熱成形金屬?gòu)?fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為研究

馬 寧,張宗華,胡 平,郭 威,劉書(shū)田,申國(guó)哲

(1大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024;2大連理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,遼寧大連116024;3吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春130025)

熱成形金屬?gòu)?fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為研究

馬 寧1,2,張宗華1,胡 平1,2,郭 威3,劉書(shū)田1,申國(guó)哲2

(1大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024;2大連理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,遼寧大連116024;3吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春130025)

對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁熱成形 (成形與淬火同時(shí)進(jìn)行)過(guò)程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)由于成形過(guò)程中鋼材表面發(fā)生氧化脫碳,得到的防撞梁零部件表面軟而內(nèi)部硬,材料性質(zhì)在厚度方向上呈連續(xù)梯度分布,即表面硬度、強(qiáng)度低而內(nèi)部的硬度、強(qiáng)度高,這樣形成了新型連續(xù)梯度分布的多層金屬?gòu)?fù)合材料。對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁這種新型金屬?gòu)?fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、強(qiáng)度及塑性變化規(guī)律進(jìn)行研究,并進(jìn)行三點(diǎn)彎曲對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上研究這種新型金屬?gòu)?fù)合材料的碰撞及吸能性能,根據(jù)金相分析及三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)建立了防撞梁的有限元分析模型。通過(guò)對(duì)比金屬?gòu)?fù)合材料與內(nèi)部各相材料沖擊時(shí)所受到的沖擊力、吸能等性能,發(fā)現(xiàn)這種新型金屬?gòu)?fù)合材料綜合了各單相材料的優(yōu)秀性能,適合用于承受沖擊吸能構(gòu)件的選材。

熱成形 (熱沖壓);金屬?gòu)?fù)合材料;防撞梁;微觀結(jié)構(gòu);沖擊力;吸能

汽車(chē)輕量化的研究是現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)制造的一大主流。高強(qiáng)度材料的應(yīng)用是目前轎車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)的一種普遍途徑。近年來(lái),發(fā)源于歐洲的高強(qiáng)度鋼板熱成形(也稱(chēng)作熱沖壓)技術(shù)受到工業(yè)界的關(guān)注。熱成形工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下:能夠成形強(qiáng)度高達(dá)1500MPa的零部件,可組焊成高強(qiáng)度駕乘單元,承受6t以上的靜壓而不損;通過(guò)減小壁厚或截面尺寸從而減輕質(zhì)量(達(dá)18%～35%),實(shí)現(xiàn)輕量化,并節(jié)約材料消耗。

熱成形技術(shù)原理是把特殊的硼合金鋼加熱使之奧氏體化,隨后將紅熱的板料送入有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形,同時(shí)被具有快速均勻冷卻系統(tǒng)的模具冷卻淬火,鋼板組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體,從而得到超高強(qiáng)度比的鋼板。熱成形技術(shù)具有高強(qiáng)度比的優(yōu)點(diǎn),高溫下,材料塑性、成形性好,能一次成形復(fù)雜的沖壓件;高溫下成形能消除回彈影響,零件精度高,成形質(zhì)量好。熱成形工藝打破常規(guī),構(gòu)思新穎,是沖壓成形領(lǐng)域的前沿技術(shù),可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)前、后保險(xiǎn)杠、A柱、B柱、C柱、車(chē)頂構(gòu)架、車(chē)底框架以及車(chē)門(mén)內(nèi)板、車(chē)門(mén)防撞桿等構(gòu)件的生產(chǎn)。

熱成形技術(shù)的巨大前景已引起研究者的關(guān)注,研究?jī)?nèi)容集中在理論、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)方面[1-3]。目前有學(xué)者對(duì)熱沖壓鋼板的表面防氧化涂層進(jìn)行研究[4-6],不過(guò)關(guān)于熱沖壓過(guò)程中的表面氧化脫碳現(xiàn)象的研究較少。本工作從一個(gè)全新的角度研究了汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁熱沖壓過(guò)程中鋼板表面氧化脫碳現(xiàn)象,即由于氧化脫碳得到的沖壓件表面軟而內(nèi)部硬,材料性質(zhì)在厚度方向上呈梯度分布,即表面硬度、強(qiáng)度低而內(nèi)部的硬度、強(qiáng)度高,形成了新型多層金屬?gòu)?fù)合材料。本工作對(duì)熱成形防撞梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的有限元模擬研究。通過(guò)對(duì)比防撞梁金屬?gòu)?fù)合材料與內(nèi)部各相材料沖擊時(shí)所受到的沖擊力、吸能等性能,發(fā)現(xiàn)這種新型金屬?gòu)?fù)合材料綜合了各單相材料的優(yōu)秀性能,適合用于承受沖擊吸能構(gòu)件的選材。

