铝合金与钢板塑性变形中的弹性模量

铝合金与钢板塑性变形中的弹性模量

1弹性模量对塑性变形变化的影响弹性模量是工程材料的重要性能参数。在宏观角度上，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力的规模。由于在冲压成形过程中不但存在塑性变形,还伴随有弹性变形,卸载后由于弹性变形的恢复,即产生回弹现象,因此弹性模量是影响回弹的重要材料性能参数。冲压成形时的形状冻结、面畸变和制件的刚度等都受到材料弹性模量支配,可见,弹性模量对冲压件的成形精度有着重要的影响。随着冲压成形CAE技术的发展,有限元数值模拟开始应用于冲压成形模拟和回弹预测。现在工程应用和数值模拟中一般都把弹性模量作为常数,而实际上弹性模量随塑性变形的发展是在不断的变化,这种变化的程度对不同材料也不相同。采用不变的弹性模量进行回弹预测,所得的结果与实际情况会有很大的偏离,导致回弹预测精度的降低。因此弹性模量这一影响回弹的重要性能参数随塑性变形的变化规律已引起了国内外学者的关注。目前,对冷轧钢板的弹性模量在塑性变形过程中的变化规律已经有了研究,并将结果引入到对弯曲件回弹的有限元模拟中,有效地提高了回弹的预测精度。BrinkmanJ于20世纪90年代研究了弹性模量随塑性变形的变化规律,并且提出了一个简单弹性模量变形模型。同时学者李雪春对铝合金的弹性模量在塑性变形中的变化规律进行了系统研究,并用数学模型进行了描述。FusahitoYoshidau研究了中强度钢和高强度钢在成形中的弹性模量随塑性应变变化的规律。随着铝合金和高强度钢在汽车工业和航空工业的广泛应用,由于其性能与普通的低碳钢不同,在冲压成形中产生的回弹较大。因此对两种类型材料弹性模量与塑性变形变化的关系进行系统研究对回弹预测有着重要的理论意义与实用价值。本文通过试验研究,系统分析高强度钢和不同铝合金的弹性模量随塑性变形的变化规律,得出弹性模量与塑性应变的变化关系,并采用分段线性函数进行描述。2试验数据和方法材料选用2024-T3、2A12(CZ)、3A21(状态:H14)和ST14,板材厚度分别为1.3,2.0,1.5和1.5mm。试样方向与轧制方向相同,试验采用动力学试验方法测量弹性模量值,试样按标准GB/T228-2002制成,标准拉伸试样如图1所示。在Instronmodel1341型号电子拉伸机上完成试验。试验中获得的应变为工程应变,由Instron自带引伸计直接测得。试验数据由采集系统定时自动采集并保存为Excel文件格式。为了获得比较准确的试验结果,本试验主要抽取载荷与工程应变数据,然后通过计算获得真实的应力-应变曲线,最后通过真实应力、应变值测得弹性模量值。由于采用的试验设备具备较高的精度,试验测得的载荷-工程应变曲线的初始阶段不是严格意义上的直线,按照取斜率求弹性模量的方法是不够准确的。因此,本研究中采用多项式拟合弹性阶段的真实应力、应变值,获得弹性阶段真实应力-应变拟合曲线,再将曲线外推到使函数值为零的点,求该点的导数值,作为弹性模量的数据处理方法,如图2所示。整个弹性模量的求取在Matlab软件下实现与完成。为了尽量获得真实、全面的试验数据,以便真实反应弹性模量与塑性变形的变化规律,试验中每次试验都进行了认真的设备调试和检查,同时采用了以下两种试验方案。(1)加载时长至配合物对拟合曲线的影响采用多个试样,先分别通过应变控制拉伸变形至不同的塑性变形程度,其中2024-T3拉伸应变为2%,4%,5.5%,8%,10%和12.5%;3A21为1%,1.5%,2.5%,3.5%和4.5%;2A12为1%,2%,5%,6%,8%和10%;而ST14为2%,4%,6%,10.5%,18%和26%。