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改善復(fù)雜形狀的熱成形先進(jìn)高強(qiáng)鋼汽車(chē)結(jié)構(gòu)分析論文
1、引言
熱成形技術(shù)通過(guò)將高溫板料快速?zèng)_壓成形而制造出形狀復(fù)雜的零部件，在提高產(chǎn)品成形性能和力學(xué)性能的同時(shí)，可以降低成形件的重量，減少板厚20%以上，為汽車(chē)輕量化做出卓越的貢獻(xiàn)。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）在熱成形技術(shù)下應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)過(guò)高溫奧氏體化淬火冷卻后的板料發(fā)生非等溫相變，形成穩(wěn)定的馬氏體組織，期望其抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到1500 MPa以上，硬度達(dá)到450 Hv以上，并具有較好韌性，符合汽車(chē)輕量化、高安全性結(jié)構(gòu)件制備工藝的需求，但目前其關(guān)鍵技術(shù)仍被德國(guó)本特勒和瑞典等國(guó)家進(jìn)行保密封鎖，國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造商仍處于只能高價(jià)購(gòu)買(mǎi)技術(shù)或部件的局而，因此，改變這個(gè)局而刻不容緩。
關(guān)于熱成形高強(qiáng)鋼的可成形性和力學(xué)特性的改善，已成為國(guó)內(nèi)各專(zhuān)家學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)局限在Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行平而試件的單向拉一壓試驗(yàn)，很難了解復(fù)雜形狀部件成形過(guò)程中各處受力約束行為的差異性，但是這種差異在結(jié)構(gòu)件各處體現(xiàn)出對(duì)馬氏體相變影響機(jī)制的不同，使得部件各處表征出來(lái)的力學(xué)特性也不一樣，而且其是引起AHSS成形時(shí)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象的主要原因之一對(duì)于具有復(fù)雜形狀的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件，在熱成形過(guò)程中，其不同部位的受力方式和加載結(jié)果更是不盡相同。因此，急需開(kāi)發(fā)一套具備自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、堪比國(guó)外熱成形生產(chǎn)線的小試線設(shè)備，全而進(jìn)行非Gleeble單向拉壓試驗(yàn)所能制得的形狀結(jié)構(gòu)件成形問(wèn)題研究，以期望滿足輕量化汽車(chē)對(duì)國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)AHSS結(jié)構(gòu)件技術(shù)并批量化的迫切需求。
2、具有一定形狀結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布特征的定性分析
為了闡述Gleeble制得二維板材樣件所不具備的應(yīng)力分布特征，試驗(yàn)中以最簡(jiǎn)單的深沖盒為例，分析熱成形過(guò)程中由應(yīng)力引起的一系列問(wèn)題，包含了板材彈塑性大變形以及材料模具間接觸、摩擦等。熱沖壓過(guò)程中板料任意邊角的受力情況，凡分別為板料內(nèi)外兩側(cè)受到凸凹模擠壓的橫向和縱向應(yīng)力，且其分布越接近刃口處數(shù)值越大。在模具間隙的影響下，F(xiàn)l， F：在軸向加載的同時(shí)產(chǎn)生力矩M，是造成沖壓過(guò)程中板料彎曲變形的主要原因。
