劉 琪，王 敏，顏 雄，蔡 聰

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

0 引 言

在汽車(chē)工業(yè)中，節(jié)能、環(huán)保、安全一直都是汽車(chē)發(fā)展中的主要問(wèn)題，而高強(qiáng)鋼的使用成為汽車(chē)行業(yè)的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。高強(qiáng)鋼熱成形技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量，還能提高汽車(chē)防撞安全性，為此各大鋼鐵公司、汽車(chē)制造廠商以及國(guó)內(nèi)外大學(xué)對(duì)其進(jìn)行了研究。高強(qiáng)鋼熱成形是將板料加熱到奧氏體化溫度以上并保溫，待其完全奧氏體化后轉(zhuǎn)移至有冷卻水道的模具上沖壓成形并保壓淬火，使其發(fā)生馬氏體相變，提高鋼板的強(qiáng)度。熱成形淬火過(guò)程中，板料發(fā)生的馬氏體組織轉(zhuǎn)變是強(qiáng)度提升的主要因素。因此，研究高強(qiáng)鋼在熱成形淬火過(guò)程中的微觀組織分布及演變，對(duì)獲得理想力學(xué)性能的汽車(chē)構(gòu)件具有重要意義。

M NADERI等[1]采用有限元法對(duì)22MnB5鋼進(jìn)行熱成形模擬，研究不同工藝參數(shù)對(duì)成形的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。A NAPIER等[2]研究了板料初始溫度、應(yīng)變量和應(yīng)變速率對(duì)馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Mf和馬氏體含量的影響。王吉應(yīng)等[3]采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和力學(xué)性能試驗(yàn)研究了熱成形22MnB5鋼不同溫度淬火后的組織形貌和力學(xué)性能，結(jié)果表明：熱成形淬火后的22MnB5鋼力學(xué)性能得到提升，且隨著加熱溫度的升高，馬氏體轉(zhuǎn)變量和板條束寬度增大，馬氏體分布越均勻，強(qiáng)度、硬度、斷面收縮率和伸長(zhǎng)率逐漸增大。郭晶等[4]采用數(shù)值模擬方法研究了加熱溫度對(duì)汽車(chē)B柱熱成形性能的影響，得到了加熱溫度對(duì)B柱熱成形性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：在其他工藝參數(shù)相同的條件下，加熱溫度在840～960℃，B柱的成形最低溫度和最高溫度逐漸升高，馬氏體含量逐漸增加到100%；隨著溫度上升至930℃，抗拉強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，抗拉強(qiáng)度反而下降。

上述研究對(duì)象多是高強(qiáng)鋼薄板，目前針對(duì)厚板熱成形的研究鮮有報(bào)道。國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已于2020年實(shí)行，在排放限值更加嚴(yán)苛的形勢(shì)下，厚板熱成形技術(shù)在商用車(chē)輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊?，F(xiàn)以6 mm厚的22MnB5鋼為研究對(duì)象，建立其熱成形淬火過(guò)程的有限元模型，研究板料入模溫度（板料加熱完全奧氏體化后轉(zhuǎn)移到模具上的溫度）對(duì)熱成形過(guò)程馬氏體相變的影響規(guī)律。

1 高強(qiáng)鋼厚板熱成形淬火有限元模型

基于ABAQUS建立平板熱成形過(guò)程傳熱模型，如圖1所示，考慮幾何和載荷的對(duì)稱(chēng)性，取1/4模型進(jìn)行模擬。為了提高計(jì)算效率，將模具內(nèi)部遠(yuǎn)離冷卻水道的部分挖空。22MnB5的熱力學(xué)屬性和流動(dòng)應(yīng)力曲線分別如表1和圖2所示[5]。在板料與上模和下模之間分別定義接觸對(duì)，采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.4[6]。自主開(kāi)發(fā)了平板淬火試驗(yàn)系統(tǒng)，基于反傳熱法反演了板料-空氣對(duì)流換熱系數(shù)和不同接觸壓力下板料-模具界面換熱系數(shù)，如表2所示。選用八節(jié)點(diǎn)溫度-位移熱耦合的減縮六面體單元，網(wǎng)格類(lèi)型為C3D8RT。

