（材料加工工程专业论文）22mnb5钢板热成型性能研究及右前立柱下角撑热成型过程数值模拟.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e i n v e s t i g a t e o n2 2 m n b 5s t e e la n d n u m e r i ca ls i m u l a t i o nf o rf r o n tp i l l a r g u s s e t - - rh o t f o r m i n g p r o c e s s m e n g c h e n s u p e r v i s o r p r o f e s s o rb id a s e n p r o f e s s o r a t es e n i o re n g i n e e rc h a n gs h i p i n g d e c e m b e r2 0 1 2 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导帅指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：1 嗲签字日期：o 乡年弓月眵日f学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁盗堡兰盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗墨兰盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)张论文作者签名：停黟签字日期：加哆年芩月丫日，导师骆酃瓦牟签字日期：知多年岁月眵日 摘要由于近年来环保意识的提升，汽车业为了降低油耗并且提高汽车行驶的安仝性，全球各大汽车厂商均致力于采用高强度钢板以达到减轻车身自重与环保的目的。然而，刚强度钢板在冲压成形过程中容易产生回弹、扭曲等难以预测的现象，导致成形十分困难。因此，热成型技术应运而生。用来进行热成型的超高强度钢板主要是硼钢，而2 2 m n b 5钢板是热成型广泛应用的超高强钢板。热成型过程是将强度为2 0 0 3 0 0 m p a 的钢板加热之后快速转移到模具中成形的过程。由于热成型过程中有保压淬火过程，使钢板的组织结构转变为马氏体，这样最终零件的强度可到达1 4 0 0 m p a 以上。而且，热成型可以解决回弹、扭曲等冷冲压难以解决的问题。由此可见热成型技术是未来汽车结构件重要的成形技术。本文主要通过数值模拟与热成型试验的方法对热成型技术进行研究。首先，查找文献资料，介绍热成型常用的材料以及实验过程中所用的2 2 m n b 5 钢板的物理和热学参数，分析典型的热成型工艺过程。其次，选用金属板材热力耦合c a e 软件p a m s t a m p2 0 1 1 对右前立柱下角撑零件进行热成型过程数值模拟。本次模拟过程采用两种结构形式的模具进行，两种结构形式的模具凸模的结构都相同，不同的是凹模与压料芯的结构。一种是凹模与压料芯分开的结构形式，另一种模具是凹模与压料芯组合的结构形式。通过模拟得到了热成型零件的温度场分布、厚度分布、减薄率以及马氏体含量分布。再次，设计合理的方案进行热成型试验，为了保持与模拟过程一致，试验中也设计了两种结构形式的模具。实验过程中先用小块方料进行温降试验，获得板料在空气中的温降曲线，了解板料的降温规律；然后采用两种不同结构形式的模具进行右前立柱下角撑热成型试验。从成型后的零件上切取试样进行拉伸试验、硬度检测以及金相试验来得到零件抗拉强度、硬度、以及微观组织。与此同时，还分析了热成型后零件镀层的微观组织结构。最后，对比模拟结果与试验数据，证明了模拟结果的可信度。另外，从试验结果分析中可知，热成型工艺条件并不是那么严苛，还是有可以调节的范围，在生产中应当根据具体条件来选择最合适的工艺。关键词：超高强度钢板热成型热力耦合数值模拟 a b s t r a c ti no r d e rt os a v et h ef u e lc o n s u m p t i o na n di n c r e a s et h ea u t o m o b i l es a f e t y , t h ec a rm a n u f a c t u r e r st a k eal o to fe f f o r t st or e d u c et h ew e i g h to fa na u t o m o b i l e u h s sf u l t r a h i g hs t r e n g t hs t e e l ) i st h e nw i d e l yu s e dt oi n c r e a s et h es t r e n g t ho fc a rb o d ys t r u c t u r e a n dr e