然后卸载后,再加载到相同的塑性变形程度,也就是经历加载-卸载-加载的过程,相应获得3条反应弹性阶段的拟合曲线。然后在弹性范围内分别求取各自弹性模量,可获得3个弹性模量值,分别为初始、卸载和加载弹性模量。该方案称为简单加载。(2)将塑性变形作为一个弹性模量值的2.采用一个试样,先通过应变控制拉伸变形到一定的塑性变形程度,其中2024-T3拉伸应变为1%,2%,3%,4%和5.5%;3A21为1%,2%,2.5%,3%和4%;而ST14为2%,4%,6%,10%,14%和18%。然后通过载荷控制卸载后再加载到相同的塑性变形程度,继续加载,使其产生更大的塑性变形。重复上述步骤,直到取得足够的试验数据,最后再由各塑性变形对应的弹性阶段拟合曲线求取其弹性模量值,获得多个弹性模量值。该方案可称为反复加载。3弹性模量随重塑变形程度的变化根据方案1的试验数据,采用弹性模量处理方案求取了材料2024-T3、2A12(CZ)、3A21和深冲钢板ST14在简单加载下不同塑性应变对应的弹性模量值。4种材料在简单加载方式下弹性模量与等效塑性应变的关系如图3所示。根据试验方案2与试验数据,采用以上的弹性模量处理方案对试验数据处理,获得了材料2024-T3、3A21和深冲钢板ST14在反复加载下弹性模量与等效塑性应变的关系曲线,如图4所示。由图3、图4可知,4种材料的弹性模量随塑性变形程度变化的趋势基本相同,与冷轧钢板的弹性模量变化规律(图5)基本一致,即初始阶段弹性模量随塑性变形程度的增加先有一定幅度下降,在达到一定变形程度后,其变化趋于平缓。对试验后获得的弹性模量随等效塑性应变变化曲线分析后可以看出,4种材料的弹性模量的下降幅度不同。如表1和表2所示,深冲钢板ST14下降幅度最大,其最大幅度为45.41%左右,次之为防锈铝3A21,其下降最大幅度为30.639%,最小的为硬铝2A12,最大的幅度只有17.812%,但也比冷轧钢板的弹性模量下降幅度大得多,冷轧钢板的弹性模量值最大可下降约6%。同时发现,不同材料在初始下降阶段最小弹性模量Emin对应的等效塑性应变点εi也是不同的。如表1和表2所示,深冲钢ST14、防锈铝3A21较大,2024-T3次之,硬铝2A12最小。通过分析发现,当等效塑性应变小于εi时,弹性模量急剧下降;随着塑性变形的增加,塑性应变大于εi,弹性模量略有增加。当塑性应变达到一定程度后,塑性变形对弹性模量的影响不再明显,弹性模量变化趋于平缓。由此可以揭示,板料冲压成形中在初始小变形范围弹性模量有较大变化,随着变形程度增加到一定程度,弹性模量变化趋于平缓,但是弹性模量值相对于初始的弹性模量Einit仍然有较大变化,远小于初始弹性模量Einit。同时,加载方式对弹性模量的变化有影响。在不同加载方式下,弹性模量随塑性变形程度的变化趋势相同,在反复加载方式下,4种材料的弹性模量下降幅度稍小于简单加载方式下弹性模量的下降幅度。4材料弹性模量随等效塑性应变的变化规律回弹数值模拟中考虑弹性模量随塑性应变的变化是提高回弹数值模拟预测精度的重要手段,而准确描述弹性模量随塑性变形的变化规律是进行回弹数值模拟的前提。本文采用分段线性函数描述弹性模量与塑性应变的变化关系。如图5所示,即用AB、BC线性关系进行描述,当等效塑性应变小于εl时,采用AB线性段;当塑性应变大于εl时采用BC线性段描述。通过以上分析可以看出,加载方式对材料的弹性模量变化影响不大,尤其是铝合金材料。因此该节将两种加载方式下的试验数据进行整合,将数据分段进行拟合而实现,采用同一分段线性函数对材料弹性模量随等效塑性应变的变化规律进行描述,2024-T3、2A12材料弹性模量变化规律拟合效果如图6所示。通过对试验结果数据进行分段拟合后得到了各材料弹性模量随塑性应变变化规律的分段线性函数,分别为: