高強鋼TRB高溫下熱流變特性

雷呈喜，邢忠文，徐偉力，吳嚴俊，李 云，單德彬

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150001;2.上海寶山鋼鐵股份有限公司汽車用鋼研究所，上海 201900;3.哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001)

近年來，隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對汽車的安全性和舒適性提出了越來越高的要求.同時，隨著汽車保有量的不斷增加，能源緊張和環(huán)境污染問題也日趨突出;高安全性能的輕量化汽車才能適應現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展需求［1］.滿足汽車輕量化和安全性雙重標準，除了改進車身結構外，另一種較理想的方式是采用輕量化材料，如鋁合金、超高強鋼等［2］.而熱沖壓技術的應用更使汽車用鋼達到了超高強度的級別，使用高強鋼板熱沖壓生產(chǎn)的汽車結構件在現(xiàn)代汽車中使用越來越多［3］.

隨著熱沖壓成形技術的快速發(fā)展，等厚度高強鋼板熱沖壓成形件已經(jīng)被國內外眾多汽車廠家所采用.美國通用、福特，瑞典的沃爾沃，以及德國大眾等汽車公司都在運用該項技術制造高強度沖壓件;國內的一汽大眾、奇瑞和華晨等汽車廠也在其典型車型中使用了熱沖壓結構件［4］.隨著高強鋼板熱沖壓技術的發(fā)展，在汽車零件熱成形淬火后能達到超高強度的前提下，減輕汽車質量必須通過改變材料結構的方式來實現(xiàn).但制造的復雜程度限制了材料的推廣應用，使得兩種新型材料在汽車減重領域得到廣泛關注:激光拼焊板(Tailor Weld Blank，TWB)和軋制變厚度板(Tailor Rolling Blank，TRB)［5］.激光拼焊板，由于焊縫的存在和拼接處厚度的突變影響成形性而局限了其使用的推廣［6］.由德國亞琛工業(yè)大學金屬成形研究所(IMF)開發(fā)的軋制變厚度板，是通過柔性軋制工藝生產(chǎn)的沿軋制方向厚度連續(xù)變化的鋼板［7］.變厚度鋼板經(jīng)加工后制成的汽車零部件，在不同的部位有不同的厚度，具有更好的承載能力，可有效減輕汽車質量，且在同樣的剛度下，TRB在減重方面比拼焊板更具優(yōu)勢.另外，高強鋼TRB熱沖壓成形件兼顧了安全性和輕量化的優(yōu)化結果，因此，其在現(xiàn)代汽車領域具有很好的應用前景［8］.

TRB的沖壓成形研究主要集中在冷沖壓成形方面，高強鋼TRB熱沖壓成形研究目前尚未見文獻報道，僅在臺灣國立虎尾科技大學網(wǎng)站查到采用數(shù)值模擬研究高強鋼TRB的U型件的熱沖壓成形回彈.TRB的冷沖壓成形研究，主要是德國IMF和與IMF有TRB聯(lián)合研究課題的研究機構進行了TRB 的成形性能方面的研究［9－10］.上海交通大學依托德國亞深工業(yè)大學金屬成形研究所先進的實驗設備和計算機軟硬件條件，通過大量的試驗和數(shù)值模擬相結合的方法，對軋制變截面板在彎曲成形過程中的回彈特性進行了研究［11］.湖南大學采用TRB板對汽車B柱設計進行了優(yōu)化，滿足安全需求時的兩種方案使B柱分別減重36.43%和31.57%［12］.大連理工大學根據(jù)差厚板的單向拉伸試驗，對所提出的軋制差厚板的單向拉伸力學解析模型進行了試驗驗證［13］.江蘇大學以盒形件為研究對象，采用數(shù)值模擬分析研究了不同工藝參數(shù)下連續(xù)變截面板盒形件的沖壓成形性能［14］，并對變截面板汽車橫梁的成形回彈進行分析，提出了控制其回彈的方式［15］.重慶大學對變截面板進行了拉伸試驗、杯突試驗、拉深試驗以及斷口掃描試驗等基礎性研究，應用數(shù)值模擬對等厚板及拼焊板成形過程進行了分析，獲得了拼焊板在不同成形條件下的變形規(guī)律［16］.