板料上A， B， C， D， E各點(diǎn)在模具間隙、壓邊力、沖壓力等因素的影響下所受拉一壓復(fù)合應(yīng)力的程度不同，其中B點(diǎn)3向均為壓應(yīng)力作用，E點(diǎn)在一般情況下均受拉應(yīng)力作用，造成板料沖壓過(guò)程中內(nèi)外表而加載方式的差異。由于圓角處應(yīng)力分布復(fù)雜，容易造成應(yīng)力集中，樣件各處厚度分布不均，加上圓角與直邊處的變形速度差異，拉伸破裂、材料堆積起皺等缺陷常在此處發(fā)生，因此從應(yīng)力分布與馬氏體相變作用關(guān)系的角度來(lái)分析，找出各處不同的加載方式對(duì)相變進(jìn)程、微觀組織形貌的影響機(jī)制，既能完善馬氏體形核理論，又可以為優(yōu)化AHSS熱成形工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。
3、傳統(tǒng)工藝與存在的問(wèn)題
傳統(tǒng)熱成形工藝流程通常為：經(jīng)過(guò)裁剪的板料被運(yùn)至加熱爐內(nèi)加熱保溫（升溫速率大于100C/s），設(shè)定目標(biāo)加熱溫度，使原本為鐵素體和珠光體的混合組織完全奧氏體化，保溫3—5min，然后將板料轉(zhuǎn)運(yùn)至帶有冷卻水道的高速液壓沖壓模具上沖壓成形。
由文獻(xiàn)查新可知，傳統(tǒng)熱成形工藝的建立是基于Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，只適用于二維平板的AHSS制備，而車(chē)用AHSS結(jié)構(gòu)件必須滿足一定的形狀要求，其各處的應(yīng)力狀態(tài)、微觀形貌和力學(xué)性能特征與板材樣件是不同的，利用傳統(tǒng)工藝，常發(fā)生破裂現(xiàn)象。
因此，本試驗(yàn)利用帶有高速加熱水冷模具的一體化熱成形試驗(yàn)設(shè)備，基于現(xiàn)有工藝存在的問(wèn)題，以高強(qiáng)鋼22MnB5為AHSS研究對(duì)象，并根據(jù)傳統(tǒng)工藝制備的樣件進(jìn)行測(cè)試，由各處切割選取典型的試樣，用金相分析其微觀組織結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)特性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)新工藝方法，以改善復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的成形性問(wèn)題。
拉應(yīng)力為主且應(yīng)力較大的（4）和（6）點(diǎn)處微觀形貌呈均勻、細(xì)化的板條狀馬氏體，且（6）點(diǎn)處的馬氏體更加細(xì)化其微觀形貌特征分布與圖3（a）中（6）點(diǎn)的拉應(yīng)力大于（4）點(diǎn)的結(jié)果對(duì)應(yīng)一致；拉應(yīng)力仍為主，但不如（4）和（6）點(diǎn)大的（2）和（5）點(diǎn)，其微觀不如前者細(xì)化，尤其位于底部的（5）點(diǎn)，因得不到充分的淬火降溫作用，馬氏體相變不夠充分，且有向針狀轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；以壓應(yīng)力作用為主的（1）和（3）點(diǎn)，馬氏體較為粗大。對(duì)比不同應(yīng)力狀態(tài)下的馬氏體轉(zhuǎn)變情況也可以看出，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的同時(shí)存在，使得部件各處的馬氏體相變進(jìn)程出現(xiàn)了明顯差異，從而形成了不同的微觀結(jié)構(gòu)，這是造成現(xiàn)有工藝沖壓時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象和宏觀力學(xué)特性分布不均勻、局部性能不達(dá)標(biāo)的主要原因。
4、傳統(tǒng)工藝的結(jié)果與討論
熱成形時(shí)，樣件各處不僅存在不同的應(yīng)力狀態(tài)（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力或復(fù)合應(yīng)力），而且其應(yīng)力大小也不相同，使其出現(xiàn)力學(xué)性能差異的現(xiàn)象。以汽車(chē)熱成形B柱為例，通過(guò)仿真得出應(yīng)力在B柱上的分布特征，可以清楚地看出其各處分別以拉一壓應(yīng)力為主的不同應(yīng)力分布，那么，為了解釋?xiě)?yīng)力對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)的影響作用，在其不同位置上截取6個(gè)典型樣點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行微觀形貌的表征。
