（机械制造及其自动化专业论文）超高强度硼钢板热冲压的力学性能研究.pdf

摘要 摘要 超高强度钢板在汽车车身上的应用，不但可以实现汽车轻量化，而且还可 使车体的弯曲刚性和扭转刚性都得到显著提高，保证整车的碰撞安全性，故而 成为汽车用钢铁材料的重要发展方向。超高强度钢板的热冲压成形工艺集传热、 形变和相变于一身，冲压过程中钢板的力学性能、成形机理和成形工艺与传统 的冷冲压和热加工都不相同。板料在热冲压成形过程中经历了复杂的温度变化， 其力学性能也随温度的变化而变化。因此，对热冲压成形过程中钢板力学性能 进行研究，探索成形参数对钢板力学性能的影响规律，对于热冲压成形技术的 深入研究与实际应用具有重要意义。 本文以超高强度硼钢板u s i b o r1 5 0 0 为研究对象，采用试验研究与数值模 拟相结合的方法，对热冲压成形过程中钢板力学性能的变化规律及主要成形参 数对其力学性能变化的影响规律进行研究。研究工作在对热冲压成形工艺进行 分析的基础上，完成了高温力学性能试验。即在材料完全奥氏体化后降到不同 温度、不同应变速率条件下进行了单向拉伸试验，获得了不同条件下的真实应 力一应变曲线，分析了主要工艺参数对钢板流变应力的影响规律。在高温拉伸 试验结果的基础上提出了钢板的热冲压流变应力修正数学模型，并将修正数学 模型耦合到有限元软件中进行数值模拟，验证了该数学模型正确性。采用有限 元分析技术对超高强度硼钢板u 型件的热冲压成形工艺过程进行了数值模拟与 仿真，研究了主要成形工艺参数对板料成形的影响规律，并论证了适宜的热冲 压成形工艺参数。最后，与超高强度硼钢板u 型件的热冲压成形工艺试验结果 进行对比，验证了研究结果的正确性，为该项新工艺今后在我国的全面推广应 用做了有意义的探索。 关键词：超高强度钢板，热冲压成形，力学性能，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o n so f u l t r ah i g hs t r e n 舀hs t e e l sn o to n l yc a l la c h i e v el i g h t w e i g h t v e h i c l e s ，b u ta l s oc a ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h eb o d yb e n d i n gr i g i d i t ya n dt o r s i o r i r i g i d i t y , w h i c hc a l le n s u r et h es a f e t yo ft h ev e h i c l e si m p a c tr e s i s t a n c e t h e r e f o r e 1 i s b e c o m e sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no ft h ea p p l i c a t i o n so fs t e e l si nv e h i c l e sm a n u f a c t u r i n g t h eh o ts t a m p i n gp r o c e s so ft h e s es t e e l si n c l u d e sh e a tt r a n s f e r , d e f o r m a t i o na n d p h a s e t r a n s f o r m a t i o na l li no n ep r o c e s s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f o r m i n gm e c h a n i s ma n d f o r m i n gt e c h n o l o g ya r ea l ld i f f e r e n tw i t ht h et r a d i t i o n a lc o l ds t a m p i n ga n dt h e r m a l p r o c e s s i n g t h et e m p e r a t u r eo fs t e e lp l a t e sc h a n g e ss i g n i f i c a n t l yd u n n gh o ts t a m p i n g , t h e r e f o r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa l s oc h a n g e s t u d yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n de x p l o r et h ei n f l u e n c e so ff o r m i n gp a r a m e t e r sw i l ls h o wg r e a ts i g n i f i c a n c eo i l f u r t h e rr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i sp a p e rb a s e do nu l t