雷呈喜，邢忠文，徐偉力，吳嚴(yán)俊，李 云，單德彬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(duì)汽車的安全性和舒適性提出了越來越高的要求.同時(shí)，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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，除了改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)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(qiáng)鋼等［2］.而熱沖壓技術(shù)的應(yīng)用更使汽車用鋼達(dá)到了超高強(qiáng)度的級(jí)別，使用高強(qiáng)鋼板熱沖壓生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)件在現(xiàn)代汽車中使用越來越多［3］.

隨著熱沖壓成形技術(shù)的快速發(fā)展，等厚度高強(qiáng)鋼板熱沖壓成形件已經(jīng)被國內(nèi)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(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)制造高強(qiáng)度沖壓件;國內(nèi)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(jié)構(gòu)件［4］.隨著高強(qiáng)鋼板熱沖壓技術(shù)的發(fā)展，在汽車零件熱成形淬火后能達(dá)到超高強(qiáng)度的前提下，減輕汽車質(zhì)量必須通過改變材料結(jié)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn).但制造的復(fù)雜程度限制了材料的推廣應(yīng)用，使得兩種新型材料在汽車減重領(lǐng)域得到廣泛關(guān)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(xué)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(zhì)量，且在同樣的剛度下，TRB在減重方面比拼焊板更具優(yōu)勢(shì).另外，高強(qiáng)鋼TRB熱沖壓成形件兼顧了安全性和輕量化的優(yōu)化結(jié)果，因此，其在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域具有很好的應(yīng)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(qiáng)鋼TRB熱沖壓成形研究目前尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，僅在臺(tái)灣國立虎尾科技大學(xué)網(wǎng)站查到采用數(shù)值模擬研究高強(qiáng)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(jī)構(gòu)進(jìn)行了TRB 的成形性能方面的研究［9－10］.上海交通大學(xué)依托德國亞深工業(yè)大學(xué)金屬成形研究所先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟硬件條件，通過大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)軋制變截面板在彎曲成形過程中的回彈特性進(jìn)行了研究［11］.湖南大學(xué)采用TRB板對(duì)汽車B柱設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，滿足安全需求時(shí)的兩種方案使B柱分別減重36.43%和31.57%［12］.大連理工大學(xué)根據(jù)差厚板的單向拉伸試驗(yàn)，對(duì)所提出的軋制差厚板的單向拉伸力學(xué)解析模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證［13］.江蘇大學(xué)以盒形件為研究對(duì)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(duì)變截面板汽車橫梁的成形回彈進(jìn)行分析，提出了控制其回彈的方式［15］.重慶大學(xué)對(duì)變截面板進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、杯突試驗(yàn)、拉深試驗(yàn)以及斷口掃描試驗(yàn)等基礎(chǔ)性研究，應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)等厚板及拼焊板成形過程進(jìn)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(qiáng)鋼TRB的變截面使得以往基于等截面研究得出的相關(guān)力學(xué)以及熱沖壓成形理論均無法適用，TRB冷成形的相關(guān)理論在熱沖壓成形時(shí)亦不能適用.本文采用軋制的高強(qiáng)鋼TRB進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，分析軋制的高強(qiáng)鋼厚度對(duì)其在不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響規(guī)律，建立其材料本構(gòu)關(guān)系，以期為高強(qiáng)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(chǔ).

1 不同厚度下高強(qiáng)鋼高溫拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)板料采用寶鋼集團(tuán)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(jī)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(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定不同厚度、不同溫度、不同應(yīng)變速率下的高強(qiáng)鋼TRB在不同區(qū)域的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線，研究3種參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律.

表1 B1500HS的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 等溫單向拉伸試件(mm)

1.2 試驗(yàn)方案

高強(qiáng)鋼板熱沖壓工藝是將高強(qiáng)鋼板加熱到約900℃后完成沖壓成形的過程.在沖壓成形結(jié)束后，保壓淬火開始時(shí)成形件的溫度基本都在650℃以上，可見，高強(qiáng)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(huì)在850～650℃變化.因此，在熱沖壓成形的溫度變化范圍內(nèi)，選定650、700、750、800和850℃為試驗(yàn)溫度，進(jìn)行不同溫度下的等溫拉伸試驗(yàn).在高強(qiáng)鋼熱沖壓過程中，材料力學(xué)性能與應(yīng)變速率亦有較大關(guān)聯(lián)性，故采用應(yīng)變速率分別為0.2、0.5、2、5 和10 s－1進(jìn)行拉伸試驗(yàn).熱沖壓實(shí)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(nèi)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(yàn)條件需要與成形過程的溫度、應(yīng)力應(yīng)變形式相吻合，在Gleeble3500試驗(yàn)機(jī)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(yàn)溫度，保溫30 s后，以預(yù)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(yàn)開始前，通過對(duì)密閉工作箱的多次抽真空再通入氬氣的方法保持箱內(nèi)的無氧環(huán)境.而Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)在真空狀態(tài)下難以滿足試驗(yàn)要求的冷卻速度，因此，以高熱導(dǎo)率材料紫銅制作夾具，并在試驗(yàn)的冷卻過程中添加了輔助冷卻裝置，通過直接對(duì)試樣噴射氬氣達(dá)到快速冷卻的效果.在Gleeble3500試驗(yàn)機(jī)中，拉伸試驗(yàn)件裝夾完成后的情況如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)機(jī)中冷卻裝置改裝