5、新工藝及其特點(diǎn)分析
5。1建立新方法的依據(jù)
根據(jù)馬氏體相變經(jīng)典理論，局部應(yīng)力狀態(tài)對(duì)馬氏體相變特征和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)具有顯著的影響作用，其作用方式和大小直接影響著相變進(jìn)程和最終的組織結(jié)構(gòu)。徐祖耀等人已證實(shí)，應(yīng)力對(duì)合金的非擴(kuò)散型馬氏體相變有誘發(fā)或抑制作用，而且國(guó)內(nèi)外針對(duì)應(yīng)力與馬氏體相變的影響關(guān)系，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論分析得出：通常地，拉應(yīng)力具有促進(jìn)馬氏體相變的作用，M點(diǎn)提高；以壓應(yīng)力為主的加載區(qū)，當(dāng)變形量較大時(shí)，將出現(xiàn)應(yīng)力抑制相變發(fā)生的行為，M點(diǎn)降低。對(duì)于具有形狀要求的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有熱成形工藝中忽視了成形時(shí)出現(xiàn)拉一壓共存和應(yīng)力大小不等的作用方式，從而，也就引起了樣件各處馬氏體相變M點(diǎn)各異，相變后組織形態(tài)不同的局而。因此，如何建立新工藝方法，改善其成形性、提高強(qiáng)韌性成為了熱成形高強(qiáng)鋼研究的關(guān)鍵。
1）拉應(yīng)力為主的區(qū)域
以拉應(yīng)力為主的局部區(qū)域，樣件的硬化指數(shù)h值與溫度變化的曲線關(guān)系。
傳統(tǒng)熱沖壓工藝中，通常將成形溫度設(shè)定，此時(shí)以拉應(yīng)力為主的區(qū)域，樣件的硬化指數(shù)在0。15左右，如果在此溫度下進(jìn)行沖壓成形，其危險(xiǎn)區(qū)域周?chē)难a(bǔ)償能力差，易于開(kāi)裂。而板料在650—750°C的硬化指數(shù)接近0。3，也就是說(shuō)，當(dāng)高溫板料出爐后降至此溫度時(shí)再?zèng)_壓成形，利于獲得應(yīng)變均勻、性能穩(wěn)定的高強(qiáng)鋼樣件。因此，在拉應(yīng)力為主的區(qū)域。
2）壓應(yīng)力為主的區(qū)域
Shi等人已指出，熱成形時(shí)壓應(yīng)力過(guò)大，將會(huì)抑制馬氏體相變。而傳統(tǒng)工藝中加熱保溫奧氏體化后的直接沖壓環(huán)節(jié)，導(dǎo)致母相內(nèi)很難發(fā)生新相核胚形成的趨勢(shì)，無(wú)法補(bǔ)償壓應(yīng)力對(duì)馬氏體相變的抑制作用�；诜菙U(kuò)散型的相變特征，如何通過(guò)改變工藝方法，即沖壓前誘發(fā)母相中新相核胚的形成，補(bǔ)償被抑制的新相形核數(shù)目，以提高區(qū)域的強(qiáng)韌性成為關(guān)鍵。
5。2新工藝方法的實(shí)施及分析
提高拉應(yīng)力為主區(qū)域的成形性和增加馬氏體相變抑制區(qū)的形核數(shù)目，是建立新工藝方法的目的：通過(guò)壓縮空氣的方法，沖壓前對(duì)樣件進(jìn)行冷卻預(yù)處理，并確定合適的冷卻速率和成形溫度。
傳統(tǒng)熱成形，其成形溫度在850°C左右，其硬化指數(shù)h值得出，其并不是最佳的成形溫度值；當(dāng)680°C成形時(shí)，發(fā)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了貝氏體組織，降溫曲線②穿過(guò)了貝氏體穩(wěn)定區(qū)；當(dāng)成形在700°C時(shí)（曲線③），既有最佳的硬化指數(shù)h值，又比850°C具有母相中新相核胚的充分形成時(shí)間，也不會(huì)因急冷速率稍慢、溫度680°CC稍低而出現(xiàn)其他相，因此，其成形溫度達(dá)到了參數(shù)設(shè)定的目的：
1）滿足拉應(yīng)力區(qū)域在650—750°C間具有的較好成形性；
2）促進(jìn)某些壓應(yīng)力為主的抑制馬氏體相變區(qū)域通過(guò)沖壓前冷卻，獲得更多的新相形核數(shù)目；
3）微結(jié)構(gòu)中未生成其他相。為了達(dá)到700°C的成形溫度值，試驗(yàn)中出爐的AHSS樣件經(jīng)不小于30°C/s的壓縮空氣法降溫，急冷時(shí)間為5—6 s，然后再?zèng)_壓、淬火。
