第11期 周靖等：耦合损伤的22MnB5热变形本构模型 ·1451· 其损伤演化并建立相关模型，可以分析和预测热冲 考虑应变、应变速率、温度等因素，建立损伤演化 压中的成形规律与成形缺陷 模型，与基于位错密度的统一黏塑性本构模型耦合， 自1958年Kachanovl冈提出连续度概念以来， 利用遗传算法计算模型中的材料常数，为高强钢热 损伤力学不断发展与演化，逐渐形成连续介质损伤 冲压中成形极限的预测提供理论依据 力学的基本框架.Li加等剧总结了在各种变形条件 1 Gleeble高温拉伸试验 下，例如高温蠕变、超塑性成形、热成形等过程中损 伤演化机制，损伤建模及模型标定.其文认为金属 物理模拟是实现数值模拟的前提与基础，利用 热成形中的损伤主要表现形式为第二相颗粒附近的 Gleeble500热模拟试验机对厚度为1.4mm的 微孔洞和晶界处的微裂纹，这两种类型的损伤比例 22MB5高强钢进行高温拉伸试验，试验材料由首 随着应变率、温度和晶粒大小发生变化，当微孔洞 钢集团提供，其化学成分如表1所示，拉伸试件的 具体形状和尺寸如图1(a)所示，拉断后某试件的照 和微裂纹发生融合就形成了宏观裂纹.Bariani等报 道了利用连续介质损伤力学方法(continuum dam- 片如图1(b)所示.试验过程中，通过点焊机将K型 热电偶丝焊在试件中部表面，用于监控试件温度， age mechanics)替代传统的成形极限曲线(FLC曲 并通过调节压缩空气的流量控制试件的冷却速度. 线)来分析高强钢热冲压工艺.基于连续介质损伤 由于试验中采用电阻加热，试件延长度方向温度分 力学的本构模型可以作为成形极限曲线的一种替代 布不均匀，以试件中心为对称轴呈现轴对称分布， 方法去预测材料的高温成形极限，该模型考虑了温 这是采用Gleeble试验机进行高温拉伸试验不可避 度和应变率的影响，反映了材料破坏的动态过程即 免的现象.依据文献[⑥]中的试验数据，当非夹持段 损伤的形成与积累，在热冲压过程的数值模拟、工 长度为50mm,若接受20℃左右的温度不均匀性， 艺方案制定及成形工艺参数优化等方面起着重要作 均热段长度大约为10~20mm,故本试验取均热段 用同 长度为15mm(见图1(b)所示)，用于高温应力-应 获得材料应力一应变曲线可以通过压缩和拉伸 变曲线的计算与修正. 两种方法.在压缩中，“鼓形效应”和“内外温差效 表122MB5高强钢板的化学成分（质量分数） 应”是不可避免的.本文利用Gleeble3500热模拟试 Table 1 Chemical composition of 22MnB5 high-strength 验机，对22MnB5冷轧板料进行高温拉伸试验，研 steel % 究了22MB5高强钢高温拉伸过程中流变特征，分 C Si Mn Cr Al B Fe 析单向拉伸断裂应变随温度和应变率的变化规律 0.230.25 1.30 0.230.030.003 余量 (b) 均热段取15mm (a) 110 接受20°C的温差 5 50 010 图122MnB5高强钢高温拉伸试样.(a)拉伸试件尺寸示意图（单位：mm):(b)拉断后试件及均热段长度 Fig.1 High temperature tensile specimen of 22MnB5 high-strength steel:(a)specimen dimensions (unit:mm);(b)fractured specimen and uniform temperature gauge 在热冲压中，钢板被加热到奥氏体化温度并保 至指定温度后保温3min,然后以50℃·s1冷却 温一段时间，使其充分奥氏体化后，被迅速转移到 速率降到变形所需温度，保温10s使试件的温度均 带冷却管道的模具中成形并淬火.热冲压过程中板 匀稳定.在设定的变形温度900、800、700℃和应变 料变形与降温同时进行，为使试验结果能够准确反 率0.01、0.1、1、10s下对试样进行拉伸，直至断 映22MB5在热冲压过程中力学行为的变化，试验 裂破坏，变形结束后进行空冷，拉伸中同时记录载 设计方案如图2所示.在加热阶段分为两步，第一 荷、位移、温度等数据.高温拉伸试验包含3个温 步是以15℃s1的加热速率加热到700℃，第二 度和4个应变速率，组合成12组试验，在每组试 阶段是以5℃s1的加热速率加热到925℃.加热验条件下进行一次高温拉伸试验.第 11 期 周 靖等：耦合损伤的 22MnB5 热变形本构模型 1451 ·· 其损伤演化并建立相关模型，可以分析和预测热冲 压中的成形规律与成形缺陷. 