5052铝合金冲压成形过程中韧性断裂的仿真研究
5052铝合金冲压成形过程中韧性断裂的仿真研究
余海燕;王友
【摘 要】对5052铝合金进行单向拉伸试验，使用试验曲线拟合Voc e模型参数。观察拉伸试样断口形貌，并使用光学显微镜测量拉伸试样断口的最小厚度。结合单向拉伸仿真和试验结果，求解得到Cockcroft-Latham 韧性断裂准则中的材料参数。将Voce 模型和Cockcroft-Latham 韧性断裂准则引入球头胀形仿真，并进行试验对比。结果表明：采用该拟合的Voce 模型和Cockcroft-Latham韧性断裂准则预测所得零件开裂位置和裂口形状与试验结果吻合，采用的基于有限元仿真与简单试验相结合的材料参数反求方法具有求解方便、计算精度高的优点。%The uniaxial tensile tests were conducted on 5052 aluminum alloy and Voce model parameters were determined by fitting with the experimental curves. The fracture surface was observed and the minimum thickness of it was measured with optical microscope. The material parameter of Cockcroft-Latham ductile damage criteria was achieved through uniaxial tensile simulation and test results. Voce model and Cockcroft-Latham ductile damage criterion were introduced into the numerical simulation of spherical bulging and simu
lation approach was employed to compare with the experimental results. The results show that the position and shape of the fracture surface simulated with Voce model and Cockcroft-Latham ductile damage criteria are in good agreement with the experimental ones. The method of material parameters identification based on finite element simulation and simple tests has high accuracy and can be applied conveniently.
【期刊名称】《中国有金属学报》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】7页(P2975-2981)
【关键词】铝合金;球头胀形;韧性断裂;数值模拟
【作 者】余海燕;王友
【作者单位】同济大学汽车学院，上海 201804;同济大学汽车学院，上海 201804
【正文语种】中 文
【中图分类】TG389
铝合金由于具有密度低、耐腐蚀高、比强度高等特点，近来作为重要的轻质材料在汽车制造中被广泛使用[1-3]。破裂、起皱和回弹是板料冲压成形中的三大主要质量缺陷。铝合金和钢板相比，总伸长率更小，在室温下铝合金的成形性比钢板的差，更容易出现破裂现象[4-6]。准确模拟板料成形过程中的破裂现象，对成形工艺和模具设计具有重要意义。
金属材料的断裂主要可以分为脆性断裂和韧性断裂，多数铝合金属于韧性断裂[7-8]。韧性断裂准则从细观损伤力学角度出发，认为材料内部孔洞的缺陷在外力作用下不断地形核、长大并聚合, 最终引起了材料的损伤，可以较好地预测塑性差的板料成形性能[9-10]。
影响韧性断裂的因素很多，主要可以分为两大类。一类与材料相关[11]，如应变硬化水平、空穴体积分数和第二相粒子组成等；第二类与工艺相关[12-14]，如应变速率、摩擦和成形温度等。韧性断裂是制约金属成形的一个重要因素，因此，很多学者以损伤思想为背景，提出了韧性断裂准则。
LEMAITRE[15]基于热力学提出塑性损伤模型：
式中：εR和εD分别为材料单向拉伸损伤应变与损伤应变门槛值；σm是平均应力；是等效应力；ν是泊松比；p是塑性应变累积；Dc是临界损伤值；D为材料常数。OYANE等[16]研究多孔体材料在压缩状态下的本构关系，考虑平均应力的影响提出如下韧性断裂准则：
式中：ε为等效应变；为等效断裂应变；c2 为材料常数。
COCKCROFT等[17]认为对于某些给定的材料，最大拉应力是导致破坏的主要因素，当单位体积的塑性功达到某一极限值时材料发生破坏。将最大拉应力沿塑性应变路径积分，得到如下断裂准则：
式中：maxσ为最大拉应力；C为材料常数。
于忠奇等[18]针对塑性差的材料在破裂前无颈缩的现象，提出如下断裂准则：
式中：p和C均为材料常数。
韧性断裂
由于有限元计算可获得板料变形过程中单元应力应变分布，因此可方便地将韧性断裂准则引入板料成形仿真，用于预测断裂的发生。CLIFT等[19]对墩粗、双向等拉、单向拉伸和压缩
试验进行了预测。研究结果显示，考虑了材料广义塑性功极限值的断裂准则能更准确地预测材料断裂。TAKUDA等[20]将 Oyane准则、Cockcroft-Latham准则、Brozzo准则和Clift准则等用于铝合金和低碳钢板拉深成形的断裂预测中。结果表明，通过Cockcroft-Latham准则、Oyane准则和Brozzo准则均能够得出比较准确的预测。考虑到Cockcroft-Latham韧性断裂准则在铝合金板拉深成形中预测较准确，且材料常数容易确定，因此本研究中球头胀形数值模拟使用该准则作为材料的破裂判据。
本文作者通过标准单向拉伸试验获得 5052铝合金的应力-应变曲线，并通过拟合曲线获得5052铝合金的Voce模型参数，选择合适的韧性断裂准则，结合单向拉伸试验与有限元数值模拟确定 5052铝合金的材料失效参数。将获得的材料参数引入球头胀形数值模拟中，使用LS-DYNA软件预测5052铝合金极限胀形能力，并进行试验验证。
1  单向拉伸试验
试验所用材料为5052防锈铝合金，铝合金板厚度为1 mm。试样依据ASTM E8/E8-09单向拉伸试验标准制备，试样尺寸如图1所示，采用电火花线切割加工。单向拉伸试验在电子万能试验机SANS上进行，为了减少应变速率波动的影响，试验中拉伸速度设置为1 mm/min。
图1  单向拉伸试样尺寸Fig. 1  Dimensions of uniaxial tensile specimen (Unit: mm)
图2  5052铝合金板单向拉伸工程应力-应变曲线Fig. 2  Engineering strain—stress curves of 5052 aluminum alloy sheet in uniaxial tensile tests
5052铝合金的工程应力-应变曲线如图2所示。由图2可以看出，0°、45°和90°这3个方向的拉伸试验曲线非常接近，弹性模量均为60624 MPa；名义屈服强度分别为175 MPa、185 MPa和175 MPa；抗拉强度分别为220 MPa、210 MPa和215 MPa；总伸长率分别为10%、11.2%和10.5%。由试验结果可知，5052铝合金3个方向的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和总伸长率都非常接近，这说明5052铝合金各向异性较弱。
图3所示为拉伸断裂后的铝合金试样照片。试样断口与轴向所成角度约为45°，断口平整。使用扫描电子显微镜观察5052铝合金拉伸试样断口的形貌，结果如图4所示。从图4可以看出，5052铝合金拉伸试样断口存在两种类型的韧窝。第一种韧窝的外形大而深，说明5052铝合金属于韧性断裂；第二种韧窝外形较小，在韧窝的底部和四周分布着一定量的球形颗粒，说明5052铝合金有部分脆性断裂。由于第二种韧窝比例较少，因此5052铝合金的主要断裂机制属于韧性断裂。
图3  拉伸断裂后铝合金试样照片Fig. 3  Photo of failed aluminum alloy tensile specimen
图4  单向拉伸试样断口的SEM像Fig. 4  SEM image of fracture surface of tensile specimen
表1  5052铝合金的材料参数Table 1  Material parameters of 5052 aluminum alloyElastic modulus/MPa  Poisson’s ration  Yield stress/MPa  Q1/MPa  C1  Q2/MPa  C2 60624  0.33  161.5  7.8  1491.6  85.8  25.4
2  材料参数识别
使用LS-DYNA有限元软件分别对单向拉伸和球头胀形进行仿真。材料模型选择MAT_135，该模型能够使用Voce非线性各向同性硬化模型，以及将材料的断裂应变能作为失效判据。由于5052铝合金表现出来的各向异性较弱，因此，MAT_135对其具有较好的适用性。仿真中使用的材料本构模型由Barlat89屈服准则，Voce模型和流动方程[21]结合而来。采用Cockcroft-Latham韧性断裂准则进行断裂预测。
2.1  Voce硬化模型参数拟合
根据文献[22]，Voce模型的各参数可以通过拟合材料应力-应变曲线得到，使用Voce模型对 5052铝合金的应力-应变曲线进行拟合，拟合所得曲线和材料参数分别见图 5和表 1，其中 Q1、Q2、C1、C2为Voce模型的材料参数。拟合曲线和试验曲线的相关系数为0.995，拟合相似度较高。
图5  试验和拟合所得5052铝合金的应变硬化曲线Fig. 5  Experimental and fitting strain-hardening curves of 5052 aluminum alloy
图6所示为单向拉伸试样有限元模型，网格平均尺寸为1 mm。厚度方向采用5个积分点，使用16号全积分壳单元。试样的一端添加固定约束，另一端以1 mm/min的恒定速度沿轴向运动。材料使用MAT_135模型，硬化模型选择Voce非线性各向同性硬化模型，采用如表1所列的拟合得到的Voce模型参数，材料的泊松比和各向异性指数由材料供货方提供。使用LS-DYNA的隐式模块进行求解。
在仿真过程中，单向拉伸试样随着变形增加先后会出现均匀变形和局部颈缩。由于仿真模型中缺少材料失效判据，所以当拉伸位移不断增加时，试样的厚度会持续减薄直至为 0，但是不会出现直观断裂。试样在拉伸仿真中厚度分布云图变化如图7所示。由图7可知，随着试样
变形的增加，试样厚度不断减薄，中间区域厚度减薄得最快。在初始时刻，试样标距区域变形均匀，随着拉伸位移的增加，试样变形不断增大，试样中部宽度出现明显变窄，即局部颈缩。
图 8所示为仿真与试验获得的应力-应变曲线对比结果。由图8可以看到，在试样发生颈缩之前仿真和试验结果吻合较好。一方面，说明采用拟合所得Voce模型参数描述材料断裂之前的应力应变行为有较高的精度。另一方面，在有限元数值模拟中由于没有添加断裂失效判据，所以单元的拉应力在出现颈缩之后依然会随着拉伸位移的增大而继续变大，与实际应力-应变曲线出现不同趋势走向。因此，以下将对断裂准则中的参数进行反求，以更准确地模拟材料弹塑性直至断裂整个变形过程的力学行为。

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