超強(qiáng)度鋼熱成形車身零件性能的研究*

尚 欣，周 杰，卓 芳，羅 艷 ,李 洋

(1.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055; 2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

2016061

超強(qiáng)度鋼熱成形車身零件性能的研究*

尚 欣1，2，周 杰2，卓 芳2，羅 艷2,李 洋2

(1.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055; 2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

為探索超高強(qiáng)度鋼BR1500HS的熱成形性能及其在車身應(yīng)用的前景，本文采用拉伸測試和金相分析方法，對超高強(qiáng)度鋼BR1500HS熱成形前后的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了對比分析，并通過整車正面碰撞數(shù)值仿真，對比了超高強(qiáng)度鋼BR1500HS熱成形零件和常用材料B340LA冷成形零件的抗碰撞性能。結(jié)果表明：熱成形后超高強(qiáng)度鋼BR1500HS的微觀結(jié)構(gòu)主要為板條狀馬氏體，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到熱沖壓成形前的2倍多；BR1500HS熱成形零件比B340LA冷成形零件在具有更高的耐撞性能，適合用于制造車身結(jié)構(gòu)件。

車身結(jié)構(gòu)件；超高強(qiáng)度鋼；熱成形；數(shù)值模擬；車身設(shè)計

前言

汽車輕量化技術(shù)作為降低油耗、減少排放的有效措施，已成為汽車技術(shù)研究的重點。車身結(jié)構(gòu)采用輕量化材料可有效實現(xiàn)汽車輕量比，相關(guān)研究表明：若80%車身零件采用高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼板，可使車身總質(zhì)量減小20%[1]，因較薄的超高強(qiáng)度鋼板已能夠滿足汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。故超高強(qiáng)度鋼在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣。

超高強(qiáng)度鋼板因其具有較高的屈服應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度和較低的硬化指數(shù)、厚向異性系數(shù)與延伸率[2-3]，因此其成形性能較差，成形困難。若采用冷沖壓成形，其變形范圍窄，所需成形力大，容易出現(xiàn)破裂和回彈嚴(yán)重等缺陷[4]。熱沖壓技術(shù)的運用可克服超高強(qiáng)度鋼成形難、缺陷多等問題。此外，還可獲得厚度小、強(qiáng)度高的零件，可同時實現(xiàn)車身質(zhì)量減輕和碰撞性能的提高。

熱沖壓可有效實現(xiàn)車身零件高強(qiáng)度化，該技術(shù)在國內(nèi)外汽車領(lǐng)域被廣泛采用，并展開了一系列的研究。文獻(xiàn)[5]中研究了熱成形工藝參數(shù)對零件組織、性能的影響。文獻(xiàn)[6]中對前立柱加強(qiáng)件熱成形機(jī)理和工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，建立了高溫本構(gòu)模型，并對不同熱成形工藝進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]中通過建立左前立柱熱-力耦合有限元模型，對壓料方式、預(yù)成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，消除了成形時出現(xiàn)開裂、起皺和疊料等缺陷。文獻(xiàn)[8]中對熱成形高強(qiáng)度鋼的高溫流變行為和淬火工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出BR1500HS最優(yōu)淬火工藝參數(shù)。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中從理論上分析了硼鋼熱成形過程，并結(jié)合實驗研究建立了硼鋼熱成形本構(gòu)方程和數(shù)值模擬模型。目前，將超高強(qiáng)度鋼熱成形零件應(yīng)用于車身的研究相對較少，尤其是車身結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用更須進(jìn)一步探討[11]。

本文中對熱成形前后超高強(qiáng)度鋼板BR1500HS的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行分析研究，并通過整車正面碰撞仿真，對比分析了超強(qiáng)度鋼BR1500HS和常用車身材料B340LA的A柱加強(qiáng)件的耐撞性，并對熱成形零件在車身中的作用及其在車身設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 超高強(qiáng)度鋼板BR1500HS的研究

熱沖壓技術(shù)是指將超高強(qiáng)度鋼板加熱至一定溫度并保溫一定時間，然后將其在專用熱沖壓模具中快速沖壓成形，最后將其進(jìn)行保壓并實現(xiàn)同步淬火，使其組織中發(fā)生較多的馬氏體轉(zhuǎn)變。超高強(qiáng)度熱成形零件強(qiáng)度可達(dá)1 500MPa以上，幾乎沒有回彈。下面對超高強(qiáng)度鋼板BR1500HS材料在熱成形前后的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行對比分析。