自 1958 年 Kachanov[2] 提出连续度概念以来， 损伤力学不断发展与演化，逐渐形成连续介质损伤 力学的基本框架. Lin 等 [3] 总结了在各种变形条件 下，例如高温蠕变、超塑性成形、热成形等过程中损 伤演化机制，损伤建模及模型标定. 其文认为金属 热成形中的损伤主要表现形式为第二相颗粒附近的 微孔洞和晶界处的微裂纹，这两种类型的损伤比例 随着应变率、温度和晶粒大小发生变化，当微孔洞 和微裂纹发生融合就形成了宏观裂纹. Bariani等[4] 报 道了利用连续介质损伤力学方法 (continuum dam￾age mechanics) 替代传统的成形极限曲线 (FLC 曲 线) 来分析高强钢热冲压工艺. 基于连续介质损伤 力学的本构模型可以作为成形极限曲线的一种替代 方法去预测材料的高温成形极限，该模型考虑了温 度和应变率的影响，反映了材料破坏的动态过程即 损伤的形成与积累，在热冲压过程的数值模拟、工 艺方案制定及成形工艺参数优化等方面起着重要作 用 [5] . 获得材料应力 – 应变曲线可以通过压缩和拉伸 两种方法. 在压缩中，“鼓形效应” 和 “内外温差效 应” 是不可避免的. 本文利用 Gleeble-3500 热模拟试 验机，对 22MnB5 冷轧板料进行高温拉伸试验，研 究了 22MnB5 高强钢高温拉伸过程中流变特征，分 析单向拉伸断裂应变随温度和应变率的变化规律. 考虑应变、应变速率、温度等因素，建立损伤演化 模型，与基于位错密度的统一黏塑性本构模型耦合， 利用遗传算法计算模型中的材料常数，为高强钢热 冲压中成形极限的预测提供理论依据. 1 Gleeble 高温拉伸试验 物理模拟是实现数值模拟的前提与基础，利用 Gleeble 3500 热模拟试验机对厚度为 1.4 mm 的 22MnB5 高强钢进行高温拉伸试验，试验材料由首 钢集团提供，其化学成分如表 1 所示，拉伸试件的 具体形状和尺寸如图 1(a) 所示，拉断后某试件的照 片如图 1(b) 所示. 试验过程中，通过点焊机将K 型 热电偶丝焊在试件中部表面，用于监控试件温度， 并通过调节压缩空气的流量控制试件的冷却速度. 由于试验中采用电阻加热，试件延长度方向温度分 布不均匀，以试件中心为对称轴呈现轴对称分布， 这是采用 Gleeble 试验机进行高温拉伸试验不可避 免的现象. 依据文献 [6] 中的试验数据，当非夹持段 长度为 50 mm，若接受 20 ℃左右的温度不均匀性， 均热段长度大约为 10∼20 mm，故本试验取均热段 长度为 15 mm (见图 1(b) 所示)，用于高温应力 – 应 变曲线的计算与修正. 表 1 22MnB5 高强钢板的化学成分 (质量分数) Table 1 Chemical composition of 22MnB5 high-strength steel % C Si Mn Cr Al B Fe 0.23 0.25 1.30 0.23 0.03 0.003 余量 图 1 22MnB5 高强钢高温拉伸试样. (a) 拉伸试件尺寸示意图 (单位：mm)；(b) 拉断后试件及均热段长度 Fig.1 High temperature tensile specimen of 22MnB5 high-strength steel: (a) specimen dimensions (unit: mm); (b) fractured specimen and uniform temperature gauge 在热冲压中，钢板被加热到奥氏体化温度并保 温一段时间，使其充分奥氏体化后，被迅速转移到 带冷却管道的模具中成形并淬火. 热冲压过程中板 料变形与降温同时进行，为使试验结果能够准确反 映 22MnB5 在热冲压过程中力学行为的变化，试验 设计方案如图 2 所示. 在加热阶段分为两步，第一 步是以 15 ℃ ·s –1 的加热速率加热到 700 ℃，第二 阶段是以 5 ℃ ·s –1 的加热速率加热到 925 ℃. 加热 至指定温度后保温 3 min，然后以 50 ℃ ·s –1 冷却 速率降到变形所需温度，保温 10 s 使试件的温度均 匀稳定. 在设定的变形温度 900、800、700 ℃和应变 率 0.01、0.1、1、10 s–1 下对试样进行拉伸，直至断 裂破坏，变形结束后进行空冷，拉伸中同时记录载 荷、位移、温度等数据. 高温拉伸试验包含 3 个温 度和 4 个应变速率，组合成 12 组试验，在每组试 验条件下进行一次高温拉伸试验