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改善復雜形狀的熱成形先進(jìn)高強鋼汽車(chē)結構分析論文
1、引言
熱成形技術(shù)通過(guò)將高溫板料快速沖壓成形而制造出形狀復雜的零部件，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。先進(jìn)高強度鋼板（AHSS）在熱成形技術(shù)下應運而生，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，形成穩定的馬氏體組織，期望其抗拉強度能夠達到1500 MPa以上，硬度達到450 Hv以上，并具有較好韌性，符合汽車(chē)輕量化、高安全性結構件制備工藝的需求，但目前其關(guān)鍵技術(shù)仍被德國本特勒和瑞典等國家進(jìn)行保密封鎖，國內汽車(chē)制造商仍處于只能高價(jià)購買(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)于熱成形高強鋼的可成形性和力學(xué)特性的改善，已成為國內各專(zhuān)家學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但絕大多數實(shí)驗局限在Gleeble熱模擬試驗機進(jìn)行平而試件的單向拉一壓試驗，很難了解復雜形狀部件成形過(guò)程中各處受力約束行為的差異性，但是這種差異在結構件各處體現出對馬氏體相變影響機制的不同，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)出現破裂現象的主要原因之一對于具有復雜形狀的高強鋼結構件，在熱成形過(guò)程中，其不同部位的受力方式和加載結果更是不盡相同。因此，急需開(kāi)發(fā)一套具備自有知識產(chǎn)權的、堪比國外熱成形生產(chǎn)線(xiàn)的小試線(xiàn)設備，全而進(jìn)行非Gleeble單向拉壓試驗所能制得的形狀結構件成形問(wèn)題研究，以期望滿(mǎn)足輕量化汽車(chē)對國內自主開(kāi)發(fā)AHSS結構件技術(shù)并批量化的迫切需求。
2、具有一定形狀結構件應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力分布特征，試驗中以最簡(jiǎn)單的深沖盒為例，分析熱成形過(guò)程中由應力引起的一系列問(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，凡分別為板料內外兩側受到凸凹模擠壓的橫向和縱向應力，且其分布越接近刃口處數值越大。在模具間隙的影響下，Fl， 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合應力的程度不同，其中B點(diǎn)3向均為壓應力作用，E點(diǎn)在一般情況下均受拉應力作用，造成板料沖壓過(guò)程中內外表而加載方式的差異。由于圓角處應力分布復雜，容易造成應力集中，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相變進(jìn)程、微觀(guān)組織形貌的影響機制，既能完善馬氏體形核理論，又可以為優(yōu)化AHSS熱成形工藝參數提供理論依據。
3、傳統工藝與存在的問(wèn)題
傳統熱成形工藝流程通常為：經(jīng)過(guò)裁剪的板料被運至加熱爐內加熱保溫（升溫速率大于100C/s），設定目標加熱溫度，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，然后將板料轉運至帶有冷卻水道的高速液壓沖壓模具上沖壓成形。
由文獻查新可知，傳統熱成形工藝的建立是基于Gleeble熱模擬試驗機，只適用于二維平板的AHSS制備，而車(chē)用AHSS結構件必須滿(mǎn)足一定的形狀要求，其各處的應力狀態(tài)、微觀(guān)形貌和力學(xué)性能特征與板材樣件是不同的，利用傳統工藝，常發(fā)生破裂現象。
因此，本試驗利用帶有高速加熱水冷模具的一體化熱成形試驗設備，基于現有工藝存在的問(wèn)題，以高強鋼22MnB5為AHSS研究對象，并根據傳統工藝制備的樣件進(jìn)行測試，由各處切割選取典型的試樣，用金相分析其微觀(guān)組織結構和宏觀(guān)力學(xué)特性。根據測試結果，設計新工藝方法，以改善復雜形狀結構件的成形性問(wèn)題。
拉應力為主且應力較大的（4）和（6）點(diǎn)處微觀(guān)形貌呈均勻、細化的板條狀馬氏體，且（6）點(diǎn)處的馬氏體更加細化其微觀(guān)形貌特征分布與圖3（a）中（6）點(diǎn)的拉應力大于（4）點(diǎn)的結果對應一致；拉應力仍為主，但不如（4）和（6）點(diǎn)大的（2）和（5）點(diǎn)，其微觀(guān)不如前者細化，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，且有向針狀轉化的趨勢；以壓應力作用為主的（1）和（3）點(diǎn)，馬氏體較為粗大。對比不同應力狀態(tài)下的馬氏體轉變情況也可以看出，拉應力和壓應力的同時(shí)存在，使得部件各處的馬氏體相變進(jìn)程出現了明顯差異，從而形成了不同的微觀(guān)結構，這是造成現有工藝沖壓時(shí)出現開(kāi)裂現象和宏觀(guān)力學(xué)特性分布不均勻、局部性能不達標的主要原因。
4、傳統工藝的結果與討論
熱成形時(shí)，樣件各處不僅存在不同的應力狀態(tài)（拉應力、壓應力或復合應力），而且其應力大小也不相同，使其出現力學(xué)性能差異的現象。以汽車(chē)熱成形B柱為例，通過(guò)仿真得出應力在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力為主的不同應力分布，那么，為了解釋?xiě)ξ⒂^(guān)組織結構的影響作用，在其不同位置上截取6個(gè)典型樣點(diǎn)，并對其進(jìn)行微觀(guān)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