d u c et h ec a rw e i g h t i nt h ea p p l i c a t i o no fu h s s ，h o tf o r m i n gi san e wp r o c e s sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s b o r o ns t e e lw h i c ht e n s i l es t r e n g t hi s2 0 0 m p a 3 0 0 m p ai sm a i n l yu s e di nh o tf o r m i n gp r o c e s s 2 2 m n b 5i so n eo ft h em o s tt y p i c a lh o tf o r m i n gs t e e l s t h es t r e n g t ho fh o tf o r m e dp a r t sc a nr e a c h14 0 0 m p at h r o u g ht h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nb yq u e n c h i n gi nt h eh o tf o r m i n gp r o c e s s a l s ot h ed e f e c t so fd i s t o r t i o na n ds p r i n g b a c kc a nb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l yb yh o tf o r m i n g s ot h eh o tf o r m i n go n eo ft h ei m p o r t a n tf o r m i n gt e c h n o l o g i e so fa u t o m o t i v es t r u c t u r a lp a r t si nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , s t u d yo nh o tf o r m i n gb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dh o tf o r m i n ge x p e r i m e n t s f i r s t l y , a n a l y s i st h eh o tf o r m i n gp r o c e s sa n dd e t e r m i n e dp a r a m e t e r so ft h eb l a n ko nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gd o c u m e n t s t h e nh o tf o r m i n gp r o c e s so ff r o n tp i l l a rg u s s e t ri ss i m u l a t e db yt h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e df es o f t w a r ep a m s t a m p2 011 t w ok i n d so fd i es t r u c t u r a lw e r eu s e di nt h i ss i m u l a t i o n t h ed i f f e r e n to ft h ed i es t r u c t u r a lw a st h el o w e rd i ea n dt h ep a d t h r o u g ht h es i m u l a t i o nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，t h et h i n n i n ga n dt h em a r t e n s i t ep a h s ef r a c t i o no fh o tf o r m i n gp a r t sc a nb eo b t a i n e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt oc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o np r o c e s s ，t w ok i n d so fd i e sw a sm a n u f a c t u r e di nh o tf o r m i n ge x p e r i m e n t s t h e r m a lt e s tw i