r ah i g hs t r e n g t hb o r o ns t e e l su s i b o r15 0 0 ，u s e d c o m b i n i n gm e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t t o s t u d y t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e si nh o ts t a m p i n ga n de x p l o r et h ei n f l u e n c e so ff o r m i n gp a r a m e t e r so nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f i r s t ，t h em e c h a n i c a lt e s t sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r ew e r ec a r r i e d o u tb a s e do nt h ea n a l y s i so fh o ts t a m p i n gp r o c e s s n a m e l y , a f t e rt h em a t e r i a l s b e c o m i n gf u l l ya u s t e n i t i cp h a s e , t h et e n s i l et e s t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n ts t r a i nr a t e s ，w h i c ho b t a i n e dt r u es t r e s s s t r a i nc u r v e s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h e nt h ei n f l u e n c e so fm a i np a r a m e t e r sa n dt h e i rr u l e so n f l o ws t r e s sw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h et e n s i l et e s tr e s u l t s ，t h ef l o ws t r e s s m o d i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sp r o m o t e d s e c o n d ，b yc o u p l i n gt h er e v i s e dm o d e l w i t hf e m ，t h e p r o m o t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sv a l i d a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i r d ，t h eh o ts t a m p i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g y t h ee f f e c t so fm a i np r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e da n dt h ea p p r o p r i a t ep r o c e s s p a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i n a l l y , t h e r e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ep r o v e db yt h ee x p e r i m e n to fu s h a p e dp a r t s u s i n g u l t r ah i g hs t r e n g t hb o r o ns t e e l s t h i sp a p e rd i ds i g n i f i c a n te x p l o r i n gi nt h ew i d e i i a b s t r a c t s p r e a do ft h i sn e wt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：u l t r ah i g hs t r e n g t hs t e e l s ，h o ts t a m p i n g , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名 03 年弓月j c 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： dg 年，月l e l 第1 章绪论 1 1 引言 章绪论 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，随着世界经济与社会的发展，节能、 舒适、降低排放和提高安全性已经成为现代汽车结构、性能和技术的重要发展 方向。