高强钢TRB高温下热流变特性

雷呈喜，邢忠文，徐伟力，吴严俊，李 云，单德彬

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001;2.上海宝山钢铁股份有限公司汽车用钢研究所，上海 201900;3.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001)

近年来，随着我国汽车工业的飞速发展，人们对汽车的安全性和舒适性提出了越来越高的要求.同时，随着汽车保有量的不断增加，能源紧张和环境污染问题也日趋突出;高安全性能的轻量化汽车才能适应现代汽车工业的发展需求［1］.满足汽车轻量化和安全性双重标准，除了改进车身结构外，另一种较理想的方式是采用轻量化材料，如铝合金、超高强钢等［2］.而热冲压技术的应用更使汽车用钢达到了超高强度的级别，使用高强钢板热冲压生产的汽车结构件在现代汽车中使用越来越多［3］.

随着热冲压成形技术的快速发展，等厚度高强钢板热冲压成形件已经被国内外众多汽车厂家所采用.美国通用、福特，瑞典的沃尔沃，以及德国大众等汽车公司都在运用该项技术制造高强度冲压件;国内的一汽大众、奇瑞和华晨等汽车厂也在其典型车型中使用了热冲压结构件［4］.随着高强钢板热冲压技术的发展，在汽车零件热成形淬火后能达到超高强度的前提下，减轻汽车质量必须通过改变材料结构的方式来实现.但制造的复杂程度限制了材料的推广应用，使得两种新型材料在汽车减重领域得到广泛关注:激光拼焊板(Tailor Weld Blank，TWB)和轧制变厚度板(Tailor Rolling Blank，TRB)［5］.激光拼焊板，由于焊缝的存在和拼接处厚度的突变影响成形性而局限了其使用的推广［6］.由德国亚琛工业大学金属成形研究所(IMF)开发的轧制变厚度板，是通过柔性轧制工艺生产的沿轧制方向厚度连续变化的钢板［7］.变厚度钢板经加工后制成的汽车零部件，在不同的部位有不同的厚度，具有更好的承载能力，可有效减轻汽车质量，且在同样的刚度下，TRB在减重方面比拼焊板更具优势.另外，高强钢TRB热冲压成形件兼顾了安全性和轻量化的优化结果，因此，其在现代汽车领域具有很好的应用前景［8］.

TRB的冲压成形研究主要集中在冷冲压成形方面，高强钢TRB热冲压成形研究目前尚未见文献报道，仅在台湾国立虎尾科技大学网站查到采用数值模拟研究高强钢TRB的U型件的热冲压成形回弹.TRB的冷冲压成形研究，主要是德国IMF和与IMF有TRB联合研究课题的研究机构进行了TRB 的成形性能方面的研究［9－10］.上海交通大学依托德国亚深工业大学金属成形研究所先进的实验设备和计算机软硬件条件，通过大量的试验和数值模拟相结合的方法，对轧制变截面板在弯曲成形过程中的回弹特性进行了研究［11］.湖南大学采用TRB板对汽车B柱设计进行了优化，满足安全需求时的两种方案使B柱分别减重36.43%和31.57%［12］.大连理工大学根据差厚板的单向拉伸试验，对所提出的轧制差厚板的单向拉伸力学解析模型进行了试验验证［13］.江苏大学以盒形件为研究对象，采用数值模拟分析研究了不同工艺参数下连续变截面板盒形件的冲压成形性能［14］，并对变截面板汽车横梁的成形回弹进行分析，提出了控制其回弹的方式［15］.重庆大学对变截面板进行了拉伸试验、杯突试验、拉深试验以及断口扫描试验等基础性研究，应用数值模拟对等厚板及拼焊板成形过程进行了分析，获得了拼焊板在不同成形条件下的变形规律［16］.

高强钢TRB的变截面使得以往基于等截面研究得出的相关力学以及热冲压成形理论均无法适用，TRB冷成形的相关理论在热冲压成形时亦不能适用.本文采用轧制的高强钢TRB进行单向拉伸试验，分析轧制的高强钢厚度对其在不同温度和应变速率下的应力应变曲线的影响规律，建立其材料本构关系，以期为高强钢TRB材料模型建立和其热冲压成形过程数值模拟奠定基础.

1 不同厚度下高强钢高温拉伸试验

1.1 试验材料

实验板料采用宝钢集团轧制的B1500HS连续轧制变截面板，其主要成分见表1所示.采用激光切割机在不同的厚度区分别切割出拉伸试件，试件尺寸如图1所示.通过Gleebel3500热模拟实验机测定不同厚度、不同温度、不同应变速率下的高强钢TRB在不同区域的材料应力－应变曲线，研究3种参数对材料力学性能的影响规律.

表1 B1500HS的主要化学成分(质量分数/%)

图1 等温单向拉伸试件(mm)

1.2 试验方案

高强钢板热冲压工艺是将高强钢板加热到约900℃后完成冲压成形的过程.在冲压成形结束后，保压淬火开始时成形件的温度基本都在650℃以上，可见，高强钢热冲压成形过程中温度不断变化.由于板料传递过程中的热量散失，成形过程中板料温度通常会在850～650℃变化.因此，在热冲压成形的温度变化范围内，选定650、700、750、800和850℃为试验温度，进行不同温度下的等温拉伸试验.在高强钢热冲压过程中，材料力学性能与应变速率亦有较大关联性，故采用应变速率分别为0.2、0.5、2、5 和10 s－1进行拉伸试验.热冲压实际生产过程中，板料以15℃/s的加热速率加热到950℃，并保温3 min，使毛坯的奥氏体均匀化，成形过程中在模具内部以大于30℃/s的冷却速度冷却，获得成形件的组织为全部的马氏体.试验条件需要与成形过程的温度、应力应变形式相吻合，在Gleeble3500试验机中也以15℃/s的加热速率加热到950℃，并保温3 min.然后以大于30℃/s的速度将试样冷却至所需试验温度，保温30 s后，以预定的拉伸速度完成等温拉伸.