t hb l a n k sw e r eu t i l i z e dt og e n e r a t et e m p e r a t u r ed r o pc u r v e a f t e rt h a t ，h o tf o r m i n ge x p e r i m e n t sw e r es e tu p t h et e n s i l es t r e n g t h ，v i c k e r sh a r d n e s sa n dm i c r o s t r u a lo fs a m p l e sw h i c ht a k ef r o mt h eh o tf o r m e dp a r t sw e r em e a s u r e d b e s i d e s ，m i c r o s t r u c t u r e so fb l a n kc o a t i n gw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sf r o ms i m u l a t i o ns h o wg o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s f r o mt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h eh o tf o r m i n gp r o c e s sc o n d i t i o n sw e r en o ts ot r i c ta n dc o u l da d j u s t w es h o u l dc h o o s et h em o s ts u i t a b l ec o n d i t i o ni np r o d u c t i o n s k e yw o r d s ：u h s s ，h o tf o r m i n g ，t h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录第一章绪论一11 1 引言11 2 超高强度钢板热成型技术21 3 超高强度钢板热成型技术的国内外研究现状41 4 本课题研究的主要内容及意义6第二章热成型的基本理论一72 1 引。言72 2 金属热成型理论72 2 1 金属板料在加热过程中内部组织的主要变化72 2 2 金属板料在冷却过程中内部组织的主要变化82 3 金属板材塑性成形过程中的力学行为1 12 3 1 热成型过程中的塑性变形机理112 3 2 热成型过程中摩擦学基本理论1 22 3 3 热成型过程中的接触模型1 22 4 热成型过程中传热问题的基本理论1 42 4 1 热传递模型1 42 4 2 传热问题的初始条件和边界条件1 62 5 热成型过程热、力、相变多场耦合理论182 5 1 变形与温度场之间的相互影响1 92 5 2 热成型相变过程理论分析2 0第三章热成型材料介绍2 13 1 引言2l3 2 热成型材料介绍2 23 2 1 热成型钢板的类型2 23 2 2 热成型钢板镀层介绍2 33 3 试验用热成型钢板2 2 m n b 5 2 3第四章热成型过程数值模拟2 64 1 弓i 言2 6 4 2 热成型过程数值模拟技术介绍2 64 3 热成型过程数值模拟c a e 软件的选择2 74 4 右前立柱下角撑热成型过程数值模拟2 94 4 1 有限元模型的建立3 04 4 2 热成型材料参数及步骤分析3 24 4 3 模拟结果与讨论3 44 5 本章小结3 8第五章右前立柱下角撑热成型试验3 95 1 引言3 95 2 热成型试验过程3 95 2 1 热成型试验材料与设备3 95 2 2 热成型试验内容及步骤4 15 3 热成型实验数据分析4 55 3 1 热成型板料空冷曲线4 55 3 2 热成型零件冲压试验结果分析4 55 3 3 不同成型条件下的热成型零件及性能5 45 4 本章小结5 7第六章全文总结与对未来工作的展望5 86 1 全文总结5 86 2 对未来工作的展望5 9参考文献一6 0发表论文和科研情况说明一6 5致谢6 6 第一章绪论1 1 引言第一章绪论当前汽车产业是国民经济发展的重要支柱产业，在国民经济增长和社会发展中起着重要的作用。随着国民经济持续快速发展与城镇化进程加速推进，在今后很长的一段时期内汽车需求量仍将保持持续增长的势头，由此带来的能源紧张以及环境污染等问题将更加突出。这对现代汽车工业的发展提出了新的要求，使得节能和减排成为新车开发的新趋势。各国汽车制造商都力图寻找降低能耗、减小排量的新途径。因此，近年来，世界各国关于汽车轻量化的研究项目越来越多，它们的共同点之一就是以降低2 0 4 0 汽车的重量为研究目标【i qj 。