圖1 1/4厚板熱成形有限元模型

圖2 22MnB5的流動(dòng)應(yīng)力曲線

表1 22MnB5的材料參數(shù)［5］

表2 板料與環(huán)境的換熱系數(shù)

采用Koistinen-Marburge馬氏體相變動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算馬氏體轉(zhuǎn)化率Xm[7]，如式（1）所示：

其中，Xa為馬氏體相變前殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，假設(shè)板料加熱后完全奧氏體化，故Xa的初始值為1；ψ1為材料常數(shù)；T為板料的瞬時(shí)溫度，℃；Ms為馬氏體轉(zhuǎn)化起始溫度，ψ1和Ms分別取值為-0.011℃-1和376℃[8]。將該公式以子程序形式嵌入高強(qiáng)鋼厚板熱成形淬火過(guò)程有限元模型中，實(shí)現(xiàn)了馬氏體組織演變的模擬[9]。

2 入模溫度對(duì)厚板熱成形的作用

2.1 溫度分布

熱成形過(guò)程中，合理設(shè)計(jì)工藝參數(shù)有助于成形零件獲得更好的微觀組織和力學(xué)性能。淬火參數(shù)如保壓壓力40 MPa、保壓時(shí)間30 s等保持恒定，選取馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)刻研究板料入模溫度對(duì)高強(qiáng)鋼厚板熱成形影響規(guī)律。模具初始溫度為40℃，板料入模溫度選擇600、750、900℃三個(gè)參數(shù)。

圖3所示為不同板料入模溫度下馬氏體轉(zhuǎn)變停止時(shí)間。馬氏體轉(zhuǎn)變停止時(shí)間隨著板料入模溫度的升高而延長(zhǎng)，其原因是較高的入模溫度會(huì)減小模具零件和板料的溫差，降低板料的冷卻速率，使其較晚達(dá)到馬氏體相變開(kāi)始溫度。

圖3 不同入模溫度馬氏體轉(zhuǎn)變停止時(shí)間

不同入模溫度的板料在馬氏體轉(zhuǎn)變完成時(shí)刻的溫度分布如圖4所示，從圖4可知，不同入模溫度板料馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)刻的溫度分布趨勢(shì)大致相同，平面中間溫度高，從中間到邊緣的溫度逐漸降低，邊緣四角的溫度最低。這是因?yàn)榘辶线吘壙梢院土鲃?dòng)的空氣發(fā)生換熱，也可以與模具零件發(fā)生換熱，中間的板料只能和模具零件發(fā)生換熱，因此平面中心溫度高、四周溫度低。從厚度方向看，與模具零件接觸的面溫度低，板料厚度中心溫度高。從溫度云圖預(yù)測(cè)馬氏體轉(zhuǎn)變趨勢(shì)：平面方向中間馬氏體轉(zhuǎn)化率低，從中間到周?chē)R氏體轉(zhuǎn)化率逐漸增高，四角部位馬氏體轉(zhuǎn)化率最高；厚度方向中心馬氏體轉(zhuǎn)化率低，到上、下表面馬氏體轉(zhuǎn)化率逐漸增高。

圖4 不同入模溫度馬氏體轉(zhuǎn)變完成時(shí)刻的溫度分布云圖

不同入模溫度馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)板料的最高溫度及最低溫度如圖5所示，由圖5可知，在馬氏體不再發(fā)生變化時(shí)刻，板料的溫度隨板料入模溫度的升高而增高。當(dāng)板料入模溫度升高，而模具的初始溫度不變時(shí)，板料與模具零件之間的溫差變大，熱量交換加劇，但不足以抵消入模溫度升高帶來(lái)的升溫效果，因此板料溫度隨入模溫度升高而升高。從板料最高溫度與最低溫度的差值來(lái)看，在板料入模溫度為600℃時(shí)，溫度分布均勻性較好，隨著板料入模溫度的升高，溫度分布均勻性逐漸變差。