针对此，美国提出了新一代汽车( n e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e ) 概念， 工业发达国家也都在研制百公里油耗3 l 的新一代汽车，而实现这一目标的重要 手段就是在不损失结构强度的情况下实现汽车的轻量化。据统计，汽车重量每 减轻1 0 ，油耗可降低8 - - - 1 0 。汽车的轻量化不仅可以减小汽车的滚动阻 力、加速阻力和爬坡阻力，降低燃油消耗，而且也有利于改善汽车的转向、加 速、制动和排放等多方面的性能，同时还可以降低噪声和振动。总之，汽车的 轻量化对于节约能源、减少废气排放、实现汽车工业的可持续发展战略具有十 分积极的意义。 然而，汽车的轻量化绝非简单的减轻其质量而已，而是具有前提条件的。 首先要保证汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又 要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性；其次还要使汽车本身 的造价不被提高，避免给用户造成经济上的压力。 目前，实现汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式 来实现。具体的结构合理设计包含以下内容：1 ) 通过结构优化设计，减小车身 骨架和车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能要 求的前提下减轻自重；2 ) 通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主 要功能部件在同等使用性能不变的情况下缩小尺寸来实现；3 ) 采取运动结构方 式的变化来达到目的，比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等， 使结构更紧凑，或采取发动机后置、后轮驱动的方式，达到使整车局部变小， 实现轻量化的目标。 轻质材料的广泛使用也是汽车轻量化的重要途径之一，如铝合金、高强度 钢等。铝的密度是铁的i 3 ，用铝合金代替传统的钢铁制造汽车零部件，可使整 车重量减轻3 0 4 0 乜】。然而，同一重量下的钢与铝比较，钢可获得很好的 第1 章绪论 抗凹陷性能；同时，铝合金成本较高，这也限制了铝合金在汽车车身上的广泛 使用。另一方面，从耐载荷与耐疲劳强度来看，如果钢的强度上升到7 8 0 m p a 级 别d 1 ，则与同等重量的铝具有相同的特性，这在经济上是非常有利的。因此，开 发并推广7 8 0 m p a 级别以上、成形性等各项性能优异的高强度钢板将成为实现汽 车轻量化的重要途径。 按照国际钢铁协会u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 项目组的规定， 将屈服强度在2 1 0 - - 5 5 0 m p a 范围内的钢定义为高强度钢( h s s ) ，屈服强度在 5 5 0 m p a 以上的钢定义为超高强度钢( u h s s ) 。高强度钢板在汽车上应用和作用如 表卜1 所示h 1 。由表卜1 中各类关系可知，除疲劳强度外，其它各项性能均正比 于板厚与相应材料性能n 次方的乘积。如果钢板的强度性能提高，在所要求的 性能不变或略有提高的前提下，则钢板构件的厚度可以减薄。经研究发现，采 用高强度钢板，原厚度为1 0 咖1 2 m m 的车身钢板可减薄至0 7 m m - 、, o 8 m m ，车 身质量可减轻1 5 - - - - 2 0 ，油耗可降低8 - - - 1 5 璐1 。在车身上大量采用高强度 钢板，不仅能减轻车身重量，延长使用寿命，还能使车身的弯曲刚性和扭转刚 性都得到显著提高，保证整车的抗冲击安全性。 表卜1 高强度钢板的应用和作用 构件可能承受的 变性能 用高强度钢板制造的零件希望的零件性能板厚、强度和性能之间的关系 保险杠、加强板、门、防 高的压溃强度 只o cf 西刀1 2 大的塑性变形 撞柱边梁、加强筋 高的撞击吸收能量 4 = f 2 西”万：1 2 2 7 小的塑性变形 车顶盖、门、油箱盖板高的抗压痕抗力 只虻啡咒”1 2 - 5 非常小的弹性变 车身边梁、横梁高的弹性模量值 p = t e 各( 1 e d = 1 e + 1 e j 形和塑性变形 非常的变形边梁、车轮高的疲劳强度 仃wo c 注：表中只为压溃强度，a 为压溃吸能，为压痕抗力，p 为微量变形抗力，仃。为 疲劳强度，为抗拉强度，t 为板厚，为成形构件应变下的流变应力，为动负荷设 计弹性模量，n 为常数。 随着高强度钢板在汽车制造业中的逐步推广，对现有的钢板冲压成形工艺 2 第1 章绪论 带来了一系列新的挑战。与普通钢板相比，高强度钢板具有更高的屈服应力和 抗拉强度，而应变强化指数和厚向异性系数却比较低，延伸率也比较低。因此， 高强度钢板的成形性能比普通钢板要差，而且强度越高，成形就越困难。在常 温条件下，高强度钢板的塑性变形范围很窄，所需的冲压力大，冲压后的回弹 增加，导致零件尺寸和形状稳定性变差，而且容易开裂。所以，原有的冷冲压 工艺已经不能满足对高强度钢板的制造加工需要。