为了避免加热过程中试样被氧化，需要在加热及拉伸过程中保持试样周围的无氧环境.因此，在试验开始前，通过对密闭工作箱的多次抽真空再通入氩气的方法保持箱内的无氧环境.而Gleeble3500热模拟试验机在真空状态下难以满足试验要求的冷却速度，因此，以高热导率材料紫铜制作夹具，并在试验的冷却过程中添加了辅助冷却装置，通过直接对试样喷射氩气达到快速冷却的效果.在Gleeble3500试验机中，拉伸试验件装夹完成后的情况如图2所示.

图2 试验机中冷却装置改装

2 试验结果及其分析

在高强钢TRB的不同厚度区域选择厚度分别为1.2，1.4，1.6 和1.7 mm 的4 种厚度标准试样进行高温拉伸试验，选择其中温度为700℃，应变速率为0.5 s－1获得试验数据如图3所示，可以看到，随着厚度的增加，其峰值应力逐渐增加.当应变为0.25时，随着材料厚度增加，变形抗力由厚度为1.2 mm 的252 MPa，增加到 1.7 mm 时的325 MPa.为了能更准确地建立高强钢TRB各区域的材料模型，可利用插值法获得不同厚度下板料的应力应变关系，为TRB过渡区的材料力学性能的表征奠定基础.

采用高强钢TRB中厚度为1.2 mm的区域切割试样，在650℃时进行单向拉伸试验，获得的应力应变曲线如图4所示.由图4可以看到，应变速率也是影响变形抗力的主要因素，随着应变速率的增加，变形抗力也逐渐增加，且达到峰值应力时，应变速率越大，其对应的应变值也越大.即应变速率越大，材料发生集中失稳越快，将越早发生断裂.

图3 不同厚度下材料的应力-应变曲线

图4 不同应变速率下材料的应力-应变曲线

试验为1.2 mm 厚的试样在 0.2 s－1应变率条件下进行，获得不同温度下高强钢应力－应变曲线如图5所示.

图5 不同温度下材料的应力-应变曲线

由图5可以看出，随着温度的升高，材料的最大成形应力逐渐降低，这种现象的出现是由于拉伸成形过程所处的温度完全是高强钢再结晶温度以上，拉伸过程中，加工硬化以及动态再结晶、动态回复过程共同支配变形行为，动态再结晶与动态回复起着减弱加工硬化的作用，使材料塑性提高变形抗力减小.在高强钢成形过程中，仅会发生动态回复.可见高强钢热冲压成形的温度范围应大于750℃，且低于850℃，此时高强钢的成形性最好.而由最大峰值应力时所对应的应变可见，对应应变值呈现出650℃到750℃增大，而达到850℃又降低的趋势.温度升高，材料流动增加，塑性增加，但随着温度升高材料的屈服强度降低，双重作用下，也证明750～850℃是高强钢成形性最好的阶段.

3 高强钢TRB本构方程建立

由高强钢TRB的等温拉伸试验结果可以看出，材料的性能与成形温度、应变速率以及板料本身的厚度有关.日本学者井上胜郎建立如下金属变形抗力数学模型.

式中:n为应变硬化指数;m为应变速率敏感系数;K、β为材料参数;T为绝对温度;λ为板料厚度，p为厚度相关系数.

对式(1)两边取对数得到

对于热成形，式(2)中的参数还与温度有关，则假设各个参数与温度之间存在线性关系.根据不同应变速率和不同温度下的数据进行拟合，可用最小二乘法进行多元线性回归分析，并利用Origin软件进行各项分析，其中n、m和p为与温度T相关的线性表达式.

对于p值的确定，由ln σ与ln λ成线性关系，在ε=0.2=0.2 s－1，温度T为650、700、750、800 和850 ℃条件下，对4 种厚度分别为1.2、1.5、1.6和1.7 mm情况下板料的对应应力进行拟合.拟合解得

可分别求得相关参数，代入即得到高强钢TRB的材料本构关系为

为了验证建立的数学模型是否适用，回归方程对两种条件下试验的样本测量点进行拟合，拟合优度较高.试验结果与拟合曲线对比见图6.可见，去除噪点后，拟合曲线与试验结果的最大误差小于15%，即所建立的数学模型能很好地表达高强钢TRB的材料特性.

图6 不同条件下实验数据和拟合曲线对比

4 结 论

1)材料厚度和应变速率对高强钢高温下应力、应变均有一定的影响.随着厚度的增加，其峰值应力逐渐增加;随着应变速率的增加，变形抗力也逐渐增加.

2)温度升高使材料的塑性提高，但屈服强度降低，试验结果表明高强钢 B1500HS在 750～850℃的成形性能最好.

3)建立了高强钢TRB的材料本构关系，并通过试验数据对建立的数学模型进行验证.对比结果可见，拟合优度较高.

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