车身轻量化即采用现代设计方法和有效的手段对车身产品进行优化设计，或使用新型材料在确保车身综合性能指标的自订提下，尽可能降低车身产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。轻量化8 h d , 型化不同，它是指同一台车在同样尺寸或同一种车型在同样的汽缸容量的前提下重量的减轻。在减轻车身自身重量的情况下，既要保持车身原有的性能不受影响，又要保证车身行驶的安全性、耐撞性、抗震性及舒适性。总的来说，实现汽车轻量化的途径主要有以下几种方式 4 , 5 1 ：1 优化设计车身结构。对所有车身零部件进行结构改进，使其薄壁化、中空化、小型化以及复合化；对所有车身零部件进行结构优化，在满足设使用要求的前提下，采用最轻结构设计。2 采用轻质的金属和非金属材料。主要是指高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料，复合材料等；据报道目前在国内外车身上应用较多的轻量化材料主要有以下几大类：( 1 )有色合金材料。在车身轻量化中替代钢铁材料的主要就是有色合金材料。目前，在车身零件上使用有色合金材料越来越多，主要包括：铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等，而使用最广泛的是铝合金和镁合金。( 2 )非金属材料。用于车身的非金属材料有数十种产品，用量最大的当数塑料和复合材料。( 3 )高强度钢或超高强度钢。高强度钢或超高强度钢在轻量化材料中，与铝合金、塑料等材料相比，具有弹性模量高、耐冲击性好、刚性好、抗疲劳强度也比较高等特点，而且价格也比较低。使用高强度钢板或超高强度钢板材料来生产的汽车车身零件也会比使同等强度、刚度的其他材料的零件重量减小5 0 以上。因此具有很大的减重潜力、较高的防撞性能以及较高的疲劳强度等较突出的优点，而且还能够大幅度的提高汽车的安全性能、大大降低油耗、减少尾气的排放、降低对环境的污染等优点。由此可见高强度钢板以及超高强度钢板在汽车车身的结构件与安全件上具有极其广泛的应用自订景【6 “j 。 第一章绪论 3 采用先进的制造工艺【9 1 。采用激光切割技术、激光焊接技术、模压成型、液压成 型、金属基复合材料板、半固态成形、连续挤压变截面型材、内高压成形( 液压胀形) 、 激光拼焊板成形以及热成型( 针对高强度钢丌发) 等新技术的应用以达到汽车车身轻量 化的目的，图1 1 是汽车工业中常见的轻量化的方式。 0 - m ：! + r o i ：a f ：斟l r ：l 图1 17 f 身轻量化技术 f i g 1 一lt e c h n o l o 西e sf o rv e h i c l el i 曲撕e i 曲t 又由于全球石油资源短缺( 世界能源的3 5 靠石油，交通用能源的9 6 靠石油，我 国目前石油消费的3 0 用于汽车) ，迫使各国开发替代石油的新能源汽车，但新能源汽 车成本居高不下，汽车轻量化便成为汽车省油见效最快的举措：全球大气污染严重、气 候变暖，迫使汽车减排再减排。汽车愈多，交通事故愈频繁，各国政府都在大抓交通安 全，汽车安全性也是购车者的首选。在这样的大背景下，有利于汽车安全性、有利于汽 车轻量化、有利于汽车节能减排的热成型技术备受青睐，是现代汽车厂商采用最广泛减 轻车身自重的技术【l 州2 1 。 1 2 超高强度钢板热成型技术 在减轻车身重量时，无论是调整汽车零件的尺寸与数量还是使用铝、镁合金等一些 轻量化材料，都会降低零件的强度，也就是降低汽车的安全性能；并且铝、镁合金零件 的原材料以及制造成本都会比较高，在汽车市场激烈的价格竞争中难以取胜，以至于很 难应用于所有的汽车当中。因此，世界上大多数国家的汽车制造厂商都丌始使用高强度 钢板成形的零件作为车身部件，由此也带来了关于高强度钢板在冷冲压成形中难以解决 的问题。特别是当强度超过1 2 0 0 m p a 以上或者几何形状比较复杂的零件时，使用常规 的冷冲压成形工艺几乎难以成形3 b j 。由此，高强钢板热成型技术应运而生。 热成型也叫热冲压成形技术，这是一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术 第一章绪论川圳。其工艺过程为：首先将常温下强度为5 0 0 - - 一6 0 0 m p a 的超高强度钢板加热到8 5 09 5 0 ，目的是为了得到均匀化的奥氏体，然后转移到带有冷却系统的模具内进行冲压成型，并在模具内使其迅速冷却，从而使高温下的奥氏体转变为马氏体，大幅度的提高车身零件的强度，这样也汽车的安全性也就会随之提高。图1 - 2 是热成型的丁艺过程简图拉。通过这种方法获得的冲压零件其强度可以超过1 4 0 0 m p a ，由于板料在高温下成形，所以几乎没有回弹【2 卜矧。这样获得的零件成形精度特别高、成形性也特别好，而且最重要的是几乎没有回弹，获得汽车业界的一致好评。因此，热成型技术也迅速成为了汽车零件加工制造领域的一项最热门的技术。