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

在高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，選擇其中溫度為700℃，應(yīng)變速率為0.5 s－1獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看到，隨著厚度的增加，其峰值應(yīng)力逐漸增加.當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.25時(shí)，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(shí)的325 MPa.為了能更準(zhǔn)確地建立高強(qiáng)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，為TRB過渡區(qū)的材料力學(xué)性能的表征奠定基礎(chǔ).

采用高強(qiáng)鋼TRB中厚度為1.2 mm的區(qū)域切割試樣，在650℃時(shí)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示.由圖4可以看到，應(yīng)變速率也是影響變形抗力的主要因素，隨著應(yīng)變速率的增加，變形抗力也逐漸增加，且達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變速率越大，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也越大.即應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 不同應(yīng)變速率下材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)為1.2 mm 厚的試樣在 0.2 s－1應(yīng)變率條件下進(jìn)行，獲得不同溫度下高強(qiáng)鋼應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖5所示.

圖5 不同溫度下材料的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(qiáng)鋼再結(jié)晶溫度以上，拉伸過程中，加工硬化以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)回復(fù)過程共同支配變形行為，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與動(dòng)態(tài)回復(fù)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(qiáng)鋼成形過程中，僅會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù).可見高強(qiáng)鋼熱沖壓成形的溫度范圍應(yīng)大于750℃，且低于850℃，此時(shí)高強(qiáng)鋼的成形性最好.而由最大峰值應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變可見，對(duì)應(yīng)應(yīng)變值呈現(xiàn)出650℃到750℃增大，而達(dá)到850℃又降低的趨勢(shì).溫度升高，材料流動(dòng)增加，塑性增加，但隨著溫度升高材料的屈服強(qiáng)度降低，雙重作用下，也證明750～850℃是高強(qiáng)鋼成形性最好的階段.

3 高強(qiáng)鋼TRB本構(gòu)方程建立

由高強(qiáng)鋼TRB的等溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，材料的性能與成形溫度、應(yīng)變速率以及板料本身的厚度有關(guān).日本學(xué)者井上勝郎建立如下金屬變形抗力數(shù)學(xué)模型.

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

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得到

對(duì)于熱成形，式(2)中的參數(shù)還與溫度有關(guān)，則假設(shè)各個(gè)參數(shù)與溫度之間存在線性關(guān)系.根據(jù)不同應(yīng)變速率和不同溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可用最小二乘法進(jìn)行多元線性回歸分析，并利用Origin軟件進(jìn)行各項(xiàng)分析，其中n、m和p為與溫度T相關(guān)的線性表達(dá)式.

對(duì)于p值的確定，由ln σ與ln λ成線性關(guān)系，在ε=0.2=0.2 s－1，溫度T為650、700、750、800 和850 ℃條件下，對(duì)4 種厚度分別為1.2、1.5、1.6和1.7 mm情況下板料的對(duì)應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行擬合.擬合解得

可分別求得相關(guān)參數(shù)，代入即得到高強(qiáng)鋼TRB的材料本構(gòu)關(guān)系為

為了驗(yàn)證建立的數(shù)學(xué)模型是否適用，回歸方程對(duì)兩種條件下試驗(yàn)的樣本測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度較高.試驗(yàn)結(jié)果與擬合曲線對(duì)比見圖6.可見，去除噪點(diǎn)后，擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差小于15%，即所建立的數(shù)學(xué)模型能很好地表達(dá)高強(qiáng)鋼TRB的材料特性.

圖6 不同條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線對(duì)比

4 結(jié) 論

1)材料厚度和應(yīng)變速率對(duì)高強(qiáng)鋼高溫下應(yīng)力、應(yīng)變均有一定的影響.隨著厚度的增加，其峰值應(yīng)力逐漸增加;隨著應(yīng)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(qiáng)度降低，試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)鋼 B1500HS在 750～850℃的成形性能最好.

3)建立了高強(qiáng)鋼TRB的材料本構(gòu)關(guān)系，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證.對(duì)比結(jié)果可見，擬合優(yōu)度較高.

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