Xác định các tham số vật liệu để dự đoán đường cong biến dạng cho quá trình kéo/nén vật liệu tấm DP590

ISSN 2354-0575 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ VẬT LIỆU ĐỂ DỰ ĐỐN ĐƯỜNG CONG BIẾN DẠNG CHO Q TRÌNH KÉO/NÉN VẬT LIỆU TẤM DP590 Vương Gia Hải1,2, Nguyễn Thị Hồng Minh2, Nguyễn Đức Tồn2 Trường Đại học Hải Phịng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày tòa soạn nhận báo: 03/04/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 06/05/2019 Ngày báo duyệt đăng: 20/05/2019 Tóm tắt: Trong báo này, đưa phương pháp cho việc dự đốn xác đường cong chảy vật liệu kéo/nén kim loại có độ cứng cao DP590, phương pháp kết hợp mơ hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động cho việc xác định tham số vật liệu trước đưa vào q trình mơ phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS/explicit 6.13 Trước tiên, liệu thực nghiệm trình kéo/nén thực máy kéo/nén đơn trục MTS 810 Hai mơ hình vật liệu biến cứng đẳng hướng biến cứng động sử dụng để xác định tham số vật liệu cho q trình mơ dựa vào liệu thực nghiệm trước Việc so sánh kết mô thực nghiệm kéo/nén kim loại DP590 cho thấy không phù hợp hai mơ hình trước Cuối cùng, phương pháp để xác định tham số vật liệu cho trình kéo/nén kim loại DP590 đề xuất dựa mơ hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động để cải thiện q trình dự đốn đường cong biến dạng kéo/nén Kết sau mô so sánh với thực nghiệm mơ hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động riêng rẽ cho thấy khả cải thiện độ xác cách rõ ràng mơ hình kết hợp đề xuất Từ khóa: Thử nghiệm kéo/nén, mơ hình vật liệu biến cúng, DP590, phần tử hữu hạn, ABAQUS Đặt vấn đề Hiện nay, với cạnh tranh thị trường ngày lớn, xu hướng sản phẩm tạo hình gia cơng biến dạng từ thép ngày khó, với hình dạng tạo hình ngày phức tạp, nhiều cấu trúc thiết kế tự do, địi hỏi độ xác cao nhiều loại vật liệu với giới hạn bền kéo tối đa cao hệ thuộc tính khả tạo hình thấp [1] Nhưng sản phẩm thường gặp số vấn đề như: vết nứt sớm, khả đàn hồi ngược cao, biến dạng mức phận, chất lượng cuối bề mặt bị hỏng Tất thay đổi kể tiền đề cần thiết cho q trình mơ số phát triển trở thành công cụ thiếu cho việc dự đốn tối ưu hóa tham số đầu vào khác vật liệu, hình học, cơng nghệ [1-3] Nhưng kết phân tích mơ số phải kiểm chứng việc so sánh với kết thực nghiệm Trong cơng nghệ tạo hình kim loại tượng ảnh hưởng Baushinger (Hình 1) chu trình biến dạng dẻo yếu tố quan trọng độ xác sau tạo hình kim loại Hiệu ứng Baushinger thể thông qua khác biệt giới hạn đàn hồi sau kéo ( v kl ) nén ( v nl ) kim loại so với giới hạn đàn hồi trường hợp kéo nén cách riêng biệt (v k = v n) Bởi tượng gây tượng đàn hồi Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 ngược sau tạo hình biến dạng dẻo kim loại Hình Hiệu ứng Bauschinger Trong nghiên cứu Để dự đốn xác tượng Baushinger q trình kéo nén vật liệu tấm, mơ hình cứng hóa đẳng hướng/động học đề xuất kim loại DP590 vật liệu thép cán nguội dùng ngành điện, y tế, máy tính ngành cơng nghiệp chế tạo khung vỏ ôtô Trước tiên, mẫu vật kéo DP590 cắt từ kim loại theo phương song song với hướng cán tiến hành thực thí nghiệm kéo đơn trục Để mô tả liệu thử nghiệm thơng qua phương trình liên tục vật liệu, đường cong ứng suất biến dạng cứng hóa theo luật Voce’s Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 [4] Các số vật liệu hàm chảy dẻo sau xác định thơng qua cơng cụ tính tốn Maple 16 dựa liệu thí nghiệm phương pháp tương thích bình phương bé Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS cuối sử dụng mơ tả q trình kéo/nén kim loại DP590, đưa dự đoán đường cong ứng suất-biến dạng dựa mơ hình biến cứng