硼鋼B1500HS的熱沖壓關(guān)鍵參數(shù)測試及其淬火性能研究.pdf

1、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適，是當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的總趨勢，汽車輕量化技術(shù)是各大汽車公司實(shí)現(xiàn)汽車低油耗、少廢氣排放的主要措施之一。為了使汽車輕量化后仍滿足其碰撞安全要求，各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)的同時(shí)，把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了新材料及新工藝的應(yīng)用方面，尤其在車身結(jié)構(gòu)方面，通過對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的研究和使用，既提高了汽車的碰撞安全性能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化的要求。但是，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，其成形性能卻大大降低，在成形過程中容易產(chǎn)生破裂、起

2、皺、尺寸難以控制和形狀不良等問題。
　　 高強(qiáng)度硼鋼熱沖壓工藝是近幾年發(fā)展起來的一種新型的板料成形技術(shù)。在熱沖壓工藝中，硼鋼板料在加熱爐中被加熱到奧氏體化溫度，并保溫5分鐘左右至板料完全奧氏體化，然后轉(zhuǎn)移到配有冷卻系統(tǒng)的沖壓模具中，進(jìn)行熱成形并淬火，使成形件獲得完全的馬氏體組織。與傳統(tǒng)的冷沖壓成形相比，板料的熱沖壓成形具有以下優(yōu)點(diǎn):變形抗力小、塑性好、成形極限高;能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的工件，成形件具有良好的尺寸精度及較高的強(qiáng)

3、度;配以合適的熱處理方式，可使板料發(fā)揮其最佳的性能。
　　 高強(qiáng)度硼鋼熱沖壓工藝是硼鋼板料在高溫下進(jìn)行的復(fù)雜成形工藝，也是形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化相結(jié)合的一種綜合強(qiáng)化工藝。本文針對(duì)熱沖壓工藝及熱沖壓材料特點(diǎn)，對(duì)硼鋼材料的TTT曲線、熱物性參數(shù)、界面換熱系數(shù)、本構(gòu)關(guān)系、淬火性能及熱沖壓有限元數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 TTT曲線能比較直觀地反映過冷奧氏體在等溫轉(zhuǎn)變過程中各相轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系，是熱處理過程中判斷組織轉(zhuǎn)變、

4、計(jì)算組織轉(zhuǎn)變量的主要理論依據(jù)，也可為熱沖壓工藝參數(shù)的制訂提供理論指導(dǎo)。針對(duì)硼鋼B1500HS，設(shè)計(jì)了TTT曲線的測試方案，用DIL805A膨脹相變儀測試了B1500HS的相變點(diǎn)Ac1、Ac3、Ar3、Ar1、Ms和Mf(°)在不同保溫溫度下，測試得到了系列相變膨脹曲線，并得到了各溫度下的相變開始點(diǎn)和終止點(diǎn)，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的組織狀態(tài)，結(jié)合顯微硬度判定在相應(yīng)溫度下得到的組織類型。根據(jù)測試和計(jì)算結(jié)果，繪制了B1500HS的TTT曲線。

5、
　　 熱沖壓過程的數(shù)值模擬需要準(zhǔn)確可靠的材料熱物性參數(shù)，硼鋼處于奧氏體、鐵素體+珠光體、貝氏體和馬氏體各組織狀態(tài)時(shí)的熱物性參數(shù)更是熱沖壓數(shù)值模擬時(shí)急需的數(shù)據(jù)。目前，關(guān)于硼鋼處于以上各組織狀態(tài)時(shí)熱物性參數(shù)還不完善。針對(duì)熱沖壓硼鋼B1500HS，根據(jù)熱膨脹系數(shù)、密度、等壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了系列實(shí)驗(yàn)方案，分別制備了硼鋼處于奧氏體、鐵素體+珠光體、貝氏體和馬氏體各組織狀態(tài)時(shí)的試樣并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果

