法和平面法2种方式获得[1718]，其中以NAKAZIMA等[17]提出的半球形凸模胀形实验应用最为广泛。热成形极限实验研究可为理论的发展提供数据支撑，同时实验结果对热冲压工艺优化具有一定的指导意义。然而，高温工况的引入也为实验的开展带来了若干困难。
材料的高温应力应变关系是热冲压数值仿真所需的重要数据，同时其流变特性也可作为评价板材成形性的重要依据。MERKLEIN等[7]采用Gleeble1500热力模拟实验机，根据实际热冲压的工艺特点，对22MnB5在不同温度和应变率下的热力学性能进行了比较系统的研究，证实温度和应变率对22MnB5的力学行为有很大的影响。意大利帕多瓦大学的TURETTA等[19]采用Gleeble3800实验机对硼钢22MnB5的奥氏体化温度、保温时间以及高温流变行为进行了分析。同时，为研究高温板材的成形性开发了能模拟实际热冲压工艺的成形极限设备。该套设备根据NAKAZIMA测试原理，采用加热棒对凸模、凹模以及压边圈进行加热，以实现不同的测试工况；采用感应线圈实现对板材的均匀加热和保温；采用红外热像仪对板材温度进行实时监控；同时，该套设备集成了光学应变采集系统，可对板材在胀形过程中的应变进行采集分析。利用该套设备，BARIANI等[20]测取了奥氏体态22MnB5在600 ℃下的成形极限曲线。GEORGIADIS等[21]对22MnB5薄板（0.50， 0.80， 1.25 mm）的热成形性进行了研究，分析了等温、非等温成形以及厚度变化对板材成形极限的影响。MIN等[22]采用电阻炉对板材进行加热保温，进而转运至放有隔热石棉的模具上，图2高强度钢22MnB5三维热
成形极限TFLD
Fig.2Threedimensional TFLD for 22MnB5
high strength steel近似实现了800 ℃下22MnB5的胀形实验，而极限应变则通过板材断裂处附近椭圆网格的长短轴计算获得。采用同样的方式，LI等[23]研究了不同成形温度、板材厚度对成形极限的影响。为保证胀形过程中板材温度的均匀性以及开展更高温度的实验测试，SHI等[24]开发了钟罩式加热的成形极限测试装备，并进行了大量实验研究，考虑热冲压板材温度连续变化的特点，首次提出了三维热成形极限曲面TFLD（ThermalFLD）的概念，并作为破裂准则引入到自主开发的KMAS/HF热冲压成形分析模块，实现了热成形温度区间内板材成形性的评价，如图2所示。CUI等[25]进一步发展了上述概念，将温度范围扩大到了室温至800 ℃，并应用于实际B柱板材的热冲压仿真预测。 2基于失稳理论和断裂准则的高强度钢板热成形极限研究
在成形极限理论预测方面，现有研究多采用韧性断裂准则和失稳理论2种方式，并结合材材特性和成形工艺进行适当修正。
LI等[23]基于Oh’s韧性断裂准则和LoganHosford屈服函数对22MnB5不同厚度板材在800 ℃下的成形极限进行了预测并与实验做了对比分析；而在600 ℃和700 ℃下，红热板材在胀形过程中出现了奥氏体向铁素体的转变，因此LI等采用的理论模型并不能对以上两种温度成形极限进行准确预测。LEE等[26]对Cockcroft准则进行了修正，使其能考虑应变路径的影响，进而结合改进的高温拉伸实验预测了22MnB5在不同温度和应变率下的成形极限图；其中，通过高温拉伸实验仅可获得FLD的左半部分，因此，该理论方法对右半部分预测的可靠性仍需进一步验证。MIN等[22]基于尖点理论和LoganHosford屈服函数建立了相应的热成形极限预测方法并与实验结果进行了对比分析。研究表明，屈服函数的阶次对FLD右半部分影响显著。LI等[27]采用MK凹槽模型对22MnB5的热成形极限进行了预测，并对比了NH和MR两种硬化法则对预测结果的影响。SHI等[28]对比了4种韧性断裂准则对22MnB5热成形极限预测结果的影响。与LI等[23]的预测结果相似，每一种断裂准则预测的FLD均呈现主应变随着次应变增大而减小的趋势。其中，Oh’s准则与实验结果更为接近。
采用断裂准则和传统失稳理论进行的成形极限预测不能考虑材料内部的损伤演化；另一方面，为解决应变成形极限路径相关性问题而提出的应力成形极限图FLSD（forming limit stress diagram），其计算过程比较繁琐，而预测结果很大程度上依赖于本构关系的选择。目前，有研究表明，应力成形极限在某些变形状态下也将表现出路径相关性[29]。
