（材料加工工程专业论文）热冲压用钢br1500hs高温流变行为研究及淬火工艺优化(1).pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 超高强度钢板由于其对于改善汽车碰撞安全性能和汽车轻量化的优势，成为 汽车车身重要结构件的理想材料。但又因其超高强度难以发生塑性变形，使超高 强度钢板在汽车上的应用受到限制。热成形技术这一全新的工艺手段，正好可以 解决超高强度钢常温下变形困难的问题，将传统冷冲压工艺与热处理技术结合为 一体，既能实现车身轻量化又能提高碰撞安全性，成为是当前汽车行业的热点研 究课题。 本文以热冲压用超高强度钢b r l5 0 0 h s 为研究对象，主要通过物理实验的方 法，对b r l 5 0 0 h s 的高温流变行为和淬火工艺进行了分析和研究，获得了针对某 汽车零件的热成形实际生产的应用性结论，具有一定参考价值。 首先，通过热模拟高温拉伸实验，获得了温度为6 0 0 、7 0 0 、8 0 0 ，应变 速率为1 s 、o 1 s 、0 0 l s 以条件下b r l 5 0 0 h s 的真实应力一应变曲线。通过分析曲 线认识了材料的应力、应变与变形温度、应变速率之间的关系：流动应力随着应 变的增加而迅速上升；材料的抗拉强度随温度的降低而升高，随应变速率的提高 而升高，但应变速率的影响不及温度影响的敏感度；材料在实验温度7 0 0 以上时 发生动态回复，部分抵消应变硬化效应，使真实应力一应变曲线斜率降低，后段 趋于平稳。 通过高温拉伸实验的结果，建立了基于n o n o n h o 行模型的高温流变应力数学 模型。使用该理论模型绘制的曲线与实验所得真实应力一应变曲线的相比，除8 7 3 k ( 6 0 0 ) ，应变速率为o 1 和0 0 1 s 1 条件下的两条曲线差异较为明显之外，其余条 件的计算值与实验值基本吻合，说明所建立的材料模型能较为真实地描述材料的 高温流变行为。 为了获得能够指导热成形实际生产的工艺参数，设计并完成了b r l 5 0 0 h s 的 二因子四水平淬火正交实验。通过对不同热处理条件后的试样进行力学性能测试 和金相组织观察，发现材料的奥氏体化温度在8 5 0 以上，高于8 5 0 加热时必须 经过一定的保温时间才能获得充分而均匀的奥氏体化。但随着加热温度升高和保 温时间延长，将引起材料晶粒粗大，导致材料力学性能的下降。并以材料的淬后 力学性能表现和生产效率为综合考虑的前提下，确定了b r l 5 0 0 h s 的最优淬火工 艺参数：加热温度9 0 0 9 5 0 ，保温时间4 8 m i n 。 最后，将淬火正交实验的结论应用于某汽车左前立柱下加强件的热成形试制 工艺之中，对成形后零件进行了必要的力学性能检测和金相组织观察，结果表明， 零件的强度、硬度和微观组织均达到了产品的质量要求，零件采取的试制工艺方 塾茎鳖兰堡圭堂垡堕窭 皇壅塑墨 案和具体工艺参数是合理且适用的。 关键词：超高强度钢板；热成形；高温流变行为；淬火工艺；产品试制 i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i 也t 1 1 ea d v a n t a g e so ni m p r o v i n ga u t o m o b i l ec o l l i s i o ns a f e t yp e r f o n n a n c ea n d w e i g h tr e d u c t i o n ，u l 倾h i g l ls 骶n 啦s t e e lb e c 锄et 1 1 ei d e a lm a t e r i a lo fa u t ob o d y sv i t a l s t n l c t u r e s b u tt h ed i m c u 埘o fp l a s t i cd e f o m a t i o nc a u s e db yi t su l 舰h i g h ts t r e n 酏， m a k e si tr e 耐c t e di na u t o m o t i v ea p p l i c a ：t i o n s a sat o t a l l yn e w t e c l l i l o l o g y ，h o tf o r m i n g h a u sp e r f e c t l ys o l v e d 也ep r o b l e m0 fd e f o n n a t i o nd i 伍c u l t i e sa tu s u a lt e m p e r a 白1 r e h 0 t f o 册i n gc o m b i n e d 廿1 et r a d i t i o n a ls t 锄p i n ga n dh e a t 臼e a m l e n tt e c l l l l o l o g yi n t oo n e p r o c e s s ，n o to i d ya c h i e v et 1 1 ep u 叩o s eo fw e i 曲tr e d u c t i o n ，b u ta l s oi m p r o v ec 0 1 1 i s i o n s a f e t yp e r f o r m a n c e ，a r 通b e c 锄em eh o tr e s e a r c ht o p i c i na u t o m o t i v ei n d u s t r y n o w a d a y s t h i sp a p e rs m d i e st 1 1 eh o ts 【a i n p i n gu s e du l 仃al l i 曲s 仃e n g t l ls t e e lb r l5 0 0 h s b y d o i n gp h y s i c a le x p e r i m e n t so fr e s e a r c h e so fm 曲t e n l p e 鼬眦m e c h a l l i c a lb e h a v i o ra i l d q u e n c l l i | 1 9p r o c e s s o fb r15 0 0 h s ，s o m er e f b m b l ea p p l i c a t i o nc o n c l u s i o n so fa a u t o m o t i v ep a r t sh o tf o m l i n gp r a c t i c a lp r o d u c t i o nh a sb e e no b t a i n e da tl a s t f i r s t l y ，b yh i g ht e m p e r a t u r e t e n s i l et e s tw h i c h l a ds i m u l a t e d此 t h e n n a l - m e c h 狐c a l p r o c e s s ， i to b t a i n e d也et n 】es 仃e s s s 仃a i nc u n ，e s谢也t h e t e m p e r a t u r e6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0 a n ds t r a j nr a t e s1 s 一，o 1 s ，o 0 1 s 。1r e s p e c t i v e l y b y a i l a l y z i n gt h e s ec u r v e s ，t ok n o wt h er e l a t i o n s l l i p sb e t w e e ns 仃e s s ，s t r a i n ，d e f o n n a t i o n t e m p e 劬j r ea 1 1 ds 廿a i nr a t e ：n o ws t r e s s i n c r e a s e sr a p i d l ya ss 砌ni n c r e a s e d t b n s i l e s t r e n 豇ho fb r l5 0 0 h si n c r e a s e sa st e r n p e r a t u r ed e c r e a s e da i l di n c r e a s e sa ss t r a i l lr a t e i n c r e a s e d ，t h es e n s i t i v eo fs _ t r a i nr a 把se f r e c ti sl e s sm a nt e m p e r a t u r e se 行t d y n a m i c r e c o v e r yo ft 1 1 em a t e r i a lw a sh a p p e n e do i l l ya b o v e7 0 0 ，t 1 1 ec a u s e ds o f t e ne 疵c tc a n p a n i a l l yc o u l l t e r a c t st l l e s 仃a i nh a r d e m n ge 虢c t ，m a l ( e st 1 1 es l o p eo ft r u es t r e s s s 的i n c u e sl o w e ra n dt 1 1 ee n do fc u e ss t l b i l i z e d w i mm er e s u l t so fh i g ht e m p e r a n j r et e n s i l et e s t ，b r l5 0 0 h s sm a m e m a t i c a jm o d e l o fl l i 曲t e m p e r 栅ef l o w 妣s sb a s e do nn o n o n h o f rm o d e lh a sb e e ne s 诎l i s h e d b y c o n t r a s t i n gt h e c u r v e sd r a w i n gb y 也em e o r e t i c a lm o d e la i l de x p e r i m e n t a lc u r v e s ，i t s h o w sm a tn l ec a l c u l a t e dv a l u e sa 1 1 dt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e