1 車(chē)門(mén)防撞梁硼鋼熱成形實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本工作研究的熱成形車(chē)門(mén)防撞梁材料為一種可稱(chēng)為22MnB5的材料[2,6],其化學(xué)成分如表1所示。此類(lèi)含硼鋼是目前廣泛應(yīng)用于熱沖壓成形的鋼板,這類(lèi)鋼的成分特點(diǎn)是在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硼。固溶的硼偏析在奧氏體晶粒邊界,延遲了鐵素體和貝氏體的形核進(jìn)而增加了鋼的強(qiáng)度。

表1 材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of boron steel(mass fraction/%)

本工作研究的汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁熱成形零部件如圖1所示。

圖1 熱成形防撞梁零部件示意圖Fig.1 The automotive door beam

確定熱沖壓工藝為兩步成形的方法,模具簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖2(a)表示第一步成形的模具簡(jiǎn)圖,圖2(b)表示具有冷卻管道的最終成形模具。

防撞梁零部件的加熱爐為可控氣氛保護(hù)加熱爐;對(duì)于熱沖壓工藝,模具的冷卻管道分布是決定防撞梁零部件最后成形性能的關(guān)鍵因素之一,其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度與傳熱效率兩方面的要求,并且保證模具溫度滿(mǎn)足板材馬氏體形成及組織分布的均勻性要求。通過(guò)對(duì)防撞梁模具冷卻管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬及實(shí)驗(yàn)的方法[7,8]使板料在750～800℃范圍內(nèi)成形,并且在大于50℃/s的冷卻速率下均勻冷卻成形。成形后的防撞梁零部件如圖1所示。

圖2 熱成形模具示意圖(a)第一步成形模具;(b)具有冷卻管路的最終成形模具Fig.2 Sketch of hot forming dies(a)first forming die;(b)final forming die with cooling system

2 多層金屬?gòu)?fù)合材料的微觀組織分析

對(duì)成形后的防撞梁零部件進(jìn)行微觀組織的金相分析,典型的金相組織如圖3所示,從表面到內(nèi)部依次為鐵素體組織、鐵素體及馬氏體的混合組織與完全的馬氏體組織,將這三層組織構(gòu)成的材料稱(chēng)為熱成形新型多層金屬?gòu)?fù)合材料;其中各層組織的厚度取決于加熱爐內(nèi)保護(hù)氣體含量的控制。

對(duì)熱成形后的防撞梁復(fù)合材料按圖3所示從表面到內(nèi)部進(jìn)行硬度測(cè)試,所取試樣如圖4所示。

圖5(a),(b),(c)分別為3個(gè)試樣的硬度分布圖,可以看出硬度從表面到內(nèi)部逐漸增加,HRC硬度從20左右增加到50左右,這與金相實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的微觀組織相對(duì)應(yīng);3個(gè)試樣的變化趨勢(shì)基本一致,這也說(shuō)明熱成形過(guò)程中試件得到均勻可控的成形與淬火。

根據(jù)硬度與強(qiáng)度及材料塑性之間的關(guān)系[9,10]可知:該防撞梁復(fù)合材料的強(qiáng)度分布與硬度分布趨勢(shì)相同,而材料塑性性能的分布與硬度的分布趨勢(shì)相反,說(shuō)明該金屬?gòu)?fù)合材料為新型連續(xù)梯度分布的復(fù)合材料。

3 金屬?gòu)?fù)合材料三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及有限元分析

對(duì)上述熱成形沖壓件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。同時(shí),根據(jù)第1部分對(duì)防撞梁的微觀組織分析及第2部分對(duì)防撞梁的硬度分析,建立金屬?gòu)?fù)合材料三點(diǎn)彎曲有限元分析模型,如圖6所示。

熱成形防撞梁在厚度方向上的材料分布如圖7所示,板料厚度為1.6mm,第1層厚度0.9mm,第2層厚度0.2mm,第3層厚度0.15mm,材料厚度從1到3表示材料的屈服強(qiáng)度依次降低,但材料的延展性依次增加。材料參數(shù)根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)及第2部分分析的硬度與強(qiáng)度、塑性之間的關(guān)系取得。采用層合板理論[11]模擬復(fù)合材料在厚度上的分布,同時(shí)考慮材料的應(yīng)變失效。