3基于损伤理论的板材成形性研究
3.1基于连续介质损伤理论的板材成形性研究
金属板材的韧性断裂可归结于材料内部孔洞损伤的形核、长大、聚合。因此，采用损伤理论对材料的成形性进行研究，能对其断裂机理进行更加深入的解析。
在金属板材成形研究领域，相关学者基于连续介质损伤CDM （continuum damage mechanics） 理论已开展了部分工作[3032]。HADDAG等[33]采用CDM方法描述了板材塑性变形过程中的应变局部化现象，并分别结合AFS和TEODOSIU硬化模型预测了低碳钢的成形极限。BARIANI等[34]基于经典的LEMAITRE连续介质损伤模型对热冲压钢USIBOR1500的断裂行为进行了研究：采用软件Forge2008对近似570 ℃下USIBOR1500钢板的NAKAZIMA胀形过程进行数值模拟，其预测的板材断裂位置与实验结果具有较高的一致性。盈亮等[35]基于LEMAITRE连续损伤模型建立了耦合损伤的热弹塑性本构方程，通过热拉伸实验和优化计算，确定了22MnB5不同温度、应变率下的损伤参数，并对某车身B柱的热冲压过程进行了数值模拟。唐炳涛[36]推导了考虑有效应力和等效塑性应变对损伤影响的LEMAITRE韧性损伤演化方程，建立了耦合连续体损伤理论的22MnB5成形极限预测方法。基于连续介质损伤理论，LIN等[37]建立了一套新的耦合损伤统一粘塑性本构方程，并将其应用于铝合金5754热成形极限的预测研究。参考LIN的工作，周靖[38]和庄蔚敏等[39]分别针对高强度钢22MnB5及铝合金7075构建了基于位错密度的耦合损伤统一粘塑性本构方程组，通过数值积分及优化算法对材料的损伤参数进行了确定，并进一步实现了对所研究材料在不同温度及应变率下成形极限的预测。
然而，上述研究仍存在一些共性问题：首先，CDM损伤本构方程单纯引入标量、矢量或张量进行损伤形式的假设性描述。由于很难准确测定高温成形过程的真实临界损伤因子，现有研究中作为断裂判定依据的临界损伤因子的选取具有很大的随意性，无法证实其真实性；其次，板料变形过程中发生的延性损伤对微观结构的变化十分敏感，无法结合损伤的物理意义表征材料内部细观结构的非线性变化。上述问题使得基于CDM理论的板材成形性研究仍需进一步完善。
3.2基于细观损伤理论的板材成形性研究
细观损伤力学是金属损伤理论的另一个主要研究体系。将细观损伤的概念带入到宏观弹塑性断裂问题的研究中，可全面认识材料损伤演化到宏观微裂纹产生这样一个内在关联的复杂变形过程。
基于有限大基体中包含微孔洞的体胞模型，GURSON[40]于1977年首次建立了多孔损伤塑性势模型，后续学者在该模型的基础上进行了大量的研究与应用。原始GURSON模型仅考虑了孔洞的长大过程，未包括孔洞形核、孔洞间的相互作用以及孔洞聚合等因素对材料力学性能的影响。针对上述问题，TVERGAARD和NEEDLEMAN及其合作者开展了大量的研究[4146]。目前，学者将由GURSON提出，经TVERGAARD和NEEDLEMAN修正的损伤模型称之为GTN模型。ABBASI等[46]采用GTN细观损伤模型成功地开展了IF钢激光拼焊板的成形极限预测研究。陈志英[47]推导了考虑塑性各向异性的Hill’48GTN和Barlat’89GTN细观损伤模型，并将临界孔洞体积分数作为失稳判据应用于AA5052铝合金圆杯形拉伸件的成形性预测。HE等[48]通过开展铝合金5052原位拉伸实验并结合数值仿真，对平面应力状态下考虑各向异性修正GTN模型的损伤参数进行了识别；进一步通过对NAKAZIMA实验的有限元仿真，建立了铝合金5052的应力成形极限图FLSD。WANG等[49]采用幂律硬化法则同时结合GTN模型对镁合金的损伤参数进行了识别并应用于镁合金板材的温成形仿真预测。GENEY等[50]采用GTN模型对两种奥氏体不锈钢在室温和280 ℃下的断裂行为进行了仿真研究，结果表明：除初始孔洞体积分数外，其他损伤相关参数均与温度有关。TINET等[51]通过高温拉伸实验对AISI303不锈钢的损伤演化机理进行分析，证实了GTN模型中临界孔洞体积分数和失效孔洞体积分数的物理意义。其中，临界孔洞体积分数依赖于变形温度、应力三轴度、外部载荷与轧制方向间的角度。