sc a nc o n s i s t e n tw e l le x p e c t t 1 1 es i t u a t i o n so f8 7 3 k ( 6 0 0 ) ，s 协a i nr a t ea to 1s da 1 1 d0 0 1s 一1 1 1 a tm e a n sm a tt l l e e s t a b l i s h e dm a t e r i a lm o d e lc a nt m l yd e s c r i b et h eh i 曲t e m p e r a t u r en o ws t r e s s i no r d e rt og e tt h ep r o c e s sp 绷撇e t e r sb ea b l et og u i d et h eh o tf o 眦i n gp r a c t i c a l p r o c e s s ，i td e s i g n e da n di m p l e m e n t e daq u e n c m n go n l l o g o n a le x p e r i m e n tw i mt w o i i i f a c t o r sa n df o l l r1 e v e l s a f l e rt h et e s t so fm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e sa i l dm i c r o s t m 魄l r e o b s e a t i o no fs 锄p l e sw i md i 虢r e n th e a t 仃c 咖e n tc o n d i t i o n s ，i t i sf 0 u 1 1 d 也a t ： b r l 5 0 0 h s s 趴l s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r ei sd b o v e8 5 0 w h e nh e a t i n gm a t e r i a la b o v e 8 5 0 ，“m u s tb ee x p e r i e n c eh e a tp r e s e r v a t i o nf o rs o m en e c e s s a d rt i i n e t 0o b t a j n m i c r o s 臼咖r eo f 如l la 1 1 du m f o ma u s t e i l i t e b u tu n d e r1 1 i 曲e rh e a t i n gt e m p e r a t u r e i n c r e a s e sa n dl o n g e rh 0 1 d i n gt i m e ，i tr e s u l t sc o a r s e 黟a i n si nm a t e r i a la n dd e c r e a s eo f m e c h a i l i c a lp r o p e r r t i e s w i mc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r 撕o no fm a t e r i a r sm e c h a l l i c a lp r o p e n i e s础e r ”e n c l l i n ga 1 1 dp r o d u c t i o ne 伍c i e n c y ，b r l5 0 0 h s sb e s tq u e n c k n gp r o c e s sp a r a 吼e t e r s w e r ed e t e m l i n e da s ：h e a t i n gt e m p e r a ：t u r eo f9 0 0 9 5 0 ，h o l d i n gt i m eo f4 8 m i n f i r 谢l y m ec o n c l u s i o n so fq u e n c l l i n ge x p e r i m e mw a su s e di nh o tf 疏m i n g 仃i a j p r o c e s so fal o w e rr e i n f o r c e m e n to fu p r i g h tp o s t b ys o m en e c e s s a r ym e c h 锄i c a lp r o p e r t i e st e s t s a 1 1 dm i c r o s t r u c n l r eo b s e r v a t i o n ，t h et e s t i n gr e s u l t ss h o w e d ：s 仃e n 舀h ，h a r d n e s sa n d m i c m s t r l l c t u r eo f m ep a n 硪e rh o tf o m i n gh a sa c h i e v e dt 1 1 eq u a l 埘r e q u i r e m e n t s s oi tc 锄d 酣u c e dt l l a tt h et r i a l p r o 铲珊锄du