6、，對(duì)熱物性參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，建立了熱膨脹系數(shù)、密度、等壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等熱物性參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系式。
　　 利用數(shù)值模擬方法研究硼鋼熱沖壓工藝時(shí)，除了需要準(zhǔn)確的材料熱物性參數(shù)之外，還需要硼鋼與模具之間的界面換熱系數(shù)。界面換熱系數(shù)是一個(gè)極為關(guān)鍵的邊界參數(shù)，其準(zhǔn)確程度直接影響到熱沖壓硼鋼的溫度場、應(yīng)力/應(yīng)變場、組織場（相變量）及力學(xué)性能的求解精度。根據(jù)硼鋼熱沖壓工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試工裝，建立了基于U

7、SB接口的溫度高速采集系統(tǒng)，對(duì)課題組開發(fā)的淬火過程換熱系數(shù)反傳熱求解系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并驗(yàn)證了反傳熱求解系統(tǒng)的精度。根據(jù)測試的溫度曲線，利用有限元數(shù)值模擬方法和反傳熱求解系統(tǒng)，研究了冷卻水與模具之間的界面換熱系數(shù)，結(jié)果顯示界面換熱系數(shù)隨模具表面溫度的升高而降低，而且呈非線性變化;研究了硼鋼與模具之問的界面溫度及界面壓力對(duì)界面換熱系數(shù)的影響，結(jié)果顯示試樣及工裝接觸界面處的溫度對(duì)界面換熱系數(shù)基本無影響，而界面壓力對(duì)界面換熱系數(shù)影響較大;研究了

8、界面壓力與界面換熱系數(shù)的關(guān)系，通過對(duì)冷卻工裝與硼鋼試樣界面施加1MPa、10MPa、20MPa及40MPa的壓力，采集了溫度冷卻曲線，計(jì)算結(jié)果顯示界面換熱系數(shù)與界面壓力之間近似成線性關(guān)系，隨著界面壓力的升高，界面換熱系數(shù)也逐漸增大。
　　 硼鋼的高溫本構(gòu)方程是熱沖壓數(shù)值模擬中不可缺少的熱力學(xué)模型，它反映了流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率以及溫度之間的關(guān)系。在硼鋼熱沖壓過程中，熱成形階段的坯料組織為奧氏體組織;在冷卻階段，由于成形件的各部

9、位與模具之間的傳熱條件不同，多數(shù)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，另外，還可能有部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體或貝氏體。為了研究熱沖壓硼鋼B1500HS高溫時(shí)奧氏體組織的流變力學(xué)行為，采用Gleeble1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)制備奧氏體試樣，在600℃～900℃溫度區(qū)間，分別以0.01s-1、0.1s-1、1.0s-1、10s-1的應(yīng)變速率對(duì)硼鋼B1500HS奧氏體組織試樣進(jìn)行等溫單向拉伸試驗(yàn)，計(jì)算得到了各個(gè)測試條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。采用包含變形

10、激活能和變形溫度的雙曲正弦形式修正的Arrhenius關(guān)系來描述硼鋼奧氏體組織的熱激活變形行為。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析，獲得了以應(yīng)變量、應(yīng)變速率與變形溫度表示的奧氏體組織的流變應(yīng)力關(guān)系式。同理，根據(jù)測試的硼鋼TTT曲線，設(shè)計(jì)了鐵素體+珠光體、貝氏體和馬氏體組織的應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試方案，利用Gleeble1500D試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了試樣的制備及各條件下應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的測試，研究了應(yīng)變量、加熱溫度、應(yīng)變速率等因素對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。根

11、據(jù)鐵素體+珠光體、貝氏體和馬氏體組織在室溫和中高溫時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，構(gòu)建了一種新型的本構(gòu)關(guān)系式，得到了鐵索體+珠光體、貝氏體和馬氏體組織的本構(gòu)關(guān)系式。利用得到的本構(gòu)關(guān)系式分別對(duì)奧氏體、鐵素體+珠光體、貝氏體和馬氏體組織的流變應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明:計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好，所構(gòu)建的奧氏體、鐵素體+珠光體、貝氏體和馬氏體組織的本構(gòu)方程可較好地反映硼鋼熱沖壓過程的宏觀力學(xué)行為。
　　 針對(duì)熱