vật liệu khác chứng minh phương pháp đề xuất để xác định tham số vật liệu theo mô hình kết hợp động học/đẳng hướng cho kết phù hợp so với liệu thí nghiệm Mơ hình vật liệu Luật cứng hóa Voce [4] phương trình (1) biểu diễn đường cong ứng suất biến dạng sau: (1) vr = vY + A (1 - exp (- Bf eqpl )) Với A B hệ số dẻo vr , f eqpl vY ứng suất tương đương, biến dạng tương đương, giới hạn đàn hồi kéo, tương ứng Mô hình biến cứng kết hợp, phát triển Amstrong – Frederick [5] sau Chaboche [6] Đối với mơ hình biến cứng kết hợp, bề mặt dẻo Von-Mises vừa dịch chuyển (động học), vừa mở rộng (đẳng hướng) định nghĩa phương trình (2) 1 (2) f _v i = p j: p j = vr 2iso Trong vr iso ứng suất chảy tương đương, ξ tenxơ trạng thái ứng suất đo từ trung tâm mặt dẻo, thể biểu thức (3) α tenxơ ứng suất ngược (3) p j = Sj - a j Tenxơ trạng thái ứng suất lệch: (4) S j = v j - vm I Trong σj , σm I ten xơ trạng thái ứng suất hành, ten xơ trạng thái ứng suất trung bình ten xơ trạng thái ứng suất đơn vị cách tương ứng Đối với mơ hình biến cứng đẳng hướng, phương trình (2) viết lại theo phương trình (5) 1 (5) f _v i = S j: S j = vr Đối với mơ hình biến cứng động học bề mặt dẻo thể qua phương trình (6) (6) fo_v i = po j: po j = Sự tiến triển theo mơ hình biến cứng động học mơ tả thông qua lượng gia tăng ứng suất ngược theo hàm số biến dạng dẻo tương đương C (7) da j = v ( v j - a j ) d f eqpl - ca ij df eqpl r Trong ứng suất ngược α mơ tả từ luật biến cứng động học theo phương trình hàm số mũ pl C (8) a = y _1 - e - cfeq i Với C γ tham số vật liệu cần xác định theo luật biến cứng động học 2.1 Vật liệu Vật liệu sử dụng thí nghiệm thép có độ cứng cao DP590 có chiều dày 1.2 mm Kích thước mẫu thử kéo/nén cắt từ song song với hướng cán theo tiêu chuẩn Hình Các mẫu kéo/nén cắt máy cắt dây nhằm tránh sai lệch hình học Hình mơ tả đường cong ứng suất-biến dạng kéo a) kéo/nén biến dạng khác b) vật liệu phân tích DP590 Bảng thành phần hóa học vật mẫu DP590 Tính chất lý thể Bảng Hình Kích thước tiêu chuẩn KS-13B vật mẫu DP590 dày 1.2mm thử nghiệm kéo nén a) b) Hình Đường cong ứng suất biến dạng thí nghiệm kéo a) kéo nén b) vật mẫu DP590 Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Thành phần hóa học vật liệu mẫu DP590 Nguyên tố (%) C Mn 0.098 1.59 S Si 0.003 Cu 0.087 Sn 0.025 0.013 Ni Fe 0.02 Cịn lại phương pháp bình phương bé phần mềm Maple 16 xác định giá trị tương ứng σY , A, B 358.70 (MPa), 347.23 (MPa) 18.583 Bảng Cơ tính vật liệu mẫu DP590 Hệ số modul đàn hồi (GPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ dãn dài (%) K 202 358.7 26.3 1027.8 n R 0.184 0.754 2.2 Thiết lập thí nghiệm Thí nghiệm kéo/nén đơn trục thực cách sử dụng máy kéo/nén đơn trục MTS 810 Để chống tượng oằn nén phải sử dụng hệ thống kẹp hỗ trợ thủy lực Khi lực kẹp lớn lực ma sát giảm tượng nếp nhăn oằn kim loại Để giảm tối đa ảnh hưởng ma sát, Teflon sử dụng để bọc lên kẹp lực kẹp chuyển từ hệ thống bơm thủy lực tới kẹp thông qua chuỗi lăn cho phép vật mẫu di chuyển dọc theo chiều lực kéo 2.3 Xác định thông số vật liệu Mơ hình biến cứng động học Để mơ tả hiệu ứng Bauschinger q trình dự đốn đường cong ứng suất biến dạng kéo nén kim loại DP590, thơng số vật liệu mơ hình biến cứng động học C γ phương trình (8) xác định thông qua đường cong quan hệ α f, liệu α lấy việc dịch chuyển đường cong ứng suấtbiến dạng kéo lượng giới hạn chảy (σY) (Hình 4) Bằng cơng cụ tính tốn Maple 16 Dùng phương pháp hồi quy phi tuyến ta tìm C γ 6452.752 MPa 18.583 Mô hình biến cứng đẳng hướng Trong trường hợp biến cứng đẳng hướng túy, có tiến triển mở rộng kích thước bề mặt chảy dẻo α phương trình (8) khơng phương trình (5) sử dụng