s e dp r o c e s sp 删n e t e r s w e r er e 笛0 n a b l ea n da p p l i c a b l e k e yw o r d s ：u l t r ah i 曲s t r e n g t hs t e e l ，h o tf o m i n g ，h i 曲t e m p e r a n 鹏n o w b e h a v i o r ， q u e n c k n gp r o c e s s ，p r o d u 以t r i a lp r o d u c e i v 重庆大学硕士学位论文l 绪论 l 绪论 1 1 引言 伴随着全世界经济社会的高速发展，汽车保有量每年高速递增，正以越来越 大的影响力改变着人们的工作与生活。与之相对，人类所共同面临的能源危机和 全球变暖等重大环保问题，对既消耗大量燃油又排放大量尾气的汽车而言，又构 成一项艰巨的挑战。从可持续发展的角度，节能、环保、安全已成为当今全球汽 车工业技术革新的三大核心价值，汽车轻量化成为降低汽车燃油消耗、减少尾气 排放任务的一项迫切任务。 近年来，世界各国积极倡导节能环保新政策，个体的环保意识也日益巩固加 深，更为严格的汽车安全性能及能耗要求，促使汽车安全和节能环保两方面的控 制越来越严格。各大汽车公司一方面通过提高发动机的效率、减少行驶阻力、改 善传动机构效率入手，另一方面则通过汽车轻量化技术减少燃油消耗、降低发动 机的废气排放。 汽车轻量化，顾名思义即减轻汽车的自重。汽车的燃油消耗与其运动的总质 量成正比，而总质量即是汽车自重和载重之和。除重载货车外，大部分汽车的自 重都远大于载荷，因此汽车轻量化的目标即是减少自重【n 。目前实现汽车车身轻量 化的手段，主要从制造技术、材料技术及车身设计技术三大方向入手1 2 1 。在钢材仍 为汽车产业的主要原材料的今天，随着高强度钢板技术的不断发展，使之成为实 现汽车轻量化的主导技术。据国外有关研究资料知，使用高强度钢板，原厚度为 1 0 1 2 m m 厚度的车身板可减薄至0 7 0 8 m m ，车身整体质量减少1 5 。2 0 ，节 油8 1 5 【3 ”j 。汽车车身轻量化不仅能减小行进阻力、加速阻力和爬坡阻力，降 低燃油消耗，对加速、转向、制动和排放等多方面的性能有所改善，还有利于降 低车辆噪声、振动等1 5 j 。 国际钢铁协会( i i s i ) 先进高强钢应用指南第三版中将高强钢分为传统高强钢 ( c o n v e n t i o n a lh s s ) 和先进高强钢( a d v a l l c e dh i 曲s t r e n g t l ls t e e l ，a h s s ) 。传统的高 强度钢主要包括碳锰( c m n ) 钢、烘烤硬化( b h ) 钢、高强度无间隙原子( h s s i f ) 钢和 高强度低合金( h s l a ) 钢，大多以固溶、析出和细化晶粒等作为强化手段，使材料 获得较高的强度；而先进高强度钢( a h s s ) 则主要通过相变实现强化，其组织中含 有马氏体、贝氏体和或残余奥氏体，强度在5 0 0 m p a 到1 5 0 0 m p a 之间，并且强度 和塑性配合优于传统高强度钢，从而具有良好的吸能性。先进高强度钢主要包括 双相( d p ) 钢、相变诱导塑性( t p ) 钢、马氏体( m ) 钢、复相( c p ) 钢、铁素体+ 贝氏体 ( f b ) 钢、热成形( h f ) 钢、孪晶诱导塑性( t w i p ) 钢、二次成形热处理( p f h t ) 钢和纳 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 米( n a n o ) 钢【6 】【7 】。 由于a h s s 的抗拉强度远高于常规钢板，故被用于汽车车身制造时，可在满 足强度要求的前提下选用较薄的钢板，以达到减轻自重、降低油耗的目的：也因 为a h s s 的应变硬化指数聆值较高，有利于吸收车身碰撞过程的能量，比常规钢 板可承受的冲击载荷高得多，从而显著提高车身的安全性【引。 正是因为a h s s 具有上述特性，随之而来也突现出相应的变形难题：首先， 材料在室温下的塑性变形抗力非常大，压力机吨位相对不足；第二，零件冲压成 形后发生严重的弯曲和回弹，尺寸和形状稳定性差；第三，其超高强度决定了材 料延伸率低，塑性成形范围很窄，易产生破裂、起皱等问题；上述问题又引发冲 压设备的维修频率大幅增加【9 】i 。 因此，要推广a h s s 在汽车轻量化( u l s a ) 项目中被大量应用，必须要解决其 性能在成形与功能上的矛盾性。热成形与冷冲压的显著区别就是在冲压生产前对 坯料进行加热，目的可以概括为：提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流 动成形并获得良好的组织性能】。热成形工艺解决了a h s s 变形困难的问题，将 传统热处理技术与冷冲压工艺结合为一体，既能实现车身轻量化又能提高碰撞安 全性，是一种全新的工艺手段。 