刘文权等[5253]分别对高强钢22MnB5胀形热成形实验和铝合金7075T6的深冲盒热成形实验进行考虑损伤的仿真研究，验证了GTN损伤模型在热成形数值研究中的适用性，但其忽视了应变率对材料损伤演化的影响。此外，国内外学者通过直接对损伤模型本身进行修正或通过添加新损伤变量的方式，对GURSON损伤模型不能准确预测低应力三轴度下材料的斷裂问题进行了若干研究[5458]。综上，细观损伤模型通过引入现象学参数考虑了材料孔洞演化对本构关系的影响，且具有与材料变形历史、应力状态相关的特点，使得GTN类损伤模型在板材成形仿真中的应用具有很大潜力。因此，全面开展热力耦合条件下考虑细观损伤的板材热冲压成形性能预测研究将是一个重要的发展方向。 3.3材料损伤识别研究进展
损伤参数的准确识别是板材成形性仿真可靠性的重要保障，而针对考虑损伤影响的高强度钢板热冲压研究来讲，其准确性还依赖于对温度、应变率影响下材料内部损伤的合理描述。
损伤参数识别的主要方法为代表性体积单元法、显微观测法和参数反分析法。SIRINAKORN等[59]采用代表性体积单元的方法，考虑了晶界的影响，确定了双相（DP）钢的损伤参数。HE等[48]基于显微法确定了铝合金5052O1的损伤参数。YAN等[60]利用显微图像的方法确定了某硅钢薄板的损伤特征参数并对冷轧硅钢薄板的边裂问题进行了仿真研究。上述研究需开展材料的单向拉伸实验并结合显微观测，然而热力耦合的高温拉伸实验工况复杂，材料的微观结构也会随着温度的改变而发生变化。因此，上述以机理分析和显微观测为基础的参数识别方法难以满足热成形过程的损伤参数识别需求。另一方面，通过显微观测直接获得的孔洞体积分数与损伤模型中的参数值存在一定差异[47，61]。目前，依靠参数反分析方法可以很好地解决多目标约束条件下宏、微观耦合本构关系中损伤参数的求解问题。在应用与实验相同的边值和初值条件下，损伤参数可以通过优化技术使得物理量的计算值和真实值（实验值）差值的某一范数最小加以确定。孙彩凤等[62]基于幂指数材料硬化模型和二阶响应面法，利用硬化参数建立误差评价函数，实现了DP780钢的损伤参数测定。ABBASSI等[63]采用3层ANN结构和反向传播算法确定了304不锈钢的GTN损伤参数，随后进行了椭圆和埃里克森杯突实验的有限元分析，仿真与实验结果具有高度的一致性。TANG等[32]基于最小二乘原理构建目标函数，用以评价实验与仿真结果间的差别，进一步采用遗传算法对模型参数进行优化以获取最小的目标函数值，得到了修正的LEMAITRE损伤模型參数。刘文权等[52]根据中心复合实验设计进行高温单向拉伸的数值模拟，进而构建响应曲面模型并采用遗传算法对参数进行求解，获得了热成形高强度钢的细观损伤特征参数。可见，针对不同的问题而采用对应的反分析方法来获取材料损伤参数是可取的。因此，通过构建适当的目标函数，结合数值反算、金相显微观察及合适的优化策略，综合测定各损伤特征参数并描述其演化过程，是开展热成形高温损伤演化机理研究的重要桥梁和途径。
4结语
金属板材成形极限是冲压领域国内外学者关注的热点问题，对成形性的准确评价可最大限度发挥材料的使用价值。随着实验手段、理论研究以及计算机辅助技术的发展，若干成形极限预测方法被提出。对于高强度钢板热冲压技术来讲，材料的成形性不仅取决于变形状态，而且强烈依赖于成形温度、应变率以及成形工艺的选择。上述因素给基于应变的成形极限图的应用带来了挑战。尽管有学者对高强度钢板在不同温度下的成形极限进行了实验及理论预测研究，但其仍不完全符合热冲压板料温度连续变化的特点；另一方面，应变路径相关性的短板也限制了应变成形极限图的应用范围。金属板材的韧性断裂可归因于材料内部孔洞损伤的演化，这为板材的成形性研究提供了思路。针对热冲压技术的工艺特点，在今后的研究中，可结合先进的实验观测手段对材料在不同温度（恒温、变温）、不同应力状态和不同加载速率等工况下的微观缺陷进行观测，分析损伤演化规律，进而实现对损伤理论模型的完善。通过建立精确的有限元模型，并开发耦合损伤的本构积分算法，实现对热冲压板材成形性的有效预测。上述工作可为实际热冲压工艺的优化提供指导并促进损伤理论在新材料、新工艺中的发展。
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2018年4月Journal of Hebei University of Science and TechnologyApr. 2018