圖5 不同入模溫度馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)板料的最高溫度及最低溫度

以板料對(duì)稱(chēng)中心線為路徑如圖6所示，繪制馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)刻，不同入模溫度板料沿厚度方向的溫度變化曲線如圖7所示。由圖7可知，板料厚度方向的溫度隨入模溫度的升高而升高；在不同板料入模溫度下，最高溫度在中心區(qū)域，并向上、下表層遞減；溫度沿板料厚度方向上的分布均勻性隨入模溫度變化不大。

圖6 板料對(duì)稱(chēng)中心處的路徑

圖7 不同板料入模溫度下板料溫度沿厚度方向的變化

2.2 馬氏體的轉(zhuǎn)化率分布

不同入模溫度的板料在馬氏體轉(zhuǎn)變完成時(shí)刻的馬氏體轉(zhuǎn)化率分布云圖如圖8所示，由圖8可知，平面方向上中間馬氏體轉(zhuǎn)化率低，到四周馬氏體轉(zhuǎn)化率逐漸增高，邊緣四角馬氏體轉(zhuǎn)化率最高；厚度方向中心馬氏體轉(zhuǎn)化率低，到上、下表面馬氏體轉(zhuǎn)化率逐漸增高。

圖8 不同入模溫度下馬氏體停止轉(zhuǎn)變時(shí)刻板料馬氏體轉(zhuǎn)化率分布云圖

馬氏體轉(zhuǎn)變完成時(shí)刻，馬氏體轉(zhuǎn)化率隨入模溫度變化如圖9所示。結(jié)合圖8可知，在馬氏體不再發(fā)生變化時(shí)刻，馬氏體的最大和最小轉(zhuǎn)化率隨入模溫度的升高而降低，中間最低轉(zhuǎn)化率的區(qū)域面積變大。由于入模溫度的升高，成形后的板料溫度就越高，導(dǎo)致與馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度376℃差異較大，馬氏體轉(zhuǎn)變量減少，馬氏體轉(zhuǎn)化率隨之降低。從最高與最低馬氏體轉(zhuǎn)化率的差值來(lái)看，入模溫度為600℃時(shí)馬氏體分布均勻性較好；600～750℃時(shí)，隨入模溫度的升高，馬氏體分布均勻性逐漸變差；750～900℃時(shí)兩者差值變化不大，說(shuō)明入模溫度的升高不再影響馬氏體分布均勻性。

圖9 馬氏體最大與最小轉(zhuǎn)化率隨入模溫度的變化

不同入模溫度下馬氏體轉(zhuǎn)化率沿板料厚度方向的變化如圖10所示，馬氏體轉(zhuǎn)化率隨入模溫度的升高而減小，在900℃時(shí)分布最均勻，但中心區(qū)域馬氏體轉(zhuǎn)化率較低。

圖10 不同入模溫度下馬氏體轉(zhuǎn)化率沿板料厚度方向的變化

3 結(jié)束語(yǔ)

建立了高強(qiáng)鋼22MnB5厚板熱成形有限元模型，研究了板料入模溫度對(duì)熱成形淬火過(guò)程中厚板的溫度和組織分布及演變規(guī)律的影響，得出如下結(jié)論。

（1）入模溫度越高，板料的溫度分布均勻性越差，馬氏體轉(zhuǎn)化率越低；600～750℃時(shí)馬氏體的分布均勻性隨溫度升高逐漸變差，但高于750℃后，入模溫度對(duì)馬氏體的分布均勻性沒(méi)有影響。

（2）沿板料厚度方向，板料溫度隨入模溫度的升高而升高，且在不同入模溫度下，最高溫度在中心區(qū)域，并向上、下表層遞減，馬氏體轉(zhuǎn)化率隨入模溫度的升高而減小，在900℃時(shí)馬氏體分布最均勻，但中心區(qū)域馬氏體轉(zhuǎn)化率較低。

（3）較低的入模溫度有利于馬氏體的轉(zhuǎn)化和提高其分布均勻性。