高強鋼熱衝壓成形微觀組織演變多尺度模擬研究

《高強鋼熱衝壓成形微觀組織演變多尺度模擬研究》是依託華中科技大學，由朱彬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高強鋼熱衝壓成形微觀組織演變多尺度模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：朱彬
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

高強鋼熱衝壓成形是實現汽車輕量化的有效手段，成形後獲得的微觀組織形貌決定了零件的性能。如何調控微觀組織演變是提高熱衝壓零件強度與塑性的關鍵。本課題擬對熱衝壓成形過程中的微觀組織演變展開多尺度模擬研究。以馬氏體相變動力學為基礎，研究奧氏體形變對馬氏體形核、長大的影響；探究馬氏體相變過程中碳由馬氏體向奧氏體擴散的機制，進而構建描述成形過程微觀組織演變的元胞自動機法模型，探索該模型與巨觀熱成形溫度場應力場有限元模型相耦合的計算方法，實現熱成形多尺度耦合模擬。通過熱成形試驗以及微觀組織檢測實驗，校正並完善計算模型，闡明微觀馬氏體相變與巨觀溫變形變的耦合作用機制，揭示熱成形過程組織演變規律，作為定量化調控熱成形零件微觀組織，預測力學性能的理論基礎。本研究可為最佳化工藝參數，提高零件強度與塑性提供技術支持。

結題摘要

熱衝壓高強度鋼零件由於成形性好、回彈量小而強度高，是提高汽車安全性能同時減輕汽車重量的有效途徑，在汽車行業越來越普及。本項目對高強度鋼汽車零件加工過程中微觀的組織演變和巨觀的力學性能展開了模擬研究，並進行了試驗驗證。首先，在gleeble熱模擬試驗機上設計了試驗，研究了形變對馬氏體轉變開始溫度（Ms）的影響，發現應變可以提高Ms溫度，而且形變發生溫度越高，Ms溫度也越高，無變形時某型號高強鋼Ms為375℃，800℃施加變形Ms提高到407℃；之後基於leblond模型和Mises屈服準則，考慮了馬氏體相變產生的相變塑性、體積膨脹和熱應變，推導了耦合馬氏相變的本構公式，開發了vumat子程式，用於熱衝壓成形溫度場-應力場-組織場耦合模擬，並設計了不等溫拉伸試驗對模擬結果進行了驗證，發現耦合相變的本構模型可以明顯的提高試樣幾何形狀的計算精度；重點研究了QP（quenching& Partitioning）熱衝壓過程中的組織演變，考慮奧氏體/馬氏體之間的界面遷移，以化學勢作為配分過程碳由馬氏體向奧氏體中擴散的驅動力，推導了相關公式，實現了碳濃度的計算，結合描述馬氏體相變的Koistinen–Marburger公式，完成了最終殘餘奧氏體含量的預測。依照計算模型，編