鬈l o w l r e # g 量i i t e e i 誓h ；g hf l ”n g l h k e f 黎a d v a n c e dh 孽h ；t r e g m e e 瓣u n mh i g h l n n g 仆l t e d p f e l sh a r d e n “l t e e i 图1 1 热成形零件在p 0 1 0v 车型上的应用 f i g 1 1h c l t 蕾d m i n gp a r t su s e di np o l ov 高强度钢板热成形技术的先进性为全球汽车业所有目共睹，自2 0 世纪9 0 年 代以来，各国汽车厂商陆续投入了大量的研发精力到超高强度钢板的开发和热成 形技术的应用上，欧美、日本等国的先进汽车制造企业已具备运用热成形技术批 量生产高强度钢构件的能力n2 1 ，从而提高其制造汽车的碰撞安全性，在国际市场 上处于竞争的优势地位。以德国大众公司的经济型轿车p o l ov 为例，如图1 1 所 重庆大学硕士学位论文1 绪论 示，该车身钢结构使用了4 3 高强度钢和1 3 先进高强度钢，使p o l o 第v 代相对 第1 v 代减重1 5 k g ，达到钢结构自重的6 ，而由于其重要构件使用了超高强度钢 板，如车门防撞杆、加柱、门框加强梁等，在碰撞安全测试中正面侵入量减小了 5 0 ，达到e - n c a p ( 欧洲新车安全评鉴协会) 的五星级( 最高) 。 我国的热成形技术应用尚处于起步阶段，各大汽车厂商已经充分认识到热成 形零件应用于车身结构件的优势，开始着力探索热成形技术。但由于技术保密等 原因，热成形的主要关键技术及应用问题的文献仍较为少见，使其在工程的推广 应用受阻。 因此，从对超高强度钢板的研究，到超高强度钢板热成形关键技术问题的逐 一攻克，最后使该技术在工程实际中推广应用，不仅是一项材料成形的前沿技术 研究，也是当前国内汽车业迫切有待解决的实际工程问题。正是因为超高强度钢 板的热成形技术在汽车业中的独特优势，在提高汽车碰撞安全性，实现更大程度 的车身轻量化制造，节约能耗和减低二氧化碳排放等方面对国产汽车业将具有巨 大的推动力，对此课题的研究因而具有重大的现实意义。 1 2 热成形技术的要点 热成形技术诞生于1 9 7 7 年，由瑞典p 1 籼i a 发明并申请了专利，用于刀片和 锯片的加工。1 9 8 4 年，瑞典s a a ba u t o m o b i l ea b 首次将热成形技术应用在汽车硼 钢部件的生产上【1 3 】。之后在全世界范围内逐步传播及发展，至2 0 0 7 年，全球的热 成形件生产量已突破1 亿件年【l 。 当今产业背景下，热成形技术更显示出广阔的应用前景，其涉及科学问题的 复杂性和深入性，从理论到实际的透彻掌握，需要相关的研究机构及前赴后继的 科技工作者投入更多的心力、物力及财力深入钻研。 1 2 1 热成形设备及配套设施 首先，超高强度钢板热成形技术与常规冲压成形相比，对设备和模具方面都 有特殊要求，相关的设备及其核心技术有： 热冲压用超高强度钢板的连续加热设备。包括基于自动控制技术、传感 技术及机械传动等技术对连续加热设备的内部温度控制，防氧化功能的设计与实 现等。 热成形板料自动传送装置及智能机械手。必须保证高温奥氏体化的钢板 能够快速、准确地传送并放入热成形模具，将成形淬火后的零件取出模具，包括 为自动控制、传感技术以及零件专用机械手的设计等。 热成形专用压力机设备。应兼具传统冲压设备和注塑机的功能，实现成 形过程中压力的可调节，以控制热成形各阶段所需的压力( 成形力、压边力和保 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 压力) ，对模具冷却系统实现自动控制和调节，此外，还必须满足热成形生产节 拍、氧化处理及自动送料、取件的要求。 具有冷却系统的热成形模具。冷却装置设计技术，使零部件在成形的同 时得到均匀冷却淬火并提高模具材料在冷热变形条件下的寿命；这是解决板料成 形的同时能快速均匀淬火的关键所在【j 4 】【1 5 】。 1 2 2 热成形相关基础研究 热成形技术既包含变形的热力耦合问题，又包含变形与相交的耦合问题，是 个多物理场、多尺度耦合的问题【1 4 】。这项新技术的基础研究比常规冲压成形理 论复杂得多，将热成形的相关基础研究问题分解如下f 她1 8 】： 热冲压用超高强度钢板的高温力学性能研究，主要针对材料的高温流变应 力规律、高温下材料的硬化与软化效应等问题。 热冲压用超高强度钢板的高温成形性能研究，即材料的高温成形极限研 究。 研究热冲压用超高强度钢板中的合金元素对材料加热转变( 奥氏体化) 、 冷却转变( 马氏体化转变及贝氏体转变) 等过程的作用机理。 热冲压用超高强度钢板的热一力耦合本构关系的建立，更进一步至热一力 一相变耦合本构关系的建立。 1 2 3 热成形工艺参数优化 热成形技术根据其工艺流程可分为四个阶段，分别是：加热阶段、坯料转移 阶段、成形阶段和保压冷却阶段。只有深刻认识各加工阶段的目的和任务，严格 把控各相关工艺参数，才能避免及消除零件的成形和尺寸缺陷，生产出合格的热 成形零件。热成形的工艺参数主要包括【1 9 】1 2 0 】： 加热阶段加热温度和保温时间。板料加热的目的是获得均匀、细小的 奥氏体组织。加热温度应高于材料的奥氏体化温度，保温时间应根据材料的固有 性质和热成形生产节拍的要求来确定。 坯料转移阶段坯料传递时间和温度下降范围。坯料传递时间即板料从 加热炉到模具之间的传递时间，在这段时间内板料的温度会有一定的下降，不利 于成形，因此应在条件许可的情况下尽可能缩短传递时间。 