根據馬氏體相變經(jīng)典理論，局部應力狀態(tài)對馬氏體相變特征和微觀(guān)結構形態(tài)具有顯著(zhù)的影響作用，其作用方式和大小直接影響著(zhù)相變進(jìn)程和最終的組織結構。徐祖耀等人已證實(shí)，應力對合金的非擴散型馬氏體相變有誘發(fā)或抑制作用，而且國內外針對應力與馬氏體相變的影響關(guān)系，進(jìn)行了大量實(shí)驗和理論分析得出：通常地，拉應力具有促進(jìn)馬氏體相變的作用，M點(diǎn)提高；以壓應力為主的加載區，當變形量較大時(shí)，將出現應力抑制相變發(fā)生的行為，M點(diǎn)降低。對于具有形狀要求的結構件來(lái)說(shuō)，現有熱成形工藝中忽視了成形時(shí)出現拉一壓共存和應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、提高強韌性成為了熱成形高強鋼研究的關(guān)鍵。
1）拉應力為主的區域
以拉應力為主的局部區域，樣件的硬化指數h值與溫度變化的曲線(xiàn)關(guān)系。
傳統熱沖壓工藝中，通常將成形溫度設定，此時(shí)以拉應力為主的區域，樣件的硬化指數在0。15左右，如果在此溫度下進(jìn)行沖壓成形，其危險區域周?chē)难a償能力差，易于開(kāi)裂。而板料在650—750°C的硬化指數接近0。3，也就是說(shuō)，當高溫板料出爐后降至此溫度時(shí)再沖壓成形，利于獲得應變均勻、性能穩定的高強鋼樣件。因此，在拉應力為主的區域。
2）壓應力為主的區域
Shi等人已指出，熱成形時(shí)壓應力過(guò)大，將會(huì )抑制馬氏體相變。而傳統工藝中加熱保溫奧氏體化后的直接沖壓環(huán)節，導致母相內很難發(fā)生新相核胚形成的趨勢，無(wú)法補償壓應力對馬氏體相變的抑制作用�；诜菙U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，補償被抑制的新相形核數目，以提高區域的強韌性成為關(guān)鍵。
5。2新工藝方法的實(shí)施及分析
提高拉應力為主區域的成形性和增加馬氏體相變抑制區的形核數目，是建立新工藝方法的目的：通過(guò)壓縮空氣的方法，沖壓前對樣件進(jìn)行冷卻預處理，并確定合適的冷卻速率和成形溫度。
傳統熱成形，其成形溫度在850°C左右，其硬化指數h值得出，其并不是最佳的成形溫度值；當680°C成形時(shí)，發(fā)現其微觀(guān)結構中出現了貝氏體組織，降溫曲線(xiàn)②穿過(guò)了貝氏體穩定區；當成形在700°C時(shí)（曲線(xiàn)③），既有最佳的硬化指數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稍低而出現其他相，因此，其成形溫度達到了參數設定的目的：
1）滿(mǎn)足拉應力區域在650—750°C間具有的較好成形性；
2）促進(jìn)某些壓應力為主的抑制馬氏體相變區域通過(guò)沖壓前冷卻，獲得更多的新相形核數目；
3）微結構中未生成其他相。為了達到700°C的成形溫度值，試驗中出爐的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，然后再沖壓、淬火。
試驗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)傳統工藝與新方法制得的樣件。
樣件的沖壓深度達到目標值20 mm，經(jīng)過(guò)傳統工藝制得的7（a）出現了明顯開(kāi)裂現象，而開(kāi)裂正是發(fā)生在以拉應力為主的區域，說(shuō)明850°C左右，樣件受到拉應力時(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，驗證了700°C對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，試驗中對中兩種沖壓樣件底而中心處進(jìn)行微觀(guān)形貌比較。
樣件底而中心是以壓應力為主的區域，傳統工藝的樣件8（a）中微觀(guān)組織由奧氏體完全轉變?yōu)轳R氏體，但是由于冷卻速度過(guò)快，造成馬氏體生長(cháng)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(guān)下的馬氏體轉換細致均勻，較8（a）中明顯細化
基于微觀(guān)表征得出的新方法有效性，調整實(shí)際的熱沖壓工藝參數，以汽車(chē)B柱為對象，通過(guò)傳統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工藝，但都在460 Hv以上，其分布特征更趨于均勻一致；而傳統工藝得到的樣件硬度分布出現了明顯的波動(dòng)，力學(xué)性能的不均勻性是導致樣件使用時(shí)出現開(kāi)裂現象的原因。一般來(lái)說(shuō)，合金韌性提高后，其強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(guān)組織致密程度都有了明顯改善，也驗證了雖然其硬度值有些降低，但細致均勻的馬氏體組織完全能保證均勻的高強度、高硬度力學(xué)性能并兼顧韌性。
利用新工藝方法，本試驗現已制得不同形狀、規格的熱沖壓AHS S防撞梁、B柱等樣件。
6、結論
1）現有工藝技術(shù)的熱成形時(shí)，具有一定形狀的樣件各處的不同應力狀態(tài)，對其厚度分布、馬氏體相變發(fā)生進(jìn)程和微觀(guān)結構形貌特征的影響作用不同，是導致樣件成形時(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)是在沖壓前對樣件急冷處理，并對冷卻速度予以嚴格的控制。與傳統熱成形工藝在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(guān)結構更致密，并且成形性得到了明顯改善。
3）以熱成形汽車(chē)B柱為例，對兩種工藝制得樣件的硬度值測試比較得出，新方法制得的硬度值分布更均勻，沒(méi)有出現較大波動(dòng)的現象，并且都保持在460 Hv以上，符合高強度樣件的性能要求；而傳統工藝制得的硬度值波動(dòng)較大，力學(xué)特性分布明顯表現出不一致的現象。因此，本試驗為建立我國具有自有知識產(chǎn)權的、復雜形狀的AHSS結構件熱成形工藝生產(chǎn)線(xiàn)及批量化提供了前期基礎和試驗依據。
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