关键词：损伤力学；热冲压；高强度钢；热成形性；参数识别
中图分类号：TG306文献标志码：A
收稿日期：20171220；修回日期：20180102；责任编辑：冯民
基金项目：国家自然科学基金（51705065）；中央高校基本科研业务费专项资金（DUT16RC（4）28，DUT17JC38）
第一作者简介：刘文权（1989—），男，天津人，博士，主要从事高强度钢板热冲压成形材料高温成形性方面的研究。
通信作者：盈亮讲师，博士。 Email：[email protected]
刘文权 ，盈亮，荣海，等.高强度钢板热成形性预测研究进展[J].河北科技大学学报，2018，39（2）：9198.
LIU Wenquan， YING Liang， RONG Hai， et al.Research progress of the prediction method for thermal formability of high strength steel[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2018，39（2）：9198.Research progress of the prediction method for thermal
formability of high strength steel
LIU Wenquan， YING Liang， RONG Hai， HU Ping
（Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China）
Abstract：Hot stamping of high strength steel is an approach to achieve the lightweight of autobody and guarantee the security of automobile simultaneously， and it has been widely used in the automobile and steel industry in recent years. Due to the high temperature process， the mechanical behaviors of high strength steel are strongly dependent on the deformation temperature and strain rate， which presents a challenge to evaluate the thermal formability accurately. On the basis of the review of the process characteristics of hot stamping， the experimental and theoretical predicted research on the thermal forming limit diagram （FLD） published by overseas and domestic scholars is analyzed. The deficiencies of FLD are discussed， then the evaluation methods for formability based damage mechanics are introduced， which include the continuum damage mechanics and mesoscopic damage mechanics. The calibration methods for damage parameter are also discussed. Finally， some suggestions are given： to accurately study the damage evolution of high strength steel in hot stamping， the influence of deformation temperature， strain