然而在处于高温条件中肘， 也就是把高强度钢板加热到其再结晶温度以上，其塑性和延展性就会迅速增加， 屈服强度迅速下降，此时利用模具冲压成形，就可以得到形状复杂的零件。正 是在上述背景条件下，近年来，在一部分先进的汽车制造厂商中，一种针对高 强度钢板的全新的加热成形工艺方式热冲压成形工艺开始崭露头角。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 汽车用高强度钢板现状 近年来，随着汽车轻量化的需要和车身强度性能要求的提高，汽车用钢板 的强度级别不断提高，汽车工业已经成为高强度钢板的重要用户。例如日本在 1 9 9 2 年，一般汽车外板的强度为3 0 0 - - - 4 6 0 m p a ，内板的强度为2 6 0 m p a 以上，而 最近几年来，强度在9 8 0 m p a 以上的超高强度钢板在汽车上的用量日益增多。而 西欧高强度热轧和冷轧钢板的消费也是与日俱增，其几种主要车型所用高强度 钢板的比例已上升到4 0 以上，这一比例在日本也达到了3 6 左右。被誉为美 国第一辆五星级碰撞防护的福特风之星多用途汽车中，总计1 6 5 个车身零件有 近1 0 0 个是用高强度钢板制造的，比例超过6 0 。国内的一些汽车制造厂商也 在积极探索应用高强度钢板提升其产品。如奇瑞汽车新近研制的汽车车身当中， 高强度钢板的使用量达到了2 6 2 4 8 k g ，占车身用钢板总量的4 6 2 6 。 围绕车身轻量化，国际钢铁协会成立了由1 8 个国家的3 5 家钢铁公司组成 的u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 项目组，目的是采用当时最先进的 技术，在不增加成本的情况下，维持车身功能与抗冲击安全性的同时减轻车身 重量。u l s a c ( u l t r al i g h ts t e e la u t oc l o s u r e ) 与u l s a s ( u 1 t r al i g h ts t e e l a u t os u s p e n s i o n ) 是围绕车门等覆盖件与悬挂件进行轻量化的项目。在以上开 展的项目中，采用新材料( 如高强度钢板与超高强度钢板) 以及新的成形方法 第1 章绪论 是降低车身重量的重要方法。之后，u l s a b 项目组又提出u l s a b a v c ( u 1 i r a l i g h ts t e e la u t ob o d y a d v a n c ev e h i c l ec o n c e p t ) 项目，期望通过车辆的 整体设计来获得轻量化的潜能，在该项目推出的样车上高强度钢板的使用量 超过了9 0 ，随着该项目取得的巨大成功，高强度钢板无疑已经确立了其在未 来汽车工业中具有举足轻重的作用。 汽车工业的轻量化要求促使钢铁工业为适应汽车工业的需要而开发厚度更 薄、成形性更好、强度更高的钢板，由此推动了高强度钢板的开发和研究。如 a r c e l o r 公司新近推出了一系列具有超高强度的淬火硼钢2 2 m n b 5 、3 0 m n b 5 以及 专门为汽车零件生产用的u s i b o r1 5 0 0 。该系列钢板的特点是在轧制成形后，材 料组织为均匀的铁素体和珠光体，屈服强度为2 8 0 4 0 0 h 眈抗拉强度大于 4 5 0 m p a ；而经过热处理后，材料组织变为均匀的马氏体组织，屈服强度可达 1 2 0 0 m p a ，抗拉强度可达1 6 0 0 m p a ，为普通钢板强度的3 4 倍，是最高强度级别 的汽车用钢板。超高强度钢板生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减 重5 0 以上，具有极大的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度和低的平 面各项异性等优点，可提高汽车的安全性，以及相关联的降低油耗、节约能源、 减少汽车尾气排放等，因而在汽车车身结构安全件上得到了重要应用，是未来 车身制造用钢板发展的主流方向。 目前，超高强度钢板在汽车车身上的主要应用部位如图l 一1 所示”，。 车门侧扳2 、保险杠3 、车身纵梁横梁4 、a 枉b 柱5 、市门加强板 幽卜1 超高强度钢板在午身上的应j j f 2 2 超高强度钢板热冲压工艺研究现状 超高强度钢板的屈服强度和抗拉强度都很高其冷成形能力很差较难冲 第1 章绪论 压成形状复杂的零件。而采用热冲压成形技术，可以软化超高强度钢板，从而 减少成形零件的回弹，提高零件的尺寸和形状精度，且不损失超高强度钢板的 高强度性能。 热冲压成形工艺主要是利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加、 屈服强度迅速下降的特点，利用冲压模具使零件成形的工艺。采用热冲压成形 工艺，一般是将板料加热到再结晶温度以上某个适当的温度，使其完全奥氏体 化后再进行冲压成形，以降低板料成形时的流动应力，提高板料的成形性，削 弱零件的回弹，并且降低所需设备的吨位。冲压成形后需要保压一段时间使零 件形状尺寸趋于稳定，成形和保压过程中为了防止板料强度降低同时进行淬火 处理以提高其强度。 