對(duì)熱沖壓的防撞梁零部件及冷沖壓(無(wú)淬火過(guò)程)防撞梁零部件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn),并利用LSDYNA商業(yè)軟件分別進(jìn)行有限元三點(diǎn)彎曲數(shù)值模擬。

圖8為三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬在加載階段的沖擊力-位移對(duì)比曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出熱沖壓件的最大彎曲載荷遠(yuǎn)大于冷沖壓件(超過(guò)冷沖壓防撞梁零部件3倍左右),說(shuō)明熱沖壓成形工藝使金屬材料在厚度方向上的性能呈梯度變化,形成的多層復(fù)合材料顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗彎曲能力。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,說(shuō)明本工作采用的數(shù)值模擬方法和材料模型是可行的。

4 復(fù)合材料碰撞沖擊力吸能性能分析

基于上述準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)值模擬方法的可行性,利用LS-DYNA商業(yè)軟件對(duì)熱沖壓防撞梁零部件在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用的彎曲吸能性能進(jìn)行研究。以沖頭質(zhì)量為50kg,沖擊速率為50km/h的動(dòng)態(tài)載荷,分別對(duì)厚度為1.6mm的金屬?gòu)?fù)合材料和各單層材料結(jié)構(gòu)在相同工況下進(jìn)行數(shù)值模擬。圖9給出了動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的沖擊力-位移對(duì)比曲線,可以看出第一種材料的沖擊力水平最高,第三種材料的沖擊力水平最低,第二種材料和復(fù)合材料的沖擊力水平居中,這與第2部分分析的材料性能相符。但第一種材料的峰值力也是最大的,這對(duì)于車(chē)門(mén)的耐撞防護(hù)極為不利,因?yàn)樵谂鲎策^(guò)程中過(guò)大的峰值力會(huì)對(duì)司乘人員造成傷害。由于第一種材料的延展性較差,在彎曲過(guò)程中使其過(guò)早地喪失承載能力。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的峰值力低于第一、二種材料,同時(shí)在整個(gè)彎曲過(guò)程中,沖擊力水平保持較平緩。

圖10給出了動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的吸能-位移對(duì)比曲線。隨著彎曲位移的增加,吸能呈線性逐漸提高,但第一種材料在彎曲位移達(dá)到60mm時(shí),吸能開(kāi)始下降并趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)榈谝环N材料的塑性變形能力較差導(dǎo)致應(yīng)變失效造成的。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)憑借其軟硬結(jié)合的特點(diǎn),性質(zhì)發(fā)生逐層失效(即外層軟的材料發(fā)揮延伸率大的特點(diǎn)使內(nèi)層強(qiáng)度大的馬氏體材料不至于過(guò)早失效),保持了較高吸能能力。

圖9 動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的沖擊力-位移曲線Fig.9 The impact force-displacement curves of the part by hot forming

圖10 動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的吸能-位移曲線Fig.10 The impact energy absorption-displacement curves of the part by hot forming

綜上所述,動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的三點(diǎn)彎曲數(shù)值模擬分析說(shuō)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有助于降低結(jié)構(gòu)的峰值沖擊力,同時(shí)較平緩的沖擊力水平及材料的逐層失效使結(jié)構(gòu)保持較高的吸能能力。因此,防撞梁熱成形金屬?gòu)?fù)合材料綜合了各單相材料的優(yōu)秀性能,適合用于承受沖擊吸能構(gòu)件的選材。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)分析汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁熱成形過(guò)程中板料的成形工藝及其微觀組織,發(fā)現(xiàn)由于氧化脫碳而形成的鐵素體-鐵素體與馬氏體的混合組織-馬氏體組成的新型多層金屬?gòu)?fù)合材料。

(2)分析了這種熱成形新型金屬?gòu)?fù)合材料各層的硬度、強(qiáng)度及塑性性能的連續(xù)梯度分布規(guī)律;進(jìn)而對(duì)防撞梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬,證明了車(chē)門(mén)防撞梁熱成形新型金屬?gòu)?fù)合材料具有優(yōu)越的承載性能(比常規(guī)高強(qiáng)度鋼高3倍左右),建立了有限元分析模型并證明了模型的有效性。