成形阶段成形力、压边力和冲压速度。成形阶段的工艺参数需要通过 对成形零件进行工艺分析和数值模拟来进行优化，以避免出现起皱、开裂。通常 来说，零件热成形时所需的压边力比常规冲压时要小；合理的冲压速度应使板料 有充分的变形时间和变形温度范围。 保压冷却阶段保压时间、保压力和冷却速率。热成形零件成形后需在 模具完成淬火，这是一个保压和冷却并行的过程。保压的目的是避免和消除零件 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于冷却而发生的回弹和翘曲，保压时间和保压力主要根据零件形状确定；冷却 的目的是使材料发生马氏体转变，直接决定热成形零件的组织和性能，要求零件 在模具内的冷却速率必须大于材料的临界冷却速率。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 热冲压用高强度钢板现状 目前国内外被广泛使用的热冲压用高强度钢有以下几种： 全球最大的钢铁集团a r c e l o r 公司的u s i b o r l 5 0 0 u s i b o r1 5 0 0 是全球规模最大的钢铁制造企业心c e l o r 公司研发的带a 1 s i 镀 层的热冲压用高强度钢，化学成分见表1 1 ，其特点是在轧制状态下材料的组织为 均匀的铁索体和珠光体，抗拉强度在4 5 0 m p a 以上。板料表面镀有a 1 s i 镀层，在 热成形过程中不发生氧化。经过热成形淬火后，u s i b o r l 5 0 0 的抗拉强度可达 1 6 0 0 m p a ，为普通高强度钢板的3 4 倍【2 。 瑞典s s a b 公司的d o m e x 系列热轧可淬火硼钢板 瑞典的s s a b 公司也开发出d o m e x 系列的热轧可淬火硼钢板，最具代表性的 有2 0 m 心5 、2 2 m i l b 5 、2 7 m n c r b 5 、3 7 m n b 4 等，其化学成分见表1 1 。2 2 m 心5 是该系列钢中最常用的热冲压用钢，热轧状态下材料的微观组织也是铁素体和珠 光体，屈服强度约6 0 0 m p a ，淬火后由于发生马氏体转变，材料的抗拉强度可达 15 0 0 m p a 【7 】【1 2 1 。 中国宝钢集团的热冲压用高强度钢板 宝钢是国内唯一可批量供应热冲压用高强度钢板的钢材企业。宝钢从2 0 0 4 年 开始着手热冲压用钢的研发，2 0 0 6 年7 月实现批量供货，目前产量达5 0 0 0 1 0 0 0 0 吨年。该产品供货状态分为两种：牌号为b r l 5 0 0 h s 的热轧及酸洗板，厚度1 8 m m 以上，主要用于厚度2 0 2 5 的汽车前、后保险杠；和牌号为b 1 5 0 0 h s 的冷轧板， 厚度1 8 m m 以下，主要用于厚度1 0 1 6 n u n 的汽车驾驶舱周围的结构件，能够为 国内部分汽车制造公司配套简单热冲压件。其化学成分见表1 1 ，力学性能如表1 2 所示。根据厂家提供的资料，材料热成形淬火后的屈服强度可达9 5 0 1 2 5 0 m p a ， 抗拉强度可达l3 0 0 l8 0 0 m p a 。 其他热冲压用钢 除上述最为常见的集中热冲压用高强度钢种之外，欧洲、日本、韩国等国家 也能够批量生产热冲压用钢种【2 2 】【2 4 1 。 比如，德国蒂森克虏伯公司开发的淬火后最高强度可达1 6 0 0 m p a 的热冲压用 锰硼合金钢r 7 】；美国西渥斯托公司和戴姆勒一克莱斯勒汽车公司联合开发的热冲压 用硼钢，用于载重车架横梁以减轻车身质量，并提高了耐疲劳性能【_ 玎；韩国p o s c o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 浦项制铁) 公司生产的热冲压用钢s k 5 ，化学成分见表1 1 ，有文献指出该材料 热成形后的硬度值最高可达h r c 7 0 】。 表1 1 典型热冲压用高强度钢的化学成分( ) ta _ b l e l 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t y p i c a lh o tf 0 咖i n gh i g l ls t r e n g ms t e e l ( ) 表1 2 不同状态下b r l 5 0 0 h s b 1 5 0 0 h s 的常温力学性能指标 i 坐! 宝：! ：兰星垦! i q ! 婪! 堡! i q q 坚羔翌宝垦翌i 呈12 翌p 曼垒嬖i 垒垒i 丝翌坐! 鲤皇! 型塑巴! 宝巴p 翌垫r e 状态屈服强度以小毋a抗拉强度m a伸长率抛m 钢中的碳含量和合金元素对材料的力学性能和热处理过程都有影响，因此化 学成分成为材料力学性能发生变化的内在因素。首先，碳含量是决定钢板强度、 硬度等力学性能的最主要因素，钢的强度、硬度随之升高而提高，塑性、韧性随 之降低，冷脆倾向性和时效倾向性也随之提高。碳含量还对钢材的淬后力学性能 有显著影响，原因在于淬后的马氏体组织的硬度大小主要取决于其中的含碳量高 低。其次，合金元素主要影响钢在加热和冷却过程中的组织转变，从而影响淬后 钢材的力学性能【2 5 】。 从表1 1 中材料的碳含量栏可以看出，除s k 5 是过共析钢外，其余热冲压用 高强度钢的碳含量都在0 7 7 以下，属于亚共析钢范畴。