与板料冷冲压工艺相比，热冲压成形工艺具有以下优点：1 ) 钢板变形抗力 小、塑性好、易于成形；2 ) 由于变形抗力的降低，所以减小了模具的单位压力， 相应降低了对模具和机床的要求；3 ) 由于成形性能的提高，减少了变形的工序 数，从而缩短了生产周期。超高强度钢板的热冲压成形，将成形工艺和淬火工 艺集合在同一复合工序中完成，可以使板料发挥其最佳的性能，为汽车制造提 供高质量的零部件，同时降低汽车零部件的重量，提高其抗冲击性能及疲劳性 能，提高汽车的安全性。 随着超高强度钢板的热冲压成形技术在汽车工业中逐渐受到关注与重视， 各大钢铁公司及汽车制造厂商纷纷开始了对热冲压成形技术的研究，主要研究 机构有：德国蒂森克虏伯钢铁公司、法国a r c e l o r 汽车研究中心、本特勒汽车 工业公司、美国机械工程师协会( a s m e ) 与戴姆勒一克莱斯勒公司联合研究等。 但由于研究成果涉及技术保密等原因，相关文献资料很少。此外，国内外的部 分大学也针对超高强度钢板的热冲压成形技术展开了研究，主要研究成果综述 如下： 1 、瑞典律勒欧理工大学：2 0 0 2 年采用g l e e b l e1 5 0 0 热模拟试验机对2 2 m n b 5 进行了高温压缩试验和热膨胀的测量，获得了材料的机械性能和热力学性能数 据，进行了连续冷却过程中圆柱压缩的数值模拟，得到了压力随压头位移变化 的趋势m 8 9 1 。 2 、德国纽伦堡大学：德国研究基金d f g 项目一淬火钢板的热冲压成形原理 研究。2 0 0 5 年进行了热冲压成形的基础研究，确定了2 2 m n b 5 的奥氏体化温度和 保温时间。2 0 0 6 年采用g l e e b l e1 5 0 0 热模拟试验机，对热冲压工艺的时间一温 第1 章绪论 度参数所决定的2 2 m n b 5 的流动性能进行了研究，获得了奥氏体状态下材料轧制 方向、温度和应变速率对流动性能的影响n 羽。 3 、意大利帕多瓦大学：采用热膨胀计监控2 2 m n b 5 的奥氏体组织转变，获 得了相交开始温度3 8 2 及奥氏体化最佳工艺一9 0 0 保温5 m i n 。采用g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟试验机对2 2 m n b 5 进行了单向拉伸试验，获得了不同温度和不同应变 速率条件下的流动应力，开发了一种新的高温成形性能实验装置u u 。 4 、中国同济大学本课题组：进行了超高强度硼钢板u s i b o r1 5 0 0 热冲压成 形的基础研究，通过常温和高温单向拉伸试验，获得了材料的基本力学性能数 据，但前期没有考虑到先将钢板完全奥氏体化，与热冲压工艺有一定差别n 2 j 引。 设计并制造了带有冷却水循环系统的热冲压试验专用模具，对热冲压成形工艺 进行了初步探索n4 峨埔1 7 1 。 总之，目前对于超高强度钢板热冲压技术的研究尚处于理论探索及模拟研 究阶段，相关文献资料较少，从已获得的资料来看，大都仅局限于获得钢板基 本力学性能数据的研究，对于超高强度钢板热冲压成形过程中钢板力学性能变 化规律等方面的研究凤毛麟角。 1 3 课题研究的背景和意义 目前，我国汽车工业已进入高速增长的发展阶段。2 0 0 6 年我国汽车总产量 达到7 2 8 万辆，已跃居世界第三位，增长速度之高为世界各国所罕见。汽车轻 量化、原料国产化和高性能化是中国汽车工业努力发展的方向。汽车的轻量化 不仅是汽车制造厂商亟待解决的问题，还要依托各有关单位通力合作、立项攻 关。通过研究开发新材料，进步加快材料和成形工艺的研究，使中国汽车工 业在产量迅速增长的同时，质量、性能和档次也都能上一个新台阶，真j 下跻身 世界汽车制造工业的前列。 随着高强度钢板和超高强度钢板在汽车制造中日益广泛的应用，采用传统 的冷冲压技术已经很难成形甚至不能成形此类钢板，这就制约了高强度钢板在 汽车轻量化以及提高被动安全性方面的应用。正是在这样的背景下，出现了热 冲压成形技术，为解决此类问题指明了方向。然而，热冲压成形工艺集传热、 形变和相变于一身，冲压过程中钢板的力学性能、成形机理和成形工艺与传统 的冷冲压和热加工都不相同。板料在热冲压成形过程中经历了复杂的温度变化， 6 第1 章绪论 其力学性能参数也随之发生较大变化，如、仃，、万、e 等。同时，板料与冲 压模具的接触面是不断变化的区域，变形的同时温度不断下降使得板料各部位 温度分布并不均匀，这就造成了板料各部位力学性能产生一定差异。因此，对 热冲压成形过程中钢板力学性能进行研究，探索成形参数对钢板力学性能的影 响规律，对于热冲压成形技术的深入研究与实际应用具有重要意义。 据有关资料显示，超高强度钢板的热冲压成形技术在国外的汽车工业中已 经开始应用到实际的生产当中，德国大众就在速腾s a g i t a r 及p a s s a t 车型中对 b 柱零件采用了热冲压成形技术，p e u g e o t6 0 7 以及c i t r o e n 的c 5 车型中也有 部分零件( 缓冲器支架和a 柱零件等) 采用了热冲压成形技术。而在国内，由 于受到技术和设备的限制，在这方面的研究才刚刚起步，相关零件完全依靠进 口。因此，开展这项研究工作对于推进我国民族汽车工业的发展，实现我国汽 车工业的可持续发展战略具有十分重要的意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文以a r c e l o r 公司生产的超高强度硼钢板u s i b o r1 5 0 0 为研究对象，通 过对其高温下力学性能的试验研究及成形过程的数值模拟，探索超高强度硼钢 板在热冲压成形过程中力学性能的变化规律及成形参数( 温度、变形速率等) 对其力学性能变化的影响规律。