1.1 BR1500HS熱成形前的材料性能

本文中研究的材料是寶鋼研發(fā)的BR1500HS熱軋鋼板,其厚度為1.8mm，其成分如表1所示。

由表1可知，BR1500HS鋼中含有少量硼(B)元素，可提高其淬透性，使坯料以合適的冷卻速度進(jìn)行冷卻而獲得理想的馬氏體組織，以達(dá)到較高強(qiáng)度。淬后含硼超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 500MPa，比普通鋼板的抗拉強(qiáng)度高出2～3倍，采用熱成形的車身結(jié)構(gòu)件可減輕車身質(zhì)量，同時提高汽車的抗撞性能。

表1 BR1500HS的成分

熱成形前，BR1500HS鋼在室溫下原始組織為鐵素體和珠光體共同形成的典型帶狀組織，如圖1所示。帶狀組織會使其力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，平行于板料軋制方向的強(qiáng)度優(yōu)于垂直軋制方向。本文中沿垂直于軋制方向截取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到BR1500HS鋼室溫下的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示，其屈服強(qiáng)度約為462MPa，抗拉強(qiáng)度約為627MPa。

圖1 BR1500HS熱軋鋼板原始微觀組織

圖2 BR1500HS淬火前材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 汽車A柱加強(qiáng)件熱成形零件

1.2 BR1500HS熱成形后材料性能

本文中以圖3所示的汽車A柱加強(qiáng)件為例對BR1500HS熱成形后材料性能進(jìn)行分析。其熱成形工藝參數(shù)為：板料加熱到900℃，保溫10s，并以40℃/s的冷卻速率進(jìn)行保壓冷卻12s。圖4所示為所采用的熱成形模具系統(tǒng)。

圖4 熱成形模具系統(tǒng)

在所得A柱加強(qiáng)件上取樣觀察其微觀結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行拉伸試驗，得到其微觀組織和應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5和圖6所示。由圖5可知，熱成形后微觀組織幾乎為板條狀馬氏體，能較好地兼顧其強(qiáng)度和韌性[12]。馬氏體形成的原因是熱成形件在模具內(nèi)通過冷卻系統(tǒng)快速冷卻，促使奧氏體晶粒在馬氏體的慣性面處形成較多的板條狀馬氏體，馬氏體的含量高達(dá)96%，可出現(xiàn)馬氏體強(qiáng)化，即可制造高強(qiáng)度、高硬度的零件[13-14]。由圖6可知,熱成形后汽車A柱加強(qiáng)件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高至1 200和1 750MPa。

圖5 BR1500HS熱成形后的微觀組織

圖6 BR1500HS熱成形后零件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 BR1500HS材料在車身上的應(yīng)用與分析

經(jīng)上述研究可知，熱成形后超高強(qiáng)度鋼板BR1500HS的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都發(fā)生了較大變化。下面將對比分析熱成形BR1500HS零件與常用B340LA冷成形零件在整車碰撞中的各項性能。

參照GB 11551—2003正面碰撞法規(guī)，建立整車正面碰撞有限元模型，如圖7所示。沿X軸方向以初速度為50km/h對剛性墻進(jìn)行垂直撞擊，并Z沿軸負(fù)方向施加重力加速度。將熱成形后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入ANSYS 軟件，進(jìn)行汽車碰撞模擬仿真。為了對比分析超高強(qiáng)度鋼板熱成形零件與常用B340LA零件在正面碰撞后的耐撞性能，將車身A柱、B柱和外板等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件材料替換為熱成形零件，采用剛性壁障碰撞，重點分析A柱加強(qiáng)件在碰撞過程中的折彎、侵入量和應(yīng)力、應(yīng)變場。

圖7 正面碰撞模型

2.1 A柱折彎分析

汽車A柱在正撞中為關(guān)鍵吸能構(gòu)件，其變形情況對車身變形、乘員安全等有著重要影響。本文中提取了A柱加強(qiáng)件在碰撞過程中的折彎角的變形來進(jìn)行分析。

在整車正面碰撞中，A柱上部有可能會發(fā)生折彎和向后侵入變形。這種情況將會極大地破壞乘員空間的完整性，導(dǎo)致內(nèi)部乘員傷害值增加。為此，按圖8所示對A柱折彎變形進(jìn)行測量和分析。

圖8 A柱變形測量角

圖9為正面碰撞中A柱上部角度變化曲線。由圖可見，B340LA和BR1500HS的折彎角變化量有較大差異。B340LA的A柱折彎角由碰撞前的32°變?yōu)榕鲎埠蟮?2.8°，其變化量為0.8°；而BR1500HS的A柱折彎角由碰撞前的32.2°經(jīng)碰撞后變?yōu)榱?2.6°，其變化量為0.4°，僅為B340LAA柱折彎角變化量的一半，即A柱上部折彎量很小，無需加強(qiáng)。在車身設(shè)計時，采用熱成形零件將整車骨架進(jìn)行合理布局，形成超高強(qiáng)度的保護(hù)空間，可對駕駛員和乘員提供可靠的安全保護(hù)。

