翁 進(jìn)，王 敏，沈明雙，常 永

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料學(xué)院，湖北 十堰 442002）

在汽車車身上應(yīng)用高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)是節(jié)能減排和提高整車碰撞性能的重要途徑。高強(qiáng)鋼熱沖壓是一種將高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速沖壓成形，在保壓階段通過模具的冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)淬火，從而得到均勻馬氏體組織、強(qiáng)度在1500MPa左右的超高強(qiáng)度零件的新型成形技術(shù)[1]，該過程中的馬氏體相變在很大程度上決定了成形件的力學(xué)性能，但高強(qiáng)鋼熱沖壓是一個傳熱-變形-相變耦合作用下的高度非線性物理過程，影響參數(shù)多且復(fù)雜，易導(dǎo)致各種宏、微觀缺陷的出現(xiàn)，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

近年來，世界各國汽車行業(yè)、鋼鐵行業(yè)都投入大量精力，開展以硼鋼為主的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板開發(fā)及熱沖壓技術(shù)的研究并取得長足發(fā)展。Zhu B等[2]基于ABAQUS對22SiMnTiB鋼U型梁熱沖壓過程進(jìn)行了建模仿真和相變計(jì)算，并對相變預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析。M.Nikravesh等[3]研究了22MnB5鋼熱塑性變形和冷卻速率對馬氏體和奧氏體開始轉(zhuǎn)變溫度的影響，結(jié)果表明降低冷卻速率能夠提高M(jìn)s，降低Mf。陳俊豪等[4]研究了變形量對馬氏體相變過程及性能的影響，結(jié)果表明變形量增大使冷卻過程中馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度升高。

但是目前這些研究主要基于板料高溫拉伸等基礎(chǔ)力學(xué)、材料實(shí)驗(yàn)，對熱沖壓的工藝研究涉及較少，具有一定局限性[5]，關(guān)于沖壓速率對高強(qiáng)鋼熱成形馬氏體相變影響的研究鮮見報(bào)道，為此本文將基于ABAQUS軟件，以汽車特征結(jié)構(gòu)件U形梁為研究對象，建立其熱沖壓有限元模型，研究不同沖壓速率下，成形件馬氏體平均轉(zhuǎn)化率和馬氏體分布均勻性的變化情況，闡明沖壓速率對成形件馬氏體平均轉(zhuǎn)化率和分布均勻性的影響。

1 高強(qiáng)鋼熱沖壓有限元建模

本文采用的高強(qiáng)鋼板材料為22MnB5，加熱至奧氏體化以后成形淬火，降溫速率達(dá)到27℃/s以上，可實(shí)現(xiàn)均勻的馬氏體轉(zhuǎn)變[5]。對于馬氏體相變，Koistinen-Marburger給出了如下公式[6]：

式中：Xa——馬氏體轉(zhuǎn)變前奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，取1；

Ψ1——反映馬氏體轉(zhuǎn)變快慢的材料參數(shù)，取-0.011；

Ms——馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，取376℃；

T——板料溫度。

因此，根據(jù)板料溫度T可求出馬氏體的體積分?jǐn)?shù)Xm。

依照UG中的原始模型參數(shù)，在ABAQUS中創(chuàng)建各個部件，考慮到幾何和載荷的對稱性，只建立1/4模型，同時為提高計(jì)算效率，簡化了模具三大件的外形，單元選擇、網(wǎng)格劃分與優(yōu)化后，得到如圖1所示的U形梁熱沖壓熱力耦合三維有限元模型。由于成形時間極短，故模具視作恒溫以節(jié)省時間，模具初始溫度取25℃，板料加熱溫度取900℃。

圖1 U形梁有限元模型

接著在Property功能模塊里定義材料及屬性。板料選用22MnB5鋼，模具材料選用H13鋼，其相關(guān)屬性如表1所示。本模型中涉及的熱交換形式主要有對流傳熱與熱輻射，此外還存在接觸摩擦力。將接觸屬性賦予各個接觸對中，完成模具與板料間的傳熱系數(shù)、模具與冷卻水道中水的換熱系數(shù)、各個接觸面之間的熱輻射、模具與板料間以及模具與空氣間的對流系數(shù)的定義。再在接觸模塊里將凸模、凹模、頂件塊約束為剛體。

表1 材料熱力學(xué)性能參數(shù)

最后將馬氏體相變動力學(xué)方程式（1）以子程序形式嵌入U(xiǎn)形梁熱沖壓熱力耦合三維有限元模型中，進(jìn)而對馬氏體相變情況進(jìn)行預(yù)測和驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

熱沖壓中的沖壓速率對成形過程和成形件的組織性能影響較大，沖壓速率的大小決定了成形過程中板料與模具接觸時間的長短，從而影響兩者之間傳熱情況，導(dǎo)致最終得到零件馬氏體組織的均勻性有所不同[7]。本實(shí)驗(yàn)選取模具初始溫度和板料加熱溫度分別為25℃、900℃，沖壓速率分別取10mm/s、30mm/s、50mm/s三組值進(jìn)行模擬，分析沖壓速率對熱沖壓成形件馬氏體平均轉(zhuǎn)化率和分布均勻性的影響。