rate and stress state must be fully considered. To achieve this， the method combined experiment， theory and numerical simulation must be adopted based on the technological characteristics of the hot stamping technology. This work can provide a reference for the improvement of damage theory in hot stamping of sheet metal， and the related research results can be used to guide process optimization of actual hot stamping， which can effectively shorten the development cycle of new products. Keywords：damage mechanics； hot stamping； high strength steel； thermal formability； parameter calibration
轻量化是实现汽车节能减排的重要途径。相较于车身结构件的优化减重，高强度材料的应用将得到更加显著的减重收益，同时也可保证整车的碰撞安全性。高强度钢板具有极高的比强度，价格远低于铝镁等轻质合金，因此，在未来很长一段时间内，高强度钢板都将在汽车轻量化方面得到广泛应用[1]。
河北科技大学学报2018年第2期刘文權，等：高强度钢板热成形性预测研究进展热冲压是将传统金属热处理和冷成形相结合的先进制造技术，可有效解决高强度钢板常温成形回弹大、易破裂、模具磨损严重、压机吨位要求高等问题[2]。热冲压技术的一般流程如图1所示。首先，将板材加热至900 ℃以上并进行充分保温，以实现板材微观为均匀的奥氏体组织；然后将红热板料快速转运至水冷模具，进行冲压成形并保压淬火；最后进行切边等后续处理。热成形零部件的抗拉强度可达1 500 MPa以上，同时具有回弹小、尺寸精度高等优点[34]。目前，国内外学者针对高强度钢板热冲压的技术特点，在高温材料力学性能，板材与模具间的接触换热、摩擦，成形工艺优化以及板料微观组织相变预测等方面开展了大量研究[511]。
图1热冲压技术一般流程
Fig.1General process of hot stamping technology
在金属板料塑性成形过程中，材料内部会伴随着损伤的演化发展，而不合理的成形工艺将造成材料损伤行为的加剧演化，导致板材的开裂破坏[12]。传统的试错方法是通过不断调整成形工艺、更改模具尺寸等方式，对上述问题予以解决。然而，该方法必将耗费大量的人力、物力，同时延长生产周期。有限元仿真技术的发展使得工程师可以对成形过程进行仿真预测，进而选取适当的准则对板材的成形性进行评价，以优化成形工艺，缩短研发周期。板材的成形极限是指在一定的变形条件下材料所能允许的不发生破裂的最大塑性变形程度。在此概念下提出的成形极限图FLD（forming limit diagram）[1314]被广泛应用于评定板材成形中的集中性失稳和危险点位置的确定，在优化模具设计、控制产品质量等方面发挥了重要的指导作用。
然而，应变成形极限图一般由线性或近似线性路径的胀形实验获得。在实际的成形过程中，板材的变形路径并非线性；进一步的研究表明，应变成形极限具有显著的变形路径相关性，这均给应变成形极限图的应用带来了挑战＼[1516＼]。同时，热冲压是一个温度连续变化的过程，高强度板材的成形性能不仅受应变大小和路径的影响，而且将强烈依赖于温度、应变率以及成形工艺窗口等多因素的选择。因此，简单地将传统成形极限方法应用于热冲压板材成形性研究是不可取的。本文将对国内外学者在热冲压成形性方面的研究进行综述，包括成形极限理论和实验方法的研究以及损伤理论在板材成形性研究中的应用，以期为热冲压高强度钢板，乃至镁铝合金的成形性研究提供借鉴意义。
1基于实验的高强度钢板热成形极限研究