圖9 正面碰撞中A柱上部角度變化曲線

2.2 A柱侵入量(X方向)

A柱加強(qiáng)件的侵入量云圖如圖10所示。由圖可見，B340LA 最大侵入量為58.74mm，最小侵入量為50.84mm，而BR1500HS材料最大侵入量為54.48mm，最小侵入量為47.28mm。BR1500HS材料侵入量比B340LA 材料的小，在碰撞過程中，增加了車輛正面碰撞中乘車人員的安全性。

圖10 A柱侵入量云圖(X方向)

2.3 A柱加強(qiáng)件應(yīng)力云圖分析

應(yīng)力大小可反映材料變形過程中受力情況。本文中采用應(yīng)力云圖來說明汽車A柱加強(qiáng)件在碰撞中應(yīng)力場的分布。圖11為加載過程中t=0.15s時，兩種材料的汽車A柱加強(qiáng)件的應(yīng)力云圖。由圖可見，拐角處的應(yīng)力最大，這是因為在碰撞過程中，拐角處的材料發(fā)生了劇烈變化。B340LA材料最大應(yīng)力值為479.5MPa，最小應(yīng)力值為9.966MPa。BR1500HS材料最大應(yīng)力值為1071MPa，最小應(yīng)力值為12.99MPa。

圖11 A柱加強(qiáng)件應(yīng)力云圖

2.4 A柱加強(qiáng)件等效塑性應(yīng)變云圖分析

等效應(yīng)變的大小可反映材料塑性變形程度。圖12為加載過程中t=0.15s時，不同材料A柱加強(qiáng)件的等效應(yīng)變場云圖。由圖可見，等效應(yīng)變較大區(qū)位于中A柱加強(qiáng)件下部拐角處，而其兩頭的等效應(yīng)變較小，即該部位變形不劇烈。B340LA材料最大等效應(yīng)變值為0.054 41，最小等效應(yīng)變值為0。BR1500HS材料最大等效應(yīng)變值為0.011 09，最小等效應(yīng)變值為0。即汽車碰撞過程中，BR1500HS的變形程度比常用材料B340LA要小。

圖12 A柱加強(qiáng)件等效塑性應(yīng)變云圖

綜上所述，在車身設(shè)計中，雖然BR1500HS這種材料的熱成形零件強(qiáng)度高，但是在碰撞過程中，如果車身采用單個零件，會在碰撞時產(chǎn)生巨大的沖擊而侵入車體。故車身的整體骨架應(yīng)盡可能采用超高強(qiáng)度熱成形零件，這樣能夠形成保護(hù)空間，極大地降低了對駕駛員和乘員的傷害[15]。

3 結(jié)論

(1)超高強(qiáng)度鋼板BR1500HS熱成形前后的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對比分析的結(jié)果表明：熱成形前的屈服強(qiáng)度為462MPa，抗拉強(qiáng)度為627MPa；熱成形后，材料的微觀組織主要為板條狀馬氏體，其含量高達(dá)96%，且其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1 200和1 750MPa，為熱成形前的2倍多。

(2)對BR1500HS和B340LA材料的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件A柱加強(qiáng)件進(jìn)行正面碰撞仿真的結(jié)果表明：超高強(qiáng)度鋼BR1500HS熱成形零件比B340LA冷成形件顯示出更好的耐碰撞性能，故BR1500HS材料的熱成形件比較適合用于車身結(jié)構(gòu)零件。

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A Research on the Performance of Auto-body Parts Made ofHot-formed Ultra-high Strength Steel

Shang Xin1,2, Zhou Jie2, Zhuo Fang2, Luo Yan2& Li Yang2

(1.GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen, 518055 2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing，400044)

To explore the hot forming performance of ultra-high strength steel BR1500HS and its application prospects as auto-body parts, the microstructure and mechanical properties of BR1500HS before and after hot forming are comparatively analyzed by tensile test and metallographic analysis, and the crashworthiness performances of BR1500HS hot-formed parts and common B340LA cold formed parts are compared by a numerical simulation of vehicle frontal crash. The results show that the microstructure of hot-formed BR1500HS is mainly lath martensite, with both its yield strength and tensile strength are as high as over 2 times of that before hot-forming and the hot-formed BR1500HS parts have higher crashworthiness performance than B340LA cold-formed parts, indicating that ultra-high strength steel BR1500HS is suitable for manufacturing the structural parts of vehicle body.

body structural parts;ultra-high strength steel; hot forming;numerical simulation; vehicle body design

*國家科技重大專項(2012ZX04010-081)資助。

原稿收到日期為2014年10月8日，修改稿收到日期為2015年2月3日