口撼口令 口陟 二 口e 图1 - 2 热成型l ：艺过科f i g 1 - 2t h eh o tf o r m i n gp r o c e s s与传统的冷冲压成形的零件相比，热成型件有以下优点【2 4 之6 ：1 热成型后的零件强度等性能指标大幅度提高，能够承受更大的撞击力，能够吸收更多的能量，有效地提高汽车的驾乘安全性能。2 热成型零件具有巨大的减重潜力。零件在热成型后强度能够提高2 倍以上，在相同要求下，可以通过减小汽车零件的厚度或者减少车身上零件的数量来减轻车身重量，从而达到节约燃料消耗、减少尾气排放的目的。3 热成型的材料具有在高温下塑性好、延伸率高、变形抗力小等优点，可成形冷冲压无法成形的复杂零件，同时可以将在冷冲压需要多道工序、多套模具成形的零件进行一次成形，并且保证零件的性能符合要求。4 板料在高温下成形没有回弹。回弹一直是冷冲压成形中的主要缺陷，尤其是在成形高强度钢板时，回弹问题十分突出，并且难以解决。而在热成型工艺中，几乎可以完全消除回弹对零件形状的影响，可以实现汽车零件高精度成形，这是在常规的冷冲压成形所无法做到的。5 板料高温下材料变形抗力小，因此成形所需压机的吨位比冷成形所用的药小，这样可以大幅度减小设备的投资，i 司时减少能量得消耗。热成型技术是将高强度钢板加热实现相变，再冲压成形并进行淬火，从而获得更高的强度、抗变形性与硬度，使采用这种超高强度的结构件，明显提高汽车的安全性( 强度高达1 4 0 0 1 6 0 0 m p a ，使结构件承受载荷能力大大提升) ，而结构件的超高强度使零件可采用较薄的壁厚而使汽车减重( 减轻重量可达3 5 ) ，从而实现省油节油。根据欧洲材料协会的调查表明【27 2 8 j ：约7 5 的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可有效降低 第一章绪论 油耗以及排放。目日仃，大量的研究表明，如果汽车质量每下降1 0 ，则耗油量将会下降 8 ，尾气排放量将会下降4 。美国在欧洲的实验表明，在满足欧i v 标准条件下，每 百公早油耗y 与自重x 满足以下关系： y = 0 0 0 3 x + 3 3 4 3 4 ( 1 1 ) 对商用车的研究表明，汽车质量每减少1 0 0 0k g ，耗油量可降低6 0 0 - - - 7 。据报道， 如果美国汽车重量减少2 5 ，减少的燃油消耗按1 3 计算的话，那么一年可节省2 7 亿 桶石油，而每消耗掉1 l 的燃油，能够产生2 2 5k g 的c 0 2 睢引。燃油消耗量的下降， 也就意味着二氧化碳( c 0 2 ) ，氮氧化物( n o ，) 等有害气体排放量的会下降。因此热成 型技术成为当今汽车减重、节能减排并且提高汽车安全性的重要手段，受到汽车厂商极 大的欢迎。热成型主要用于成形汽车车身上整体变形或者局部变形量过大的零件以及要 求刚度小但是精确度高的一些零件。图1 3 是热成型技术在汽车车身上的应用【2 0 】。 图1 3 汽车车身上使_ _ j 的热成型零件 f i g 1 3t h eh o tf o r m e dp a r t sa p p l i e di nw h i t ec a rb o d y 1 3 超高强度钢板热成型技术的国内外研究现状 超高强度钢板热成型技术是一项为实现汽车轻量化和提高安全性丌发的专门技术， 其巨大的应用前景早已引起研究者的广泛关注。 国外学者研究内容主要集中在材料高温力学性能、数值模拟及实验等方面比9 | 。瑞典 律勒奥理工大学( l u l e au n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 的p a u la k e r s t r 6 m 等人在2 0 0 2 年采用 热模拟试验机( g l e e b l e l 5 0 0 ) 对热成型所用的超高强度钢板2 2 m n b 5 进行高温压缩试验 以及板料热膨胀性能的试验，并且采用数值模拟技术对连续冷却时圆柱压缩的过程进行 第一章绪论模拟。“。德国纽伦堡大学的学者们主要围绕德国研究基金d f g 项目来对热成型技术进行研究。他们主要研究热冲压成形领域中采用的高强度钢板的热冲压成形的原理；并在2 0 0 5年丌展热冲压成形基础理论及实验研究，得到了超高强度钢板2 2 m n b 5 在热冲压成形过程中完全奥氏体化所需要的加热温度以及保温时i h j ；随后在2 0 0 6 年采用g l e e b l e l 5 0 0 热模拟试验机，研究了影响热冲压工艺的主要参数，得到了超高强度板料在奥氏体状态金属的轧制方向、应变速率以及变形的温度对流变应力的影响规律【3 卜乃j 。德国慕尼黑工业大学的学者在2 0 0 7 年利用优化算法以及数值模拟等方法研究了超高强度钢板热冲压模具的冷却系统，并应用于工业生产中。意大利帕多瓦大学的研究学者们在2 0 0 6 年采用热膨胀计对2 2 m n b 5 的等温转变参数进行测量。