常温成形极限可通过曲面法和平面法2种方式获得[1718]，其中以NAKAZIMA等[17]提出的半球形凸模胀形实验应用最为广泛。热成形极限实验研究可为理论的发展提供数据支撑，同时实验结果对热冲压工艺优化具有一定的指导意义。然而，高温工况的引入也为实验的开展带来了若干困难。
材料的高温应力应变关系是热冲压数值仿真所需的重要数据，同时其流变特性也可作为评价板材成形性的重要依据。MERKLEIN等[7]采用Gleeble1500热力模拟实验机，根据实际热冲压的工艺特点，对22MnB5在不同温度和应变率下的热力学性能进行了比较系统的研究，证实温度和应变率对22MnB5的力学行为有很大的影响。意大利帕多瓦大学的TURETTA等[19]采用Gleeble3800实验机对硼钢22MnB5的奥氏体化温度、保温时间以及高温流变行为进行了分析。同时，为研究高温板材的成形性开发了能模拟实际热冲压工艺的成形极限设备。该套设备根据NAKAZIMA测试原理，采用加热棒对凸模、凹模以及压边圈进行加热，以实现不同的测试工况；采用感应线圈实现对板材的均匀加热和保温；采用红外热像仪对板材温度进行实时监控；同时，该套设备集成了光学应变采集系统，可对板材在胀形过程中的应变进行采集分析。利用该套设备，BARIANI等[20]测取了奥氏体态22MnB5在600 ℃下的成形极限曲线。GEORGIADIS等[21]对22MnB5薄板（0.50， 0.80， 1.25 mm）的热成形性进行了研究，分析了等温、非等温成形以及厚度变化对板材成形极限的影响。MIN等[22]采用电阻炉对板材进行加热保温，进而转运至放有隔热石棉的模具上，图2高强度钢22MnB5三维热
成形极限TFLD
Fig.2Threedimensional TFLD for 22MnB5
high strength steel近似实现了800 ℃下22MnB5的胀形实验，而极限应变则通过板材断裂处附近椭圆网格的长短轴计算获得。采用同样的方式，LI等[23]研究了不同成形温度、板材厚度对成形极限的影响。为保证胀形过程中板材温度的均匀性以及开展更高温度的实验测试，SHI等[24]开发了钟罩式加热的成形极限测试装备，并进行了大量实验研究，考虑热冲压板材温度连续变化的特点，首次提出了三维热成形极限曲面TFLD（ThermalFLD）的概念，并作为破裂准则引入到自主开发的KMAS/HF热冲压成形分析模块，实现了热成形温度区间内板材成形性的评价，如图2所示。CUI等[25]进一步发展了上述概念，将温度范围扩大到了室温至800 ℃，并应用于实际B柱板材的热冲压仿真预测。 2基于失稳理论和断裂准则的高强度钢板热成形极限研究
在成形极限理论预测方面，现有研究多采用韧性断裂准则和失稳理论2种方式，并结合材材特性和成形工艺进行适当修正。
LI等[23]基于Oh’s韧性断裂准则和LoganHosford屈服函数对22MnB5不同厚度板材在800 ℃下的成形极限进行了预测并与实验做了对比分析；而在600 ℃和700 ℃下，红热板材在胀形过程中出现了奥氏体向铁素体的转变，因此LI等采用的理论模型并不能对以上两种温度成形极限进行准确预测。LEE等[26]对Cockcroft准则进行了修正，使其能考虑应变路径的影响，进而结合改进的高温拉伸实验预测了22MnB5在不同温度和应变率下的成形极限图；其中，通过高温拉伸实验仅可获得FLD的左半部分，因此，该理论方法对右半部分预测的可靠性仍需进一步验证。MIN等[22]基于尖点理论和LoganHosford屈服函数建立了相应的热成形极限预测方法并与实验结果进行了对比分析。研究表明，屈服函数的阶次对FLD右半部分影响显著。LI等[27]采用MK凹槽模型对22MnB5的热成形极限进行了预测，并对比了NH和MR两种硬化法则对预测结果的影响。SHI等[28]对比了4种韧性断裂准则对22MnB5热成形极限预测结果的影响。与LI等[23]的预测结果相似，每一种断裂准则预测的FLD均呈现主应变随着次应变增大而减小的趋势。其中，Oh’s准则与实验结果更为接近。
采用断裂准则和传统失稳理论进行的成形极限预测不能考虑材料内部的损伤演化；另一方面，为解决应变成形极限路径相关性问题而提出的应力成形极限图FLSD（forming limit stress diagram），其计算过程比较繁琐，而预测结果很大程度上依赖于本构关系的选择。目前，有研究表明，应力成形极限在某些变形状态下也将表现出路径相关性[29]。
