改善復雜形狀的熱成形先進高強鋼汽車結構分析論文

　　1、引言

　　熱成形技術通過將高溫板料快速沖壓成形而制造出形狀復雜的零部件，在提高產品成形性能和力學性能的同時，可以降低成形件的重量，減少板厚20%以上，為汽車輕量化做出卓越的貢獻。先進高強度鋼板（AHSS）在熱成形技術下應運而生，經過高溫奧氏體化淬火冷卻后的板料發生非等溫相變，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，符合汽車輕量化、高安全性結構件制備工藝的需求，但目前其關鍵技術仍被德國本特勒和瑞典等國家進行保密封鎖，國內汽車制造商仍處于只能高價購買技術或部件的局而，因此，改變這個局而刻不容緩。

　　關于熱成形高強鋼的可成形性和力學特性的改善，已成為國內各專家學者的研究熱點，但絕大多數實驗局限在Gleeble熱模擬試驗機進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的力學特性也不一樣，而且其是引起AHSS成形時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，急需開發一套具備自有知識產權的、堪比國外熱成形生產線的小試線設備，全而進行非Gleeble單向拉壓試驗所能制得的形狀結構件成形問題研究，以期望滿足輕量化汽車對國內自主開發AHSS結構件技術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，試驗中以最簡單的深沖盒為例，分析熱成形過程中由應力引起的一系列問題，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：在軸向加載的同時產生力矩M，是造成沖壓過程中板料彎曲變形的主要原因。

　　板料上A， B， C， D， E各點在模具間隙、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3向均為壓應力作用，E點在一般情況下均受拉應力作用，造成板料沖壓過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生，因此從應力分布與馬氏體相變作用關系的角度來分析，找出各處不同的加載方式對相變進程、微觀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題

　　傳統熱成形工藝流程通常為：經過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，而車用AHSS結構件必須滿足一定的形狀要求，其各處的應力狀態、微觀形貌和力學性能特征與板材樣件是不同的，利用傳統工藝，常發生破裂現象。

　　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行測試，由各處切割選取典型的試樣，用金相分析其微觀組織結構和宏觀力學特性。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題。

　　拉應力為主且應力較大的（4）和（6）點處微觀形貌呈均勻、細化的板條狀馬氏體，且（6）點處的馬氏體更加細化其微觀形貌特征分布與圖3（a）中（6）點的拉應力大于（4）點的結果對應一致；拉應力仍為主，但不如（4）和（6）點大的（2）和（5）點，其微觀不如前者細化，尤其位于底部的（5）點，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，馬氏體較為粗大。對比不同應力狀態下的馬氏體轉變情況也可以看出，拉應力和壓應力的同時存在，使得部件各處的馬氏體相變進程出現了明顯差異，從而形成了不同的微觀結構，這是造成現有工藝沖壓時出現開裂現象和宏觀力學特性分布不均勻、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，樣件各處不僅存在不同的應力狀態（拉應力、壓應力或復合應力），而且其應力大小也不相同，使其出現力學性能差異的現象。以汽車熱成形B柱為例，通過仿真得出應力在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，為了解釋應力對微觀組織結構的影響作用，在其不同位置上截取6個典型樣點，并對其進行微觀形貌的表征。

　　5、新工藝及其特點分析

　　5。1建立新方法的依據

　　根據馬氏體相變經典理論，局部應力狀態對馬氏體相變特征和微觀結構形態具有顯著的影響作用，其作用方式和大小直接影響著相變進程和最終的組織結構。徐祖耀等人已證實，應力對合金的非擴散型馬氏體相變有誘發或抑制作用，而且國內外針對應力與馬氏體相變的影響關系，進行了大量實驗和理論分析得出：通常地，拉應力具有促進馬氏體相變的作用，M點提高；以壓應力為主的加載區，當變形量較大時，將出現應力抑制相變發生的行為，M點降低。對于具有形狀要求的結構件來說，現有熱成形工藝中忽視了成形時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點各異，相變后組織形態不同的局而。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關系。

　　傳統熱沖壓工藝中，通常將成形溫度設定，此時以拉應力為主的區域，樣件的硬化指數在0。15左右，如果在此溫度下進行沖壓成形，其危險區域周圍的補償能力差，易于開裂。而板料在650—750°C的硬化指數接近0。3，也就是說，當高溫板料出爐后降至此溫度時再沖壓成形，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，熱成形時壓應力過大，將會抑制馬氏體相變。而傳統工藝中加熱保溫奧氏體化后的直接沖壓環節，導致母相內很難發生新相核胚形成的趨勢，無法補償壓應力對馬氏體相變的抑制作用。基于非擴散型的相變特征，如何通過改變工藝方法，即沖壓前誘發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鍵。

　　5。2新工藝方法的實施及分析

　　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：通過壓縮空氣的方法，沖壓前對樣件進行冷卻預處理，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，發現其微觀結構中出現了貝氏體組織，降溫曲線②穿過了貝氏體穩定區；當成形在700°C時（曲線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間，也不會因急冷速率稍慢、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）滿足拉應力區域在650—750°C間具有的較好成形性；

　　2）促進某些壓應力為主的抑制馬氏體相變區域通過沖壓前冷卻，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樣件經不小于30°C/s的壓縮空氣法降溫，急冷時間為5—6 s，然后再沖壓、淬火。

　　試驗中利用凹凸模具沖壓成形簡單形狀深沖盒，分別為通過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，經過傳統工藝制得的7（a）出現了明顯開裂現象，而開裂正是發生在以拉應力為主的區域，說明850°C左右，樣件受到拉應力時，其成形性較差；圖7（b）的樣件成形性良好，沒有發生成形缺陷，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值提供了研發方向。為了進一步分析，試驗中對中兩種沖壓樣件底而中心處進行微觀形貌比較。

　　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）中微觀組織由奧氏體完全轉變為馬氏體，但是由于冷卻速度過快，造成馬氏體生長粗大，分布不均勻。而在加入急冷的優化工藝后，圖8（b）中微觀下的馬氏體轉換細致均勻，較8（a）中明顯細化

　　基于微觀表征得出的新方法有效性，調整實際的熱沖壓工藝參數，以汽車B柱為對象，通過傳統工藝與新方法分別進行熱成形，比較兩種工藝制得部件之間的力學性能差異。表征各自硬度分布特征。

　　優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，力學性能的不均勻性是導致樣件使用時出現開裂現象的原因。一般來說，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）現有工藝技術的熱成形時，具有一定形狀的樣件各處的不同應力狀態，對其厚度分布、馬氏體相變發生進程和微觀結構形貌特征的影響作用不同，是導致樣件成形時開裂的原因之一

　　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，其微觀結構更致密，并且成形性得到了明顯改善。

　　3）以熱成形汽車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，沒有出現較大波動的現象，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較大，力學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權的、復雜形狀的AHSS結構件熱成形工藝生產線及批量化提供了前期基礎和試驗依據。

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