亚共析钢的室温组织为铁 素体和珠光体。 观察表1 1 可发现，热冲压用钢的主要合金元素有s i 、m n 、n i 、c r 、a l 、t i 、 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 b ，这些合金元素的综合作用具体表现在以下方面： 提高钢的强度和硬度。s i 和是钢中必要的脱氧剂，主要作用是除氧 和除硫，并溶入铁素体中引起固溶强化，显著地提高钢的强度和硬度【2 5 】。 细化晶粒。a l 和t i 在钢中能形成稳定的碳化物、碳氮化物和氮化物，强 烈阻碍奥氏体晶粒长大【2 5 】【2 6 1 。 提高过冷奥氏体的稳定性。强碳化物形成元素t i ，强烈推迟珠光体转变， 中弱碳化物形成元素c r 和m n ，强烈推迟珠光体和贝氏体转变，非碳化物形成元 素a l 和s i ，强烈推迟贝氏体转变，n i 推迟珠光体转变，这些合金元素的共同作用 是都提高过冷奥氏体的稳定性，促进马氏体转变，从而能够提高钢的淬透性【2 5 】【2 6 1 。 此处对非金属元素b 的作用单独加以说明，b 是钢中晶界偏聚强烈的元素， 能降低奥氏体的晶界能，抑制先共析铁素体晶核的形成1 2 6 】，对于提高钢的淬透性 作用具有3 大特点：( 1 ) 提高淬透性的能力很强，有文献指出，0 0 0 1 0 0 0 3 的b 的作用可分别相当于0 6 的m n 、0 7 的c r 、0 5 的m o 和1 5 的n i ，只 需极少量b 即可节约大量的贵重合金元素；( 2 ) 有提高淬透性的最佳含量，不同 于一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而增加，b 有一个最佳含量 ( 范围) ，含量十分微小，约为0 0 0 1 ，一般控制在o 0 0 0 5 加0 0 3 ，过多或过 少均对提高淬透性不利；( 3 ) b 的淬透效果随钢中碳和合金元素含量的提高而下 降，b 的淬透性系数 与钢中碳含量关系为：五= 1 + 1 5 ( o 9 w c ) ，因此普遍认为低 碳、低合金钢中b 的淬透性效果最显著。 上述合金元素的对于提高过冷奥氏体稳定性上，采用多元少量的综合合金化 联合作用，相比单个合金元素的单独作用，能够成百上千倍地提高【2 倒。 降低马氏体转变的开始温度m 。点。奥氏体形成元素m n 、n i 、c r 对降低 m 。点，提高奥氏体稳定温度范围有显著作用，但可能造成淬火后残余奥氏体的增 加【2 6 1 。 1 3 2 超高强度钢板热冲压成形工艺现状 超高强度钢板的热冲压工艺，是将传统冲压技术与热处理技术结合并创新运 用，利用具有冷却系统的模具对成形性能很差的超高强度钢板同时完成成形和热 处理的一项先进制造工艺。 热成形技术诞生于1 9 7 7 年，1 9 8 4 年被瑞典s a a ba m o m o b i l ea b 首次应用于汽 车上的硼钢部件生产。之后这一技术在全世界范围内逐步传播及发展，德国、美 国等发达国家目前已开发出全自动化的商品化热冲压成形生产线，而该工艺的关 键技术掌握在大众、通用及福特等少数几家汽车公司手中。至2 0 0 7 年，全球的热 成形件生产量已突破1 亿件年。 2 0 0 8 年，德国与瑞典两国的热成形技术研究学者发动成立了高性能钢热成形 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 研究中心( c h s 2 ) ，并召开了第一届国际高性能钢热成形研讨会【2 7 】【2 8 1 。德国与瑞 典学者的研究主要集中在热冲压用高强度钢板的材料力学性能及高温流动行为的 实验研究、材料热力耦合本构关系的建立及数值模拟方面，对实际热成形工艺的 关键技术问题并未透露【2 9 3 7 1 。 国内对热成形技术的研究，最早始于2 0 0 4 年宝钢对于热冲压用超高强度钢板 的研发，开创了国内的先河，于2 0 0 6 年7 月实现大批量供货。目前国内汽车业对 于热成形技术已有基本的认识和了解，也开始重视并增大投入研究，处于快速发 展阶段。国内现有5 条热冲压生产线，分别属于中国宝钢、上海卡斯玛、本特勒、 蒂森克虏伯、心c e l o r 公司，全部从国外高价进口( 如a p t 等) ，耗资巨大，为 国内各大主机厂( 包括国有、合资、民族品牌) 的轿车提供热成形零部件( 如a 柱、b 柱、前后保险杠等) 的生产。另一方面，由于制造商对热成形技术的高度保 密，热成形设备及配套设施等核心关键技术仍处于垄断之下，市场进入壁垒高， 造成国内热成形零件价格居高不下，从而使热成形技术在国内无法真正普及【3 8 1 。 2 0 1 1 年1 2 月，湖北永拮集团与中国汽车工程研究院、中国吉利控股集团共同 承担的中国科技部重点支撑项目“超高强度钢热冲压成形技术开发及其在目 标车型上的集成运用”，将在湖北永醅集团襄阳永拮工业园建成国内第一条具有 自主知识产权的热冲压生产线。该项目还处于前期准备阶段，尚未取得重要成果， 但可以预见的是，通过该项目的成功实施，将实现热成形设备及配套设施的全面 国产化，成为打破跨国企业对热成形技术封锁的一个突破口，提高国产汽车碰撞 安全星级，提高国内汽车的设计、制造水平，以及在全球市场上的竞争力。 此外，国内许多高校都对热成形技术的各个阶段相继开展了研究工作。