获得了2 2 m n b 5 材料相变开始转变的温度为3 8 2 以及奥氏体化最理想的温度是9 0 0 ，并指出在该温度下保温5 m i n 可以使板料完全奥氏体化；同时又采用g l e e b l e 3 8 0 0 热模拟试验机研究了2 2 m n b 5 热冲压钢板在不同温度下的力学性能，得到了2 2 m n b 5 板料在不同变形温度与不同应变速率下的流变应力，并且开发出了一种评估超高强度钢板在高温下成形性能的实验的装置 3 4 , 3 5 】。伊朗a r a k 大学的学者们从2 0 0 7年开始一直致力于热变形条件对马氏体转变影响的研究【36 3 7 j ，并取得了一定成果。近年来欧洲、美国、同本的热冲压技术f 在加速实现产业化。瑞典的a p & t 、德国的蒂森、舒勒、本特勒等国际知名企业都投入大量的精力对热成型相关设备以及工艺进行研发。而且，美国的通用、福特、德国的大众等汽车制造厂商也已经开始使用热成型零件，取得了很理想的效果 3 8 】。例如，沃尔沃汽车公司在v o l v ox 9 0 这款车型上使用热成型零件使每个车身重量减轻15 k g ，大众汽车公司在p a s s at 6 这款车型上使用热成型零件使每个车身重量减轻达到4 5 k g ，其中仅中通道零件的重量就减少了5 1 k g ，使b柱这个零件的重量减少达到4 6 k g p 4 。国内的企业和各个科研单位也都纷纷意识到了超高强度钢板热成型技术的巨大的应用前景，对这项技术展开了广泛的研究。其中以同济大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等高校为代表的研究单位对热成型技术基本理论方面进行研究，并且进行相关的实验来予以验证。其中，同济大学林建平教授的研究工作进行的比较早，工作主要集中在对热冲压成形钢板温度解析模型的研究、对热成型板料本构模型的研究以及热成型板料在淬火过程中冷却的研究，提出了临界水流速度的理论 4 1 - - 4 3 ；吉林大学的研究工作更加贴近实际的应用，从热冲压成形模具的设计、成形及淬火过程的数值模拟到热冲压成形后零件的焊接性能和热冲压板料防氧化技术方面都进行了深入系统的研究，并且取得了阶段性的成果4 5 】；哈尔滨工业大学的研究团队对热成型模具冷却系统进行了研究，设计并制造了埋入式冷却系统的热成型模具以及对2 2 m n b 5 钢板热冲压成形回弹的研究 4 6 , 4 7 】；大连理工的学者也对热成型技术进行了研究，并在k m a s 的基础上成功地丌发出了高强度钢板热成形数值模拟模块【4 8 5 0 。国内企业也积极对热成型技术展丌了研究。上海宝钢集团在2 0 0 7 年成立了热冲压零部件公司，对热成型技术的应用进行相关研究。从2 0 1 0 年开始，吉利汽车公司与国内高校合作，希望能建立一条完全国产化的热成型生产线。近两年来，国内又有更多的企业参与到热成型技术研究当中来。 第一章绪论总而言之，热成型在国内作为一个比较新的技术，国内对其认识相对比较晚，对热成型技术的研究工作也都刚刚刊丌始起步，同时国外又存在技术封锁和垄断，因此，国内的热成型技术距离世界先进水平还有相当大的差距。1 4 本课题研究的主要内容及意义由于汽车工业的不断发展，超高强度钢板成为车身轻量化的主要发展方向。热成型技术也会越来越受到各大汽车生产厂商的重视，有着巨大的发展空问与前景。而且，国内的热成型技术也处于n i j h i j 起步的阶段，国内的汽车制造厂商和研究人员也都在积极主动的去研究热成型技术，力求早r 掌握这门新技术、新工艺，在国际市场上占据优势，把中国自主品牌的汽车推向国际市场。本文以带a 1 s i 镀层的超高强度钢板2 2 m n b 5 作为研究的对象，采用热成型试验和有限元模拟结合的研究方法，对2 2 m n b 5 材料的成型性能进行研究。首先运用有限元软件模拟了热成型过程，得到了热成型零件的温度场分布、马氏体含量。然后进行热成型实验，讨论热成型实验过程，将从最后得到的热成型零件上取试样，检测其抗拉强度、硬度和金相组织。最后将得到的实验数据与模拟的结果对比。本课题研究的主要内容有以下几方面：1 对汽车右前立柱下角撑进行热成型过程的c a e 分析。设计两种不同结构的模具，凹模与压料芯分丌的形式与凹模与压料芯组合的形式；利用有限元模拟软件p a m s t a m p2 0 11 进行数值模拟计算，获得了在热成型过程中不同时刻板料的温度分布、厚度分布、减薄率以及成型后零件的马氏体含量。分别对两种模具结构形式都进行模拟，对比二者的模拟结果。2 测试原始板料的性能。对原始的板料进行拉伸试验、硬度检测和微观组织分析，得到原始板料的抗拉强度，硬度值和金相照片。3 进行热成型实验。先用小块方料进行空冷试验，获得板料在空气中的温降曲线。然后设计并制造两种不同结构形式的模具，采用带a 1 s i 镀层的钢板进行热成型实验，获得不同成型条件下的热成型零件。