3基于损伤理论的板材成形性研究
3.1基于连续介质损伤理论的板材成形性研究
金属板材的韧性断裂可归结于材料内部孔洞损伤的形核、长大、聚合。因此，采用损伤理论对材料的成形性进行研究，能对其断裂机理进行更加深入的解析。
在金属板材成形研究领域，相关学者基于连续介质损伤CDM （continuum damage mechanics） 理论已开展了部分工作[3032]。HADDAG等[33]采用CDM方法描述了板材塑性变形过程中的应变局部化现象，并分别结合AFS和TEODOSIU硬化模型预测了低碳钢的成形极限。BARIANI等[34]基于经典的LEMAITRE连续介质损伤模型对热冲压钢USIBOR1500的断裂行为进行了研究：采用软件Forge2008对近似570 ℃下USIBOR1500钢板的NAKAZIMA胀形过程进行数值模拟，其预测的板材断裂位置与实验结果具有较高的一致性。盈亮等[35]基于LEMAITRE连续损伤模型建立了耦合损伤的热弹塑性本构方程，通过热拉伸实验和优化计算，确定了22MnB5不同温度、应变率下的损伤参数，并对某车身B柱的热冲压过程进行了数值模拟。唐炳涛[36]推导了考虑有效应力和等效塑性应变对损伤影响的LEMAITRE韧性损伤演化方程，建立了耦合连续体损伤理论的22MnB5成形极限预测方法。基于连续介质损伤理论，LIN等[37]建立了一套新的耦合损伤统一粘塑性本构方程，并将其应用于铝合金5754热成形极限的预测研究。参考LIN的工作，周靖[38]和庄蔚敏等[39]分别针对高强度钢22MnB5及铝合金7075构建了基于位错密度的耦合损伤统一粘塑性本构方程组，通过数值积分及优化算法对材料的损伤参数进行了确定，并进一步实现了对所研究材料在不同温度及应变率下成形极限的预测。
然而，上述研究仍存在一些共性问题：首先，CDM损伤本构方程单纯引入标量、矢量或张量进行损伤形式的假设性描述。由于很难准确测定高温成形过程的真实临界损伤因子，现有研究中作为断裂判定依据的临界损伤因子的选取具有很大的随意性，无法证实其真实性；其次，板料变形过程中发生的延性损伤对微观结构的变化十分敏感，无法结合损伤的物理意义表征材料内部细观结构的非线性变化。上述问题使得基于CDM理论的板材成形性研究仍需进一步完善。
3.2基于细观损伤理论的板材成形性研究
细观损伤力学是金属损伤理论的另一个主要研究体系。将细观损伤的概念带入到宏观弹塑性断裂问题的研究中，可全面认识材料损伤演化到宏观微裂纹产生这样一个内在关联的复杂变形过程。
基于有限大基体中包含微孔洞的体胞模型，GURSON[40]于1977年首次建立了多孔损伤塑性势模型，后续学者在该模型的基础上进行了大量的研究与应用。原始GURSON模型仅考虑了孔洞的长大过程，未包括孔洞形核、孔洞间的相互作用以及孔洞聚合等因素对材料力学性能的影响。针对上述问题，TVERGAARD和NEEDLEMAN及其合作者开展了大量的研究[4146]。目前，学者将由GURSON提出，经TVERGAARD和NEEDLEMAN修正的损伤模型称之为GTN模型。ABBASI等[46]采用GTN细观损伤模型成功地开展了IF钢激光拼焊板的成形极限预测研究。陈志英[47]推导了考虑塑性各向异性的Hill’48GTN和Barlat’89GTN细观损伤模型，并将临界孔洞体积分数作为失稳判据应用于AA5052铝合金圆杯形拉伸件的成形性预测。HE等[48]通过开展铝合金5052原位拉伸实验并结合数值仿真，对平面应力状态下考虑各向异性修正GTN模型的损伤参数进行了识别；进一步通过对NAKAZIMA实验的有限元仿真，建立了铝合金5052的应力成形极限图FLSD。WANG等[49]采用幂律硬化法则同时结合GTN模型对镁合金的损伤参数进行了识别并应用于镁合金板材的温成形仿真预测。GENEY等[50]采用GTN模型对两种奥氏体不锈钢在室温和280 ℃下的断裂行为进行了仿真研究，结果表明：除初始孔洞体积分数外，其他损伤相关参数均与温度有关。TINET等[51]通过高温拉伸实验对AISI303不锈钢的损伤演化机理进行分析，证实了GTN模型中临界孔洞体积分数和失效孔洞体积分数的物理意义。其中，临界孔洞体积分数依赖于变形温度、应力三轴度、外部载荷与轧制方向间的角度。