其中， 同济大学、哈尔滨工业大学、南昌大学等以“u ”形件为简易模型，对热冲压成形 工艺参数对成形性能的影响进行了初步探讨；华南理工大学等以汽车防撞杆为研 究对象，建立了防撞杆的热冲压有限元模型，并对其碰撞性能进行了模拟分析， 但未对此进行模具设计制造加工，也无实验验证结果：大连理工大学的胡平、吉 林大学谷诤巍等也针对“u s 形构件及几何较简单的防撞梁的热成形工艺进行了 数值模拟【1 0 1 【1 4 。5 1 。由于高校对热成形技术的研究主要局限于实验研究和简易模型 的数值模拟，没有实际工程应用来支撑研究成果，对热成形技术上的掌握还处于 相对较低的水平，没有重大突破和创新。 本论文的依托课题“汽车高强度钢板热冲压成形关键技术研究”，是重庆大 学与重庆长安汽车股份有限公司共同开展的产学研合作项目。在该项目中，相继 完成了对国产热冲压用超高强度钢b r l 5 0 0 h s 的高温流变应力和高温成形性能的 基础研究、板料淬火性能实验研究、对某汽车左前立柱下加强件的热成形工艺数 值模拟、热成形模具的设计和制造工作，并经过反复的现场工艺调试，最终完成 重庆大学硕士学位论文1 绪论 了项目的任务运用自主设计的具有冷却系统的热成形模具，生产出了满足各 项性能和技术要求的某汽车左前立柱下加强件。虽然本项目仅为单件试制，但将 热成形技术的的研究拓展至工程实际应用之中，在国内高校之中尚属首次。 1 4 本文的研究目的及内容 热冲压技术是将变形抗力很大的超高强度钢板加热到奥氏体温度以上，并保 温一定时间后，使其在高温下成形并淬火的一种新型的冲压成形方式。超高强度 钢板热成形技术克服了高强度钢板难以成形的问题，大大降低冲压成形对设备的 要求，改善零件精度，并且能提高零件成形后的强度，因而具有光明而美好的应 用前景。 1 4 1 研究目的 热成形技术是当前国内汽车行业的热点研究课题，已出现了不少研究成果。 本论文的研究依托于重庆大学与长安汽车研究院联合研究项目“汽车冲压用高强 钢板热成形工艺研究”，主要从事以宝钢产超高强度钢板b r l 5 0 0 h s 为研究对象的 基础研究工作，通过物理实验的方法达成以下研究目的： 掌握b r l 5 0 0 h s 在不同温度和不同应变速率下的流变应力曲线，分析温度 和应变速率对材料真实应力一应变曲线的影响规律。 建立b r l 5 0 0 h s 在一定温度、一定应变速率下的流变应力模型。 掌握不同淬火工艺参数对b r l 5 0 0 h s 力学性能和微观组织的影响趋势，并 获得最优淬火工艺参数，为实际生产提供指导和参考。 通过对某汽车左前立柱下加强件的热成形试制，验证前期对材料高温力学 性能和淬火工艺参数的研究成果是可行且适用的。 1 4 2 研究内容 针对以上研究目的，将本文研究内容分为以下几部分： b r l 5 0 0 h s 超高强度钢板的高温流变行为研究。利用g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实 验机，完成该材料在热模拟条件下的单向等温拉伸实验，以获得不同变形温度和 不同应变速率下的真实应力一应变曲线。通过对结果数据进行分析，确定变形温 度以及应变速率对真实应力一应变曲线的影响，归纳材料的高温流变力学行为特 征，尝试建立材料高温流变应力的数学模型，为后续的热成形研究提供依据。 b r l 5 0 0 h s 超高强度钢板的淬火正交实验研究。以加热温度和保温时间为 可变因素，以水淬为冷却介质，设计并完成1 6 组淬火正交实验及淬后力学性能实 验和金相观测实验，研究不同淬火工艺参数下材料的力学性能和微观组织的变化 趋势，优化可控的工艺参数，应用于热成形实际生产中。 某汽车左前立柱下加强件的热成形试验验证。根据项目实施内容，将前 9 期建立的材料高温流变应力数学模型和优化的淬火工艺参数，应用于某汽车左前 立柱下加强件的热成形试验中，验证本论文的实验研究成果，对实际生产是可行 且适用的。 1 0 重庆大学硕士学位论文2b r l 5 0 0 h s 高温流变应力模型的建立及验证 2b r l 5 0 0 h s 高温流变应力模型的建立及验证 2 1b r l5 0 0 h s 高温拉伸实验及研究方法 热成形工艺过程是将板材加热到奥氏体化温度以上，保温一段时间后，材料 的微观组织由铁素体和珠光体的混合物转变为均匀的奥氏体，经过传递，材料热 成形的温度变化大约在6 0 0 8 0 0 范围内，此时材料的力学性质将发生很大变化。 为了认识高温下b r l5 0 0 h s 的变形规律、进行有效的热成形过程数值模拟，选择最 优的热成形工艺参数，需要对材料进行上述温度范围内的拉伸试验，确定其高温 下的基本力学性能，探讨温度、应变速率等因素对热成形过程中流动应力的影响， 尝试建立一定温度范围和一定应变速率范围内的流变应力数学模型。 2 1 1 热模拟拉伸试验 实验目的 为了研究超高强度钢板b r l 5 0 0 h s 的塑性成形性能和显微组织的变化，本次实 验是在重庆大学g l e e b l e1 5 0 0 热模拟机上进行高温单向拉伸实验，从而测得在不同 温度、不同应变速率的条件下该材料的真实应力一应变曲线及相应的抗拉强度， 了解温度、应变速率对材料性能的影响，为建立b r l 5 0 0 h s 的高温流变应力模型和 数字模拟仿真提供真实的实验数据。 实验参数 1 ) 试样尺寸 图2 1 高温单向拉伸试验用拉伸试样