最后从得到的热成型零件上取试样进行拉伸试验，检测其抗拉强度；进行硬度测试，分析硬度值分布的原因：进行微观组织分析，得到镀层和零件的金相组织。 第一：章热成州的基本理论2 1 引言第二章热成型的基本理论超高强度钢板热成型是一个很复杂的过程，它将金属的塑性变形过程，模具与板料之问的热传递过程以及淬火过程集于一体，不仅涉及到了传统的塑性成形的理论，而且还涵盖了传热学、摩擦学等其他学科的理论。超高强度钢板的热成型是金属板料的塑性成形过程和淬火过程同时在模具中完成，这一过程有多个场的耦合作用，这样就加大了热成型过程的复杂性和不确定性。本章简述了有关热成型过程中涉及到的金属板材塑性成形、传热学、摩擦学、热力耦合以及马氏体相变的一些基本理论。图2 1 是热成型过程中涉及到的理论知识1 3 引：本构定律，c o u p n g 癸力耦合。a t n f - - r ! 热参数f o 婴! n g一，t r a n s f e r二- 二童奎。；翩7 ”蕊“ 湖e x c 朋h c e a n g n t s e t r i b o l o g y恐传琏：一 硐一i h 亡囊攘学j 。姜；函；茅s t r a i nd i s t r i b u t i o n一应变分布m e t a l l u r g i c a lp h 远m o d e l；i，、。t r a n s f o r m a t i o n金- , 蛾l l m 相蔓矿2 2 金属热成型理论f i n a lm e c h a n t c a ip r o p e r t l e s最终机城特性图2 1 热成型过程中相关理论知识f i g 2 一it h e o r i e so fh o tf o r m i n go p e r a t i o n s2 2 1 金属板料在加热过程中内部组织的主要变化在研究学者看来，加热处理是热成型过程的第一道工序，目的在于将板料加热到临界温度以上，获得所需要的奥氏体组织，加热时形成奥氏体的均匀化程度及晶粒大小直接影响成形后零件的组织和。，1 , 工4 - 台h 匕m 1 4 1 。下面就来说明金属板料在加热处理过程中内部组织淼御f 吖失 第二章热成j 弘的基本理论的主要变化。金属板料在加热过程中主要变化是形成奥( a ) 的形成【5 1 , 5 2 1 ，金属板料在加热前的原始组织通常为珠光体( p ) ，珠光体是铁素体( f ) 和渗碳体( f e ，c ) 的机械混合物。热成型加热的目的是为了获得全部的奥氏体( a ) 组织，也叫完全奥氏体化。完全奥氏体化是热成型过程的必经步骤，也是十分重要的一个步骤。若要让珠光体组织向奥氏体组织转变，则加热温度须高于奥氏体转变的临界温度。具体来说，奥氏体的形成由四个连续阶段组成，这与共析钢奥氏体的形成类似。1 奥氏体形核：板料加热到临界温度以上时，首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成奥氏体晶核。这主要是由于相界面上品格畸变大、能量高，而且界面处碳的分布极不均匀，这些都为奥氏体的形核提供了有利条件。2 晶核的长大：奥氏体形核后，同时形成a f 相界面和a f e ，c 相界面，其中前者碳浓度低，后者碳浓度高，这必然引起奥氏体中碳的扩散，从而破坏了原界面处碳浓度的平衡。为恢复这一平衡，就需要铁素体向奥氏体的转化和渗碳体的不断溶解。因此，奥氏体晶核的长大就是这两个相界面分别向铁素体和渗碳体推移的过程。3 剩余渗碳体的溶解：在铁素体和渗碳体中，铁素体的含碳量和晶体结构与奥氏体比较接近。故在向奥氏体的转变过程中铁素体优先消失，剩余渗碳体在随后的加热或保温过程中逐渐溶解。4 奥氏体成分均匀化：奥氏体形成刚结束时，奥氏体中碳的分布是不均匀的。原来是铁素体的地方碳浓度低，原来是渗碳体的地方碳浓度高。只有随着保温时间的延长，碳原子的充分扩散，奥氏体的成分才能逐渐趋于均匀。图2 2 是奥氏体形成的示意图【5 l 】： ，f p (a 形核谚二ak 夫唆余f p ，e 溶解a 成分均匀化图2 2 奥氏体形成过程f i g 2 2f o r m a t i o np r o c e s so fa u s t e n i t i c2 2 2 金属板料在冷却过程中内部组织的主要变化金属板料在冷却过程中的组织变化主要是奥氏体组织在冷却过程中发生的转变，由于板料冷却的程度不会发生不同的变化，得到不同的组织，从而获得不同的力学性能。通常情况下，奥氏体组织在比较缓和的冷却条件下会转变成珠光体组织，而在剧烈冷却条件下会转变成马氏体组织，在比较适中的冷却条件下会转变成贝氏体组织。一般来说，珠光体组织其强度、硬度较低，塑性、韧性较好；马氏体组织其强度、硬度很高，塑性、 第二章热成巧! 的基本理论韧性较差：贝氏体组织其强度、硬度较高，塑性、韧性也较好。对一个具体的钢来说，其奥氏体组织在冷却过程中的转变可利用具体钢的过冷奥氏体冷却转变曲线判断。钢的过冷奥氏体冷却转变曲线根据冷却方式( 等温冷却、连续冷却) 的不同分为两种，以共析钢为例说明。