試驗(yàn)中利用凹凸模具沖壓成形簡(jiǎn)單形狀深沖盒，分別為通過(guò)傳統(tǒng)工藝與新方法制得的樣件。
樣件的沖壓深度達(dá)到目標(biāo)值20 mm，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)工藝制得的7（a）出現(xiàn)了明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，而開(kāi)裂正是發(fā)生在以拉應(yīng)力為主的區(qū)域，說(shuō)明850°C左右，樣件受到拉應(yīng)力時(shí)，其成形性較差；圖7（b）的樣件成形性良好，沒(méi)有發(fā)生成形缺陷，因此，驗(yàn)證了700°C對(duì)于樣件是更好的成形溫度，將為今后深入討論沖壓溫度的最優(yōu)值提供了研發(fā)方向。為了進(jìn)一步分析，試驗(yàn)中對(duì)中兩種沖壓樣件底而中心處進(jìn)行微觀形貌比較。
樣件底而中心是以壓應(yīng)力為主的區(qū)域，傳統(tǒng)工藝的樣件8（a）中微觀組織由奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是由于冷卻速度過(guò)快，造成馬氏體生長(zhǎng)粗大，分布不均勻。而在加入急冷的優(yōu)化工藝后，圖8（b）中微觀下的馬氏體轉(zhuǎn)換細(xì)致均勻，較8（a）中明顯細(xì)化
基于微觀表征得出的新方法有效性，調(diào)整實(shí)際的熱沖壓工藝參數(shù)，以汽車(chē)B柱為對(duì)象，通過(guò)傳統(tǒng)工藝與新方法分別進(jìn)行熱成形，比較兩種工藝制得部件之間的力學(xué)性能差異。表征各自硬度分布特征。
優(yōu)化工藝后樣件的硬度值雖然稍低于傳統(tǒng)工藝，但都在460 Hv以上，其分布特征更趨于均勻一致；而傳統(tǒng)工藝得到的樣件硬度分布出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，力學(xué)性能的不均勻性是導(dǎo)致樣件使用時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象的原因。一般來(lái)說(shuō)，合金韌性提高后，其強(qiáng)度和硬度通常有所降低，已得出新工藝制得的樣件成形性和微觀組織致密程度都有了明顯改善，也驗(yàn)證了雖然其硬度值有些降低，但細(xì)致均勻的馬氏體組織完全能保證均勻的高強(qiáng)度、高硬度力學(xué)性能并兼顧韌性。
利用新工藝方法，本試驗(yàn)現(xiàn)已制得不同形狀、規(guī)格的熱沖壓AHS S防撞梁、B柱等樣件。
6、結(jié)論
1）現(xiàn)有工藝技術(shù)的熱成形時(shí)，具有一定形狀的樣件各處的不同應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)其厚度分布、馬氏體相變發(fā)生進(jìn)程和微觀結(jié)構(gòu)形貌特征的影響作用不同，是導(dǎo)致樣件成形時(shí)開(kāi)裂的原因之一
2）首次提出建立新的工藝方法，該工藝主要特點(diǎn)是在沖壓前對(duì)樣件急冷處理，并對(duì)冷卻速度予以嚴(yán)格的控制。與傳統(tǒng)熱成形工藝在550°C成形相比，成形溫度選擇在550°C。新工藝制得的樣件，其微觀結(jié)構(gòu)更致密，并且成形性得到了明顯改善。
3）以熱成形汽車(chē)B柱為例，對(duì)兩種工藝制得樣件的硬度值測(cè)試比較得出，新方法制得的硬度值分布更均勻，沒(méi)有出現(xiàn)較大波動(dòng)的現(xiàn)象，并且都保持在460 Hv以上，符合高強(qiáng)度樣件的性能要求；而傳統(tǒng)工藝制得的硬度值波動(dòng)較大，力學(xué)特性分布明顯表現(xiàn)出不一致的現(xiàn)象。因此，本試驗(yàn)為建立我國(guó)具有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、復(fù)雜形狀的AHSS結(jié)構(gòu)件熱成形工藝生產(chǎn)線及批量化提供了前期基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。
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