具体可分为以下几方面内容： l 、超高强度硼钢板高温状态下的力学性能研究。由于热冲压成形和传统冷 冲压成形机理上的差异，板材在高温状态下的机械性能和成形性能是不能用在 一般室温条件下所获得的经验与理论来表征的，且热冲压工艺是将钢板加热到 奥氏体状态后再进行冲压，冲压过程中伴随着组织转变其力学性能产生较大变 化，故通过实验研究钢板先升温使其完全奥氏体化后再降到不同温度下的力学 性能是十分必要的。 2 、超高强度硼钢板热冲压的流变应力数学模型研究。流变应力是表征金属 与合金塑性变形性能的一种重要指标，它决定了金属变形时所需施加的载荷或 所需消耗的能量。超高强度硼钢板热冲压的流变应力数学模型的研究是其力学 性能研究的首要任务和重要组成部分。本文以高温单向拉伸试验结果为基础， 期望建立超高强度硼钢板的热冲压流变应力数学模型，以实现对热冲压过程中 钢板流变行为的描述，为后续研究提供理论基础。 7 第1 章绪论 3 、超高强度硼钢板热冲压过程中成形参数对其力学性能的影响规律研究。 借助以上研究所获得的实验数据与数学模型，通过有限元软件建立硼钢板高温 下冲压成形过程模拟系统，研究主要成形参数对硼钢板成形的影响规律，期望 获得优化工艺参数。而后通过进行u 型件热冲压成形的实验研究，对提出的热 冲压成形优化工艺的可行性以及数值模拟的正确性进行验证。 本文的研究期望找出并掌握热成形参数对超高强度硼钢板热冲压力学性能 的影响规律，扩展热成形理论，为热冲压成形工艺的制定提供理论支持。 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 2 1 金属热塑性变形机理 金属热塑性变形机理主要有滑移变形、孪生变形、晶界滑移和扩散蠕变n 引。 在不同条件下，这四种变形机理在塑性变形中所占的份量和所起的作用不尽相 同。其中，晶内的滑移变形是最重要和常见的机理。孪生变形一般多发生在低 温或常温高速变形时，对于六方晶体结构金属，这种机理也起重要作用。而晶 界滑移和扩散蠕变只在高温时才可能发挥作用。影响这些变形机理发挥作用的 主要因素是金属材料的组织结构、变形温度。但是，在热变形时，出现的动态 回复、动态再结晶以及在压应力状态下的扩散修复机理，对上述变形机理起着 直接的调节和控制作用。 1 、热塑性变形时晶内变形的主要特点 在通常条件下( 一般晶粒尺寸大于1 0 朋以上时) ，热塑性变形的主要机理 是晶内的滑移变形。在整个变形中，晶界滑移变形相对于晶内滑移变形所占的 比例还是比较小的。 在高温时，由于原子间距增大，原子的热振动及扩散速度增加，位错的滑 移、攀移、交滑移及位错节点脱锚比低温时来得容易；滑移系增多，交叉滑移 的灵便性提高，改善了各晶粒之间相互协调性：晶界对位错运动的阻碍作用减 弱，且位错有可能进入晶界。 同时，热变形过程中出现了动态回复或动态再结晶软化，因而消除了加工 硬化以及由此引起的应力集中，使塑性变形容易进行。其流动应力比冷变形时 低得多，一般所需单位应力每伽2 只有零点几到几k g 。这样有利于金属塑性成 形，以及改善材料及制品的组织性能。因此大量的金属材料，特别是高性能的 合金材料几乎都采用热加工。 2 、热塑性变形时的晶界滑移变形 在高温时晶界强度低于晶内，比低温时较容易发生晶界滑移。这个过程主 9 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 要受动态回复和动态再结晶以及修复机制的控制。 热塑性变形过程中，金属的断裂一般都是沿着晶界进行的。这是由于晶内 滑移及晶界滑移会在晶界引起很大的应力集中；另外高温时晶界强度较低，晶 界滑移易在晶界处引起裂缝，裂缝一般起源于三叉晶界处，形态如“w 形。由 于晶界滑移，在三叉晶界处产生的歧变很大，这样回复和再结晶首先在这里发 生，燕且使这里软化，因而晶界滑移变形又能继续进行。同时，在压应力作用 下，由于高温原子扩散作用增强，通过以后的塑性变形又可使三叉晶界处的裂 缝粘合，这就如同塑性粘焊一样，因而晶界滑移又得以进行。只要形成的裂缝 不断的被塑性变形粘焊机理修复，就可以产生较大的晶界滑移，这需要在压应 力下来实现扩散性塑性变形修复，这就是三向压应力状态下塑性得到提高的重 要原因之一。 因此，热变形时晶界滑移的主要特点是：受动态回复或动态再结晶及修复 机理的调节和控制。一旦裂缝生成和扩展的速度超过上述机理的调节修复速度， 那么就要发生断裂。 晶界滑移变形量占整体金属变形量的大小，除取决于温度外，还决定于变 形速度、应力状态、晶粒尺寸等条件。一般常规生产条件下，热变形时的晶界 滑移变形量相对于晶内滑移变形量来讲是小的，但比室温时的晶界滑移变形量 要大得多。而降低应变速率、减小晶粒尺寸，可使晶界滑移量相对增大，在微 细晶粒超塑性条件下，塑性变形主要是晶界滑移机理起主导作用，并且晶界滑 移是在扩散蠕变和位错蠕变调节下进行的，而不是动态回复或动态再结晶起调 节作用。 3 、扩散性蠕变 在热变形时，多晶体塑性变形除晶内滑移和晶界滑移变形机理外，还可能 出现另一种变形机理，这就是扩散性蠕变机理，简称扩散蠕变。 扩散蠕变是在应力场的作用下，由空位的定向扩散移动所引起的。