高強鋼TRB的變截面使得以往基于等截面研究得出的相關力學以及熱沖壓成形理論均無法適用，TRB冷成形的相關理論在熱沖壓成形時亦不能適用.本文采用軋制的高強鋼TRB進行單向拉伸試驗，分析軋制的高強鋼厚度對其在不同溫度和應變速率下的應力應變曲線的影響規(guī)律，建立其材料本構關系，以期為高強鋼TRB材料模型建立和其熱沖壓成形過程數(shù)值模擬奠定基礎.

1 不同厚度下高強鋼高溫拉伸試驗

1.1 試驗材料

實驗板料采用寶鋼集團軋制的B1500HS連續(xù)軋制變截面板，其主要成分見表1所示.采用激光切割機在不同的厚度區(qū)分別切割出拉伸試件，試件尺寸如圖1所示.通過Gleebel3500熱模擬實驗機測定不同厚度、不同溫度、不同應變速率下的高強鋼TRB在不同區(qū)域的材料應力－應變曲線，研究3種參數(shù)對材料力學性能的影響規(guī)律.

表1 B1500HS的主要化學成分(質量分數(shù)/%)

圖1 等溫單向拉伸試件(mm)

1.2 試驗方案

高強鋼板熱沖壓工藝是將高強鋼板加熱到約900℃后完成沖壓成形的過程.在沖壓成形結束后，保壓淬火開始時成形件的溫度基本都在650℃以上，可見，高強鋼熱沖壓成形過程中溫度不斷變化.由于板料傳遞過程中的熱量散失，成形過程中板料溫度通常會在850～650℃變化.因此，在熱沖壓成形的溫度變化范圍內，選定650、700、750、800和850℃為試驗溫度，進行不同溫度下的等溫拉伸試驗.在高強鋼熱沖壓過程中，材料力學性能與應變速率亦有較大關聯(lián)性，故采用應變速率分別為0.2、0.5、2、5 和10 s－1進行拉伸試驗.熱沖壓實際生產(chǎn)過程中，板料以15℃/s的加熱速率加熱到950℃，并保溫3 min，使毛坯的奧氏體均勻化，成形過程中在模具內部以大于30℃/s的冷卻速度冷卻，獲得成形件的組織為全部的馬氏體.試驗條件需要與成形過程的溫度、應力應變形式相吻合，在Gleeble3500試驗機中也以15℃/s的加熱速率加熱到950℃，并保溫3 min.然后以大于30℃/s的速度將試樣冷卻至所需試驗溫度，保溫30 s后，以預定的拉伸速度完成等溫拉伸.

為了避免加熱過程中試樣被氧化，需要在加熱及拉伸過程中保持試樣周圍的無氧環(huán)境.因此，在試驗開始前，通過對密閉工作箱的多次抽真空再通入氬氣的方法保持箱內的無氧環(huán)境.而Gleeble3500熱模擬試驗機在真空狀態(tài)下難以滿足試驗要求的冷卻速度，因此，以高熱導率材料紫銅制作夾具，并在試驗的冷卻過程中添加了輔助冷卻裝置，通過直接對試樣噴射氬氣達到快速冷卻的效果.在Gleeble3500試驗機中，拉伸試驗件裝夾完成后的情況如圖2所示.

圖2 試驗機中冷卻裝置改裝

2 試驗結果及其分析

在高強鋼TRB的不同厚度區(qū)域選擇厚度分別為1.2，1.4，1.6 和1.7 mm 的4 種厚度標準試樣進行高溫拉伸試驗，選擇其中溫度為700℃，應變速率為0.5 s－1獲得試驗數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看到，隨著厚度的增加，其峰值應力逐漸增加.當應變?yōu)?.25時，隨著材料厚度增加，變形抗力由厚度為1.2 mm 的252 MPa，增加到 1.7 mm 時的325 MPa.為了能更準確地建立高強鋼TRB各區(qū)域的材料模型，可利用插值法獲得不同厚度下板料的應力應變關系，為TRB過渡區(qū)的材料力學性能的表征奠定基礎.