刘文权等[5253]分别对高强钢22MnB5胀形热成形实验和铝合金7075T6的深冲盒热成形实验进行考虑损伤的仿真研究，验证了GTN损伤模型在热成形数值研究中的适用性，但其忽视了应变率对材料损伤演化的影响。此外，国内外学者通过直接对损伤模型本身进行修正或通过添加新损伤变量的方式，对GURSON损伤模型不能准确预测低应力三轴度下材料的斷裂问题进行了若干研究[5458]。综上，细观损伤模型通过引入现象学参数考虑了材料孔洞演化对本构关系的影响，且具有与材料变形历史、应力状态相关的特点，使得GTN类损伤模型在板材成形仿真中的应用具有很大潜力。因此，全面开展热力耦合条件下考虑细观损伤的板材热冲压成形性能预测研究将是一个重要的发展方向。 3.3材料损伤识别研究进展
损伤参数的准确识别是板材成形性仿真可靠性的重要保障，而针对考虑损伤影响的高强度钢板热冲压研究来讲，其准确性还依赖于对温度、应变率影响下材料内部损伤的合理描述。
损伤参数识别的主要方法为代表性体积单元法、显微观测法和参数反分析法。SIRINAKORN等[59]采用代表性体积单元的方法，考虑了晶界的影响，确定了双相（DP）钢的损伤参数。HE等[48]基于显微法确定了铝合金5052O1的损伤参数。YAN等[60]利用显微图像的方法确定了某硅钢薄板的损伤特征参数并对冷轧硅钢薄板的边裂问题进行了仿真研究。上述研究需开展材料的单向拉伸实验并结合显微观测，然而热力耦合的高温拉伸实验工况复杂，材料的微观结构也会随着温度的改变而发生变化。因此，上述以机理分析和显微观测为基础的参数识别方法难以满足热成形过程的损伤参数识别需求。另一方面，通过显微观测直接获得的孔洞体积分数与损伤模型中的参数值存在一定差异[47，61]。目前，依靠参数反分析方法可以很好地解决多目标约束条件下宏、微观耦合本构关系中损伤参数的求解问题。在应用与实验相同的边值和初值条件下，损伤参数可以通过优化技术使得物理量的计算值和真实值（实验值）差值的某一范数最小加以确定。孙彩凤等[62]基于幂指数材料硬化模型和二阶响应面法，利用硬化参数建立误差评价函数，实现了DP780钢的损伤参数测定。ABBASSI等[63]采用3层ANN结构和反向传播算法确定了304不锈钢的GTN损伤参数，随后进行了椭圆和埃里克森杯突实验的有限元分析，仿真与实验结果具有高度的一致性。TANG等[32]基于最小二乘原理构建目标函数，用以评价实验与仿真结果间的差别，进一步采用遗传算法对模型参数进行优化以获取最小的目标函数值，得到了修正的LEMAITRE损伤模型參数。刘文权等[52]根据中心复合实验设计进行高温单向拉伸的数值模拟，进而构建响应曲面模型并采用遗传算法对参数进行求解，获得了热成形高强度钢的细观损伤特征参数。可见，针对不同的问题而采用对应的反分析方法来获取材料损伤参数是可取的。因此，通过构建适当的目标函数，结合数值反算、金相显微观察及合适的优化策略，综合测定各损伤特征参数并描述其演化过程，是开展热成形高温损伤演化机理研究的重要桥梁和途径。
4结语
金属板材成形极限是冲压领域国内外学者关注的热点问题，对成形性的准确评价可最大限度发挥材料的使用价值。随着实验手段、理论研究以及计算机辅助技术的发展，若干成形极限预测方法被提出。对于高强度钢板热冲压技术来讲，材料的成形性不仅取决于变形状态，而且强烈依赖于成形温度、应变率以及成形工艺的选择。上述因素给基于应变的成形极限图的应用带来了挑战。尽管有学者对高强度钢板在不同温度下的成形极限进行了实验及理论预测研究，但其仍不完全符合热冲压板料温度连续变化的特点；另一方面，应变路径相关性的短板也限制了应变成形极限图的应用范围。金属板材的韧性断裂可归因于材料内部孔洞损伤的演化，这为板材的成形性研究提供了思路。针对热冲压技术的工艺特点，在今后的研究中，可结合先进的实验观测手段对材料在不同温度（恒温、变温）、不同应力状态和不同加载速率等工况下的微观缺陷进行观测，分析损伤演化规律，进而实现对损伤理论模型的完善。通过建立精确的有限元模型，并开发耦合损伤的本构积分算法，实现对热冲压板材成形性的有效预测。上述工作可为实际热冲压工艺的优化提供指导并促进损伤理论在新材料、新工艺中的发展。
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2018年4月Journal of Hebei University of Science and TechnologyApr. 2018