在应力 场的作用下，受拉应力的晶界空位浓度增高，特别是受垂直拉应力的晶界，空 位浓度高于其他部位的晶界。由于各部位空位的化学势能不同，引起了空位的 定向移动，即空位从垂直于拉应力的晶界放出，而被平行于拉应力的晶界吸收。 图2 一l 中虚线箭头所指的方向表示空位的移动方向，实线箭头所指的方向 表示原子的移动方向n8 1 。空位定向移动的实质就是原子的定向转移，从而发生 l o 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 了物质的迁移，引起晶粒形状的改变，产生了塑性变形。 ( a ) 0 l ! - _ !i ii i ii ( b ) ( a ) 空位和原子的移动方向( b ) 晶内扩散 图2 - 1 扩散性蠕变 ii i ( c ) ( c ) 晶界扩散 按照扩散途径的不同，扩散性蠕变可分为晶内扩散( 晶格扩散或体扩散) 和晶界扩散( 边界扩散) 。晶内扩散蠕变引起晶粒在拉应力方向上的伸长变形( 如 图2 一i b ) ，或在受压方向上的缩短变形；而晶界扩散引起晶粒形状位置的“转动 ( 如图2 一i c ) 。扩散性蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移起调节作用。 扩散性蠕变即使在低应力的诱导下，也会随时间的延续而不断地发生，只 不过进行的速度很缓慢。温度越高、晶粒越细、应变速率越低，扩散蠕变所起 的作用就越大。这是因为温度越高，原子的动能和扩散能力就越大；晶粒越细， 则意味着有越多的晶界和原子扩散的路径越短；而应变速率越低，表明有更充 足的时间进行扩散。在回复温度以下的塑性变形，这种变形机理所起到的作用 并不明显，只在很低的应变速率下才有考虑的必要；而在高温条件下的塑性变 形，特别是在超塑性变形和等温锻造中，这种扩散性蠕变则起着非常重要的作 用。 2 2 热成形过程的理论分析 近年来，对热成形加工过程( 主要包括轧制、锻造等) 的研究方面已取得 重要进展，相关技术已较为成熟，通过借鉴传统热加工过程的研究，对指导热 冲压成形工艺的研究具有重要意义。 实际的热加工过程非常复杂，也很难描述，这取决于具体的热加工过程及 工艺参数。热加工过程大多是在降低温度条件下，连续变形或多阶段道次变形 下进行的，许多参数对热加工过程都有重要影响。除常见的变形温度、应变速 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 率、变形量外，变形过程中的冷却速度、每次变形之间的间歇时间、间歇时的 温度、热效应以及金属形变后的最终冷却速度等，都对热加工过程的流变应力、 金属塑性以及金属内在组织结构有重要影响。合理控制上述变量，对于降低变 形抗力、均衡变形负荷、计算变形力、提高塑性以利于成形、改进和保证产品 组织性能、减少缺陷、提高生产率、节约能源获得良好的经济效益等都有重要 实际意义。因此实际生产中，已逐渐要求控制上述变量，如控制轧制、等温锻 造、锻后余热淬火( 形变热处理) 等工艺。 虽然在大多数热加工工艺中，金属成形过程都是在连续降低变形温度和多 阶段变形条件下进行的，但是在不同恒温和恒应变速率条件下进行的连续变形 直到断裂或到预先规定的应变量的试验研究，对热加工过程的研究提供了宝贵 资料，对分析理解连续降温多阶段变形相当重要。 若在一个广泛的温度范围( 0 5 0 9 已) 内和静态应变速率( 1 0 _ 一- - 1 0 1 s 。1 ) 下，已经测定出连续的恒温、恒应变速率条件下变形时的流变应力一应变曲线， 则流变应力、温度、应变速率三者之间的关系已经确定。一种情况是流变应力 增加到某一稳态值的曲线，表征了动态回复的特性；另一种情况是流变应力增 加到某一峰值后降低到稳定值的曲线，表征了动态再结晶的特性。对于表示上 述动态回复或动态再结晶的特征量，如屈服应力、屈服应变、峰值应力、峰值 应变及加工硬化到稳态区的应变和稳态应力都可以通过试验测定。 目前主要采用拉伸、压缩和扭转的模拟试验来研究热加工过程。热加工的 模拟试验法是目前分析热加工过程最好的试验方法。现通过不同条件下的模拟 试验分析，更确切的认识热加工过程。 1 、等温、等应变速率条件下的多阶段热加工过程的分析 在等温、等应变速率条件下的多次间断变形是最简单的模拟试验，目的是 为了确定温度、应变速率、每道次应变量和停歇时间对卸载期间软化机理、软 化百分数及流变应力的影响。其中，每道次应变量、停歇时间和软化百分数的 关系，不仅可以应用于动态回复材料，而且也可用于动态再结晶材料。为了描 述这种条件下的多次热变形，除了单次变形的流变应力一应变曲线外，人们还 用多次变形时每次变形的应力与相应积累的对数应变所得曲线来描述，并设想 了一种包迹曲线，即该曲线随着第一次应变时的流动曲线到它的最大值，然后 与以后每次曲线最大点相连接。这样可以将每道次曲线、包迹曲线与同样温 1 2 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 度、速度条件下的连续变形曲线相比较。 在动态回复的金属中，包迹曲线平稳段的应力水平不大于连续稳态应力水 平或等于连续稳态应变时的应力。对于动态再结晶金属，如果道次应变仅稍小 于峰值，则其包迹曲线的平稳段可在连续稳态流变应力之上。 