1 共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线过冷奥氏体等温冷却转变是指表示奥氏体急快速冷却到临界点a l ，在采用不同温度保温的过程中，转变量和转变时问之问的关系曲线图【5 l 5 2 j 。也称为t t t ( t e m p e r a t u r et i m et r a n s f o r m a t i o n ) 曲线，因为它的形状非常像字母c ，所以又称之为c 曲线，如图2 3 所示。从图上可以看出，在两条c 形状的曲线当中，左边一条与m s 是过冷奥氏体开始转变的曲线，右边的一条与m f 线是指过冷奥氏体转变终了时曲线。a i 线、m s 线、转变丌始线以及纵坐标所包围的区域称作过冷奥氏体区，转变终了线以右以及m f 线以下称为转变产物区。转变丌始线和转变终了线之间和m s 线与m f 线之间为转变区。转跫毋7 0 0 6 0 0 5 0 0 3 0 0 2 0 0 o 线 l ；| 闽s图2 3 共析钢等温冷却转变曲线f i g 2 3t e m p e r a t u r et i m et r a n s f o r m a t i o nc u r v e当温度在a l 5 5 0 之问时，奥氏体( a ) 分解为由铁素体( f ) 和渗碳体( f e 3 c ) 组成的片层的珠光体( p ) 。其中温度在a l 6 5 0 之间，珠光体( p ) 为正常的珠光体，而当温度处于6 5 0 6 0 0 之问得到的是索氏体( s ) ，温度处于6 0 0 5 5 0 之l 白j 得到的是屈氏体( t ) 。而且这几种产物的强度和硬度都依次升高。当温度在5 5 0 m s ( 约2 4 0 ) 之问时，奥氏体( a ) 转变为由铁素体( f ) 和碳化物组成的非层状组织贝氏体( b ) ，其中当温度在5 5 0 3 5 0 之问时，会形成羽毛状 第二章热成) 弘的基本理沦的上贝氏体；在3 5 0 。c m s 之问，形成下贝氏体( 黑色针状) 。上贝氏体和下贝氏体相比教而言，其强度和硬度、塑性和韧性都会比较差，所以在实【；j 1 - - 、下述、1 z - - j 热处理时，通常都希望得到下贝氏体。m 。m f 之间( 2 4 0 。c 一5 0 。c ) ，a 以无扩散的方式转变为马氏体( m ) 和少量的残余奥氏体。m 是c 在铁素体( f ) 中的过饱和固溶体。由于过饱和碳的固溶强化作用。m 通常都具有高强度和高硬度的特点，是热处理工艺最想要获得的组织。马氏体组织的性能与含碳量有很密切的关系。当钢中含碳量低于0 3 时，mf f i g , 奠, j 板条状( 板条马氏体，低碳马氏体) ，其强度和硬度较高，塑性以及韧性都特别好；而当钢中的含碳量大于1 o 时，得到马氏体组织为针片状( 片状马氏体，高碳马氏体) 。其硬度很高，但是很脆。热成型的目的就是在成型后要获得板条状马氏体的微观组织。2 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线在实际生产过程中，多采用连续冷却方法进行热处理的冷却，热成型淬火的过程也是相当于连续冷却。因此，过冷奥氏体连续冷却转变i f i 线对确定热处理工艺和选材更加具有实际的意义。过冷奥氏体连续冷却转变图又称作c c tl f l l 线( c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a l a s f o r m a t i o n ) ，指的是通过测定在不同冷却速度下的过冷奥氏体转变j 硅与转变f l q l 、甘j 的关系来得到的 5 1 5 2 1 。共析钢的c c t 曲线是在碳钢。f 1 最简单，如图2 4 所示。色没有贝氏体的转变区域，在珠光体的转变区域下多了一条转变中l 【二线k 。当连续 - 大l j 的f i f l 线遇到转变中l 上线v j t q 侯，过冷奥氏体将停止向珠光体进行转变，剩下的奥氏体将一直保持到m s 之f 转变成为马氏体。同t r t 曲线相比较，c c t 曲线位于它的右下方。7 0 0 弋：t 瑚5 0 0 3 0 0 2 0 0 马氏钵t 残令炱氏钵! 一，霍j 受! 墼篓，, , lf 1 s幽2 4 共析钢连续冷却转变曲线f i g 2 - 4c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nc u r v e一1 f 1 第二章热成型的基本理论图中v k 指的是c c t 曲线的临界冷却速度，也就是指在连续的冷却条件下得到全部马氏体组织时的最小冷却的速度。v k 是t t t 曲线的临界冷却的速度，v k - 1 5 v k 。很显然，c 曲线越靠右，v k 越小，过冷奥氏体则更加稳定。由于c c t 曲线很难得到，而t t t 曲线则