12、沖壓工藝的特點(diǎn)，研究了淬火介質(zhì)、淬火工藝參數(shù)及形變歷史等熱沖壓關(guān)鍵參數(shù)對(duì)硼鋼B1500HS性能的影響。利用四種冷卻介質(zhì)（水、空氣、內(nèi)置冷卻水道的45鋼塊和鉻鋯銅塊）研究了硼鋼的淬火性能，研究結(jié)果表明:除空氣冷卻外，其余淬火方式對(duì)硼鋼試樣的拉伸強(qiáng)度和硬度的影響不大;B1500HS鋼板具有良好的可淬性，在鋼模中淬火可達(dá)到較高的硬度和抗拉強(qiáng)度。研究了加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)試樣微觀組織、硬度以及抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在850℃～910

13、℃區(qū)間保溫5min后進(jìn)行鋼模淬火，試樣獲得板條狀馬氏體組織，具有較高的淬火硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，其中，奧氏體溫度為910℃時(shí)淬火性能最佳。研究了硼鋼板形變歷史（應(yīng)變速率、應(yīng)變量、冷卻速度）對(duì)硼鋼板微觀組織、顯微硬度及連續(xù)冷卻曲線的影響，研究結(jié)果表明:馬氏體相變開始點(diǎn)對(duì)應(yīng)變速率不敏感，但對(duì)真實(shí)應(yīng)變較敏感，真實(shí)應(yīng)變?cè)酱螅R氏體相變開始點(diǎn)越低;工件冷卻速度在臨界值以上時(shí)，隨著冷卻速度的提高，試樣硬度相應(yīng)增大;在同等冷卻速度下，隨著應(yīng)變量的增

14、加，試樣硬度值降低，CCT曲線有向左（高冷卻速度方向）偏移的現(xiàn)象。
　　 為了研究奧氏體化溫度和保溫時(shí)間對(duì)熱沖壓硼鋼B1500HS淬火硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響規(guī)律，以奧氏體化溫度和保溫時(shí)間為設(shè)計(jì)因子進(jìn)行了二因子五水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了B1500HS試樣的淬火實(shí)驗(yàn)，測試了淬火后試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率。利用三次響應(yīng)曲面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，得到了淬火硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的響應(yīng)曲面模型。根據(jù)響應(yīng)曲面模

15、型，對(duì)奧氏體化溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳淬火工藝參數(shù)。
　　 對(duì)課題組開發(fā)的淬火工藝有限元模擬軟件進(jìn)行了改善，將其作為子程序加入到ABAQUS軟件包，實(shí)現(xiàn)了溫度-組織-應(yīng)力/應(yīng)變的耦合分析。通過用戶子程序?qū)⒈疚臏y試得到的TTT曲線、熱物性參數(shù)、界面換熱系數(shù)等數(shù)據(jù)加入到軟件包中。選擇典型形狀零件，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究熱沖壓溫度對(duì)硼鋼熱沖壓件性能和組織狀態(tài)的影響。將測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明:坯

16、料的加熱及保溫溫度對(duì)硼鋼熱沖壓件的抗拉強(qiáng)度、微觀組織狀態(tài)影響較大;隨著坯料加熱及保溫溫度的升高，板條狀馬氏體變得越來越粗大;同一熱沖壓件，其凸緣、側(cè)壁和底部的微觀組織狀態(tài)差別不明顯:坯料的加熱及保溫溫度對(duì)硼鋼表面硬度的影響不明顯。熱成形實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與有限元數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合，表明了本文中測試的材料TTT曲線、熱物性參數(shù)、界面換熱系數(shù)等數(shù)據(jù)可以較好地保證有限元數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本文測試的熱沖壓參數(shù)可以用于硼鋼熱沖壓的有限元數(shù)