cho hàm chảy dẻo vật liệu Khi mơ hình biến cứng đẳng hướng sử dụng để mơ dự đốn đường cong ứng suất biến dạng qúa trình kéo/nén đơn trục cần xác định thông số σY, A, B phương trình (1) liệu đầu vào cho q trình mơ Bằng việc sử dụng phương trình (1) kết hợp với liệu thí nghiệm Hình tận dụng Khoa học & Cơng nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Hình Mơ hình biến cứng động học để xác định α Mơ dự đốn đường cong kéo-nén Hình Kết mô FE cho kiểm tra kéo/nén Để kiểm tra khả dự đoán đường cong ứng suất-biến dạng trình kéo nén vật liệu DP590 mơ hình biến cứng khác nhau, liệu thu từ kết thí nghiệm tính toán phần 2.3 lấy làm đầu vào cho q trình mơ số phương pháp phần tử hữu hạn qua phần mềm (ABAQUS/Explicit) Ở đây, mơ hình vật mẫu kiểm tra kéo/nén đơn trục mô phần tử lưới dạng vỏ (S4R) Kết mơ kéo/nén vật mẫu thể Hình Đối với mơ hình biến cứng đẳng hướng thơng số đầu vào gồm có khối lượng riêng t, mô dun đàn hồi E vật liệu tham số vật liệu σY, A, B xác định từ phương trình (1) Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 358.70 (MPa), 347.23 (MPa) 18.583 Đường cong ứng suất kéo-nén sau dự đốn thơng qua phần tử lưới mơ hình so sánh với liệu thực nghiệm Hình (a) Đối với mơ hình biến cứng động học tham số đầu vào mơ hình biến cứng đẳng hướng cịn phải đưa thêm vào hệ số C, γ 6452.752 MPa 18.583 để kể đến ảnh hưởng hiệu ứng Bauschinger Kết việc dự đoán đường cong kéo nến sử dụng mơ hình biến cứng đẳng hướng so với kết liệu thực nghiệm thể Hình (b) động học khác nhận xét thấy mơ hình biến cứng đẳng hướng khơng đánh giá hiệu ứng Bauschinger kết đường cong nén mơ hình dự đốn lớn so với liệu thực nghiệm, cịn mơ hình biến cứng động học cho kết đánh giá hiệu ứng Bauschinger giá trị lại thấp so với liệu thí nghiệm Đề xuất xác định tham số vật liệu mơ hình kết hợp Từ kết mô phần ta thấy, hai mơ hình biến cứng động học đẳng hướng khơng dự đốn xác tiến triển ứng suất-biến dạng trình kéo/nén vật liệu DP590 Do nghiên cứu đề xuất mô hình biến cứng kết hợp động học đẳng hướng để xác định tham số vật liệu Khi đó, liệu thử nghiệm q trình kéo nén đồng thời sử dụng để xác định giá trị (α) phụ thuộc vào (f) sau: vị trí biến dạng (f) cho trước tính tốn điểm giá trị (α) tương ứng theo phương trình (9) vr i (kéo) + vr i (nén) (9) Trong đó: vr i (kéo) vr i (nén) tương ứng giá trị ứng suất trạng thái kéo nén vị trí biến dạng Từ liệu xác định α phụ thuộc vào (f) theo phương trình (9) tận dụng phương pháp hồi quy phi tuyến công cụ tính tốn Maple 16 để xác định tham số vật liệu C1 γ1 theo công thức (8) tương ứng 8472,625 MPa 40.25 phương trình hàm chảy dẻo tương đương theo giá trị biến dạng tương đương phải tính tốn lại phương trình (10) Hình = a) vr iso ( f eqpl ) = vr ( f eqpl ) - a ( f eqpl ) (10) b) Hình Dự đoán cho đường cong ứng suất biến dạng sử dụng mơ hình biến cứng đẳng hướng (a) biến cứng động học (b) Từ kết mô dự đốn đường cong ứng suất kéo-nén sử dụng mơ hình biến cứng 10 Hình Các thơng số xác định biến cứng kết hợp dựa liệu thực nghiệm Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 173.124 Mpa 6.255 Các liệu tham số vật liệu A1, B1, C1 γ1 đưa vào q trình mơ để dự đốn đường cong ứng suất- biến dạng trình kéo nén kim loại DP590 Hình So sánh kết dự đốn mơ hình biến cứng kết hợp động học đẳng hướng Hình đề xuất nghiên cứu với mơ hình trước Hình (a, b) để thấy khả dự đốn xác đường cong ứng suất-biến dạng q trình kéo nén vật liệu DP590 vr iso = vY + A1 (1 - exp (- B1 f eqpl )) Hình Dự đốn cho đường cong ứng suất biến-dạng kéo/nén mơ hình biến cứng kết hợp đẳng hướng/động học Những liệu từ phương trình chảy dẻo tương đương sử dụng để xác định thông số