(3)通過(guò)對(duì)比車(chē)門(mén)防撞梁熱成形新型金屬?gòu)?fù)合材料與內(nèi)部各相材料在沖擊載荷作用下的沖擊力、吸能等性能,說(shuō)明熱成形金屬?gòu)?fù)合材料有助于降低結(jié)構(gòu)的峰值沖擊力,同時(shí)較平緩的沖擊力水平及材料的逐層失效使結(jié)構(gòu)保持較高的吸能能力。因此,熱成形金屬?gòu)?fù)合材料綜合了各單相材料的優(yōu)秀性能,適合用于承受沖擊吸能構(gòu)件的選材。

[1] MA Ning,HU Ping,SHEN Guo-zhe,et al.Model and numerical simulation of hot forming[A].ISAS Conference Proceedings[C].Beijing:Metallurgical Industry Press,2009.362-367.

[2] MA Ning,HU Ping,GUO Wei,et al.Feasible methods applied to the design and manufacturing process of hot forming[A].IDDRG2009 Conference Proceedings[C].Golden,CO USA:IDDRG,2009.835-843.

[3] NADERI M,UTHAISANGSU K V,PRAHL U.A numerical and experimental investigation into hot stamping of boron alloyed heat treated steels[J].Steel Research International,2008,79(2):77-84.

[4] J ENNER F,WAL TER M,MOHAN R,et al.Evolution of phases and microstructure during heat treatment of aluminized low carbon steel[J].Materials Science and Technology,2008,10(3):1722-1732.

[5] FAN D W,KIM H S,BIROSCA S,et al.Critical review of hot stamping technology for automotive steels[A].MS&T Conference Proceedings[C].Detroit:MS&T,2007.28-33.

[6] HEIN P,KEFFERSTEIN R,DAHAN Y.Hot stamping of USIBOR 1500P:part and process analysis based on numerical simulation[A].New Development in Sheet Metal Forming Technology Conference Proceedings[C].Stuttgart,Germany:University Stuttgart,2006.163-175.

[7] HOFFNANN H,SO H,STEINBEISS H.Design of hot stamping tools with cooling system[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2007,56(1):269-272.

[8] PETIPIERRE A B I.CFD simulations of pressure loss in pipes with different geometries[D].Lulea,Sweden:Lulea University of Technology,2007.

[9] CHENG Y T,CHENG C M.Scaling approach to conical indentation in elastic-plastic solids with work hardening[J].J Appl Phys,1998,84:1284-1289.

[10] DAO M,CHOLLACOOP N,VAN VLIET KJ,et al.Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented sharp indentation[J].Acta Mater,2001,49(19):3899-3918.

[11] YANG J,CHEN H S.Dynamic response of initially stressed functionally graded rectangular thin plates[J].Composite Structures,2001,54:497-508.

Microstructure and Mechanical Behavior of New Type Multi-layer Metallic Composite Material in Hot Forming

MA Ning1,2,ZHANG Zong-hua1,HU Ping1,2,GUO Wei3,LIU Shu-tian1,SHEN Guo-zhe2
(1 National State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China;2 School of Automotive Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China;3 College of Materials Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130025,China)

The hot forming(quenching and forming at the same time)oxidizes and decarburizes the steel surface.The automotive components and parts formed in this technique show soft surface and hard inside.The material properties present gradient distributions in the thickness direction.The exterior hardness and strength are low,while the interior hardness and strength are high.Then the new type multi-layer metallic composite material is formed.To investigate the crashworthiness of the new metallic composite materials,the hot forming stamping pieces are experimentally and numerically studied.Taking the door reinforced beam for the samples,the three-point bending was carried out by experiment and finite element analysis(FEA).By comparing the crash force and energy absorption between the metallic composite materials and its every single phase material,it is found that the metallic composite materials have the comprehensive performance of every single phase material.So the new metallic composite material is a good alternative material in application of absorbing energy.

hot forming(hot stamping);metallic composite material;reinforced beam;microstructure;impact force;energy absorption

TB331

A

1001-4381(2011)05-0088-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2009AA04Z101)資助項(xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(10932003);國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB832700)資助項(xiàng)目

2009-11-19;

2010-02-28

馬寧(1979—),男,博士,研究方向?yàn)檐?chē)身設(shè)計(jì)、制造及工藝分析,聯(lián)系地址:大連理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院(116024),E-mail:ningma@china.com

胡平(1956—),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檐?chē)輛工程及固體力學(xué),聯(lián)系地址:大連理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院(116024),E-mail:pinghu@dlut.edu.cn