在恒温、恒应变速率和等道次应变、等间歇时间条件下，多次热变形的流 动曲线形状和包迹曲线形状，是由软化百分数来控制的，该软化百分数，主要 取决于道次应变、间歇时间和间歇时的温度、应变速率。增加应变速率、间歇 时间和应变量，会增加软化百分数。简言之，静态或亚动态再结晶量越大，软 化百分数越大。 在实际生产中，只有等温锻造可以近似于上述情况，而大多数热加工过程， 都与上述情况有所差别。通常热加工变形过程中，总是随着温度的降低，应变 速率增加或降低。 2 、温度降低的多阶段热加工过程的分析 几乎所有的热加工过程，都是伴随着温度连续降低的过程，即使由于变形 产生大量热能，但由于热辐射和坏料与模具接触传热，降温仍是不可避免的， 因而金属在变形时会不断冷却。热加工的应变速率变化比较复杂，但通常的热 加工过程初始应变速率是增高的。最典型的应变速率增加的热加工是连续热轧， 从上道次到下道次应变速率会增加，当然对单一道次变形来讲，一开始应变速 率增加，然后快速下降。 对于动态回复的金属降低温度增加应变速率的过程，一般可以这样认为： 较高温度( 较低应变速率) 下的亚结构带到较低温度( 较高应变速率) 下的变 形中，这时降温的影响是主要的。较高温度下的亚结构有较大晶胞尺寸以及在 亚晶粒边界中位错有较长的链长，所以位错容易移动。因此变形时，它比同样 晶粒大小的再结晶金属可能有较低的平均流变应力，但必须是各道次应变小于 发生再结晶时的应变。当在开始条件下变形进展到稳态区，若温度突然降低或 应变速率升高，则流动应力升高。当应变逐渐到达新的稳态应变时，流动应力 则逐渐升高到在较低温度或较高应变速率下的新的平衡状态。若温度逐渐降低 和应变速率逐渐升高，则流动应力增加没有稳态区，是因为亚结构连续变得致 密，在一定温度或应变速率下的流动应力也较再结晶材料全部变形到同样应变 大小时的流动应力要低些。 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 若在间歇时间内静态回复较多，会形成比正常( 稳态) 加工条件下更软的 亚结构。进行每次等应变循环变形时，如果每次应变小于由原始结构变成稳态 结构所要求的应变，则该道次的最高流动应力可能大划、于最初再结晶金属变 形时在同样条件下变形的流动应力。 在连续冷却的多次热加工过程中，动态再结晶只局限于高温或低应变速率 条件下的较窄范围内出现。在温度下降以前，增加形核所需要的应变能，积累 并超过所能达到的临界水平，动态再结晶发生才有可能。 以上内容，在工业中作为控制轧制的基本理论已经得到较好的应用，在等 温锻造和形变热处理中也有应用。但是由于热冲压工艺过程中各参数变化的复 杂性，试验模拟研究难以与实际生产过程完全吻合，这就有待于不断深入研究， 本文仅为热冲压工艺过程的分析做初步探索。 2 3 金属热加工中的传热学理论 1 、热力学第一定律 热力学第一定律是传热学的基本定律，即能量守恒定律，其具体内容可表 述为：对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) ，则其热力学平衡方程为： q 一形= a u + e k + a f j p 式中：q 为热量，w 为外来做功，【，指代系统内能，丝r 指代系统动能，监p 为所具有的系统势能。 针对具体的实际问题，热力学第一定律的平衡方程可以简化为： 1 ) 对于大多数工程传热问题：衄r = 丝p = 0 ； 2 ) 考虑没有外来做功：= 0 ，则：q = a u ： 3 ) 对于稳态热分析：q = a u = 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量； 4 ) 对于瞬态热分析：q ：掣，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能 d f 的变化。 2 、热传递的方式及其描述手段 热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射n 们。 1 4 第2 章热冲压成形基本理论与数值模拟理论 1 ) 热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部位之间由 于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律： 口一：一| 塑 。 缸 式中：g 。为热流密度( w m 2 ) ，k 为导热系数( w m - ) ，负号“一表示热 量流向温度降低的方向。 2 ) 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的 热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却 方程来描述： q = 办( 乃一易) 式中：h 称为对流换热系数( 或称膜传热系数、给热系数、膜系数等) ，t s 为 固体表面的温度，瓦为周围流体的温度。 3 ) 热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热量的交换过程。物 体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质， 而热辐射无须任何介质。实际上，在真空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，