biến cứng A1 B1 theo phương trình (11) cơng cụ tính tốn Maple 16 tương ứng (11) Kết luận Bài báo đưa phương pháp để xác định tham số vật liệu cho việc dự đoán xác hiệu ứng Bauschinger, mơ hình biến cứng kết hợp động học đẳng hướng để xác định tham số vật liệu Đây tiền đề để áp dụng dự đốn xác tượng đàn hồi ngược sau tạo hình biến dạng dẻo DP590 q trình gia cơng tạo hình chi tiết phức tạp, đặc biệt bù tối ưu hóa kích thước chày cối tạo hình sản phẩm có hình dạng chữ U V từ thép DP590 nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] Nguyen Duc-Toan, Kim Young-Suk, Jung Dong-Won, “Coupled Thermo-Mechanical FE Study to Improve Press Formability of a Camera shape for Magnesium Alloy Sheet AZ31B” Metals and Materials International, 2012, 18(4), pp 583–595 [2] Nguyễn Đức Tồn, Phạm Quốc Tuấn, Nguyễn Đình Thành, “Nâng cao chất lượng tạo hình uốn ống đồng sử dụng phân tích, mô phương pháp phần tử hữu hạn,” Tạp chí khoa học cơng nghệ, 2014, 98, tr 29-33 [3] Nguyen Duc-Toan, Banh Tien-Long, “NUMERICAL ANALYSIS TO DETERMINE DIE RADIUS AND BENDING ANGLE IN ROLL-BENDING PROCESS FOR SHEET MATERIAL, JOURNAL OF SCIENCE & TECHNOLOGY,” 2012, 88, pp 84-89 [4] E Voce, J Inst Met 74, 1978, pp 537-562 [5] P.J Amstrong, C.O Frederick, “A Mathematical Representation of the Multiaxial Bauschinger Effect,” G.E.G.B Report RD/B/N 731, 1966 [6] J.L Chaboche, “Time independent constitutive theories for cyclic plasticity” Int J Plast 2, 1986, pp 149-188 A STUDY ON DETERMINING MATERIAL PARAMETERS TO PREDICT STRESS-STRAIN CURVES FOR TENSION/COMPRESSION TENSILE TEST OF DP590 SHEET MATERIAL Abstract: This paper presents the predict more correctly stress-strain curves during tension/compression testing of high streng steel DP590 sheet material, the isotropic and kinematic hardening models were combined by the new way in order to determine the material parameters before inputting to FEM simulation software, namely ABAQUS/explicit 6.13 The tension/compression tensile test was first performed by using MTS 810 Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology 11 ISSN 2354-0575 tensile test machine The isotropic and kinematic hardening models were then used to determine material parameters for FEM simulation utilizing experimental data After that, the comparison between tension/ compression experiment and simulation results of DP590 sheet material were depicted to show the big gap of previous models Finally, the new method to obtain the new material parameters of tension/compression test for DP590 sheet material were proposed based on the combined isotropic/kinematic hardening model in order to improve the quality of prediction during tension/compression test The final simulation results were also compared with experiments, isotropic/ kinematic hardening models seperately and proved the good prediction of proposed model Keywords: Tension/compression test, Hardening models of material, DP590, FEM, ABAQUS 12 Khoa học & Công nghệ - Số 22/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ... sử dụng mơ tả q trình kéo/nén kim loại DP590, đưa dự đoán đường cong ứng suất -biến dạng dựa mơ hình biến cứng vật liệu khác chứng minh phương pháp đề xuất để xác định tham số vật liệu theo mơ hình... b) để thấy khả dự đốn xác đường cong ứng suất -biến dạng trình kéo nén vật liệu DP590 vr iso = vY + A1 (1 - exp (- B1 f eqpl )) Hình Dự đốn cho đường cong ứng suất biến- dạng kéo/nén mơ hình biến. .. pháp để xác định tham số vật liệu cho việc dự đốn xác hiệu ứng Bauschinger, mơ hình biến cứng kết hợp động học đẳng hướng để xác định tham số vật liệu Đây tiền đề để áp dụng dự đốn xác tượng đàn