采用高強鋼TRB中厚度為1.2 mm的區(qū)域切割試樣，在650℃時進行單向拉伸試驗，獲得的應力應變曲線如圖4所示.由圖4可以看到，應變速率也是影響變形抗力的主要因素，隨著應變速率的增加，變形抗力也逐漸增加，且達到峰值應力時，應變速率越大，其對應的應變值也越大.即應變速率越大，材料發(fā)生集中失穩(wěn)越快，將越早發(fā)生斷裂.

圖3 不同厚度下材料的應力-應變曲線

圖4 不同應變速率下材料的應力-應變曲線

試驗為1.2 mm 厚的試樣在 0.2 s－1應變率條件下進行，獲得不同溫度下高強鋼應力－應變曲線如圖5所示.

圖5 不同溫度下材料的應力-應變曲線

由圖5可以看出，隨著溫度的升高，材料的最大成形應力逐漸降低，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于拉伸成形過程所處的溫度完全是高強鋼再結晶溫度以上，拉伸過程中，加工硬化以及動態(tài)再結晶、動態(tài)回復過程共同支配變形行為，動態(tài)再結晶與動態(tài)回復起著減弱加工硬化的作用，使材料塑性提高變形抗力減小.在高強鋼成形過程中，僅會發(fā)生動態(tài)回復.可見高強鋼熱沖壓成形的溫度范圍應大于750℃，且低于850℃，此時高強鋼的成形性最好.而由最大峰值應力時所對應的應變可見，對應應變值呈現(xiàn)出650℃到750℃增大，而達到850℃又降低的趨勢.溫度升高，材料流動增加，塑性增加，但隨著溫度升高材料的屈服強度降低，雙重作用下，也證明750～850℃是高強鋼成形性最好的階段.

3 高強鋼TRB本構方程建立

由高強鋼TRB的等溫拉伸試驗結果可以看出，材料的性能與成形溫度、應變速率以及板料本身的厚度有關.日本學者井上勝郎建立如下金屬變形抗力數(shù)學模型.

式中:n為應變硬化指數(shù);m為應變速率敏感系數(shù);K、β為材料參數(shù);T為絕對溫度;λ為板料厚度，p為厚度相關系數(shù).

對式(1)兩邊取對數(shù)得到

對于熱成形，式(2)中的參數(shù)還與溫度有關，則假設各個參數(shù)與溫度之間存在線性關系.根據(jù)不同應變速率和不同溫度下的數(shù)據(jù)進行擬合，可用最小二乘法進行多元線性回歸分析，并利用Origin軟件進行各項分析，其中n、m和p為與溫度T相關的線性表達式.

對于p值的確定，由ln σ與ln λ成線性關系，在ε=0.2=0.2 s－1，溫度T為650、700、750、800 和850 ℃條件下，對4 種厚度分別為1.2、1.5、1.6和1.7 mm情況下板料的對應應力進行擬合.擬合解得

可分別求得相關參數(shù)，代入即得到高強鋼TRB的材料本構關系為

為了驗證建立的數(shù)學模型是否適用，回歸方程對兩種條件下試驗的樣本測量點進行擬合，擬合優(yōu)度較高.試驗結果與擬合曲線對比見圖6.可見，去除噪點后，擬合曲線與試驗結果的最大誤差小于15%，即所建立的數(shù)學模型能很好地表達高強鋼TRB的材料特性.

圖6 不同條件下實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線對比

4 結 論

1)材料厚度和應變速率對高強鋼高溫下應力、應變均有一定的影響.隨著厚度的增加，其峰值應力逐漸增加;隨著應變速率的增加，變形抗力也逐漸增加.

2)溫度升高使材料的塑性提高，但屈服強度降低，試驗結果表明高強鋼 B1500HS在 750～850℃的成形性能最好.

3)建立了高強鋼TRB的材料本構關系，并通過試驗數(shù)據(jù)對建立的數(shù)學模型進行驗證.對比結果可見，擬合優(yōu)度較高.

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