2.1 沖壓成形結(jié)束時

沖壓速率分別為 10mm/s、30mm/s、50mm/s 時，ABAQUS軟件模擬出的板料沖壓成形結(jié)束時的馬氏體轉(zhuǎn)變率云圖，如圖2所示。

圖2 板料沖壓結(jié)束時馬氏體相變云圖

根據(jù)圖2中馬氏體轉(zhuǎn)變率的最大值和最小值可知，凸模沖壓速率分別為10mm/s、30mm/s、50mm/s時，板料沖壓成形結(jié)束時馬氏體的平均轉(zhuǎn)化率（所有單元體積分?jǐn)?shù)最大值與最小值的平均值）分別為46.76%、32.49%、0，馬氏體的分布均勻性（所有單元體積分?jǐn)?shù)的均方差）分別為0.9352、0.6497、0，如圖3所示。

圖3 沖壓速率對馬氏體平均轉(zhuǎn)化率和分布均勻性的影響

由圖3可知，在沖壓成形結(jié)束時，沖壓速率越大，馬氏體的平均轉(zhuǎn)化率越小，分布均勻性越好，越有利于零件的成形。由于沖壓速率越大，凸模下行相同的行程所需時間越短，工件與模具接觸傳熱的時間就越短，板料冷卻損失的熱量就越少，成形后的溫度就越高，與馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度376℃的溫差越大，馬氏體的轉(zhuǎn)化率就越小。沖壓速率越大，馬氏體平均轉(zhuǎn)化率越小，有的幾乎沒有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，分布均勻性就越好，更有利于后續(xù)的保壓淬火過程。

2.2 保壓淬火結(jié)束時

沖壓速率分別為 10mm/s、30mm/s、50mm/s 時，ABAQUS軟件模擬出的板料保壓淬火結(jié)束時的馬氏體轉(zhuǎn)變率云圖，如圖4所示。

根據(jù)圖4中馬氏體轉(zhuǎn)變率的最大值和最小值可知，凸模沖壓速率分別為10mm/s、30mm/s、50mm/s時，板料保壓淬火后馬氏體的平均轉(zhuǎn)化率（所有單元體積分?jǐn)?shù)最大值與最小值的平均值）分別為64.51%、48.18%、48.10%，馬氏體的分布均勻性（所有單元體積分?jǐn)?shù)的均方差）分別為0.6447、0.9635、0.9620，如圖5所示。

圖4 板料保壓淬火結(jié)束時馬氏體相變云圖

圖5 沖壓速率對馬氏體平均轉(zhuǎn)化率和分布均勻性的影響

由圖5可知，在保壓淬火后，沖壓速率越大，馬氏體的平均轉(zhuǎn)化率越小，分布均勻性越差。由于沖壓速率越大，凸模下行相同的行程所需時間越短，工件與模具接觸傳熱的時間就越短，工件冷卻損失的熱量就越少，成形后的溫度就越高，由上述馬氏體相變公式可知馬氏體的轉(zhuǎn)化率就越小。沖壓速率過大還會導(dǎo)致板料馬氏體轉(zhuǎn)變不均勻，成形件的機(jī)械性能變差。

3 結(jié)論

本文基于ABAQUS軟件，建立了U形梁熱沖壓成形過程、保壓淬火過程的熱力耦合三維有限元模型。通過研究不同沖壓速率下，成形件馬氏體平均轉(zhuǎn)化率和分布均勻性的變化情況，研究了沖壓速率對熱沖壓成形件馬氏體相變的影響，結(jié)果表明：隨著沖壓速率的增加，沖壓成形結(jié)束時，馬氏體平均轉(zhuǎn)化率越小，分布均勻性越好；淬火結(jié)束時，馬氏體平均轉(zhuǎn)化率越小，分布均勻性越差。

[1]H.S.Liu.Investigation of the Hot-Stamping Process for Advanced High-Strength Steel Sheet by Numerical Simulation，Journal of Materials Engineering and Performance 2009（3）：112-114.

[2]Zhu B，Zhang Y S， Li J， et al.Simulation research of hot stamping and phase transition of automotive high strength steel[J].Materials research Innovations，2011.15（sl）：426-430.

[3]M.Naderi，M.Ketabchi，M.Abbasi.Analysis of microstructure and mechanical properties of different high strength carbon steels after hot stamping[J].Journal of Materials Processing Technology，2011，211（6）：1117-1125.

[4]陳俊豪，寧保群，寶俊成，等.熱變形條件對T92鋼馬氏體相變過程及性能的影響[J].熱解工工藝，2015，10：42-45.

[5]韓小強(qiáng)，于宏元，盈 亮，等.熱沖壓關(guān)鍵工藝參數(shù)對零件力學(xué)性能影響研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，4：58-62

[6]姜大鑫，武文華，胡 平，等.高強(qiáng)度鋼板熱成形熱、力、相變數(shù)值模擬分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，12：18-23.

[7]Heon Young Kim ，Jong Kyu Park ，Myoung-Gyu Lee.Phase transformation-based finite element modeling to predictstrength and deformation ofpress-hardened tubularautomotive part，Springer-Velag London 2013.

[8]肖碧媛.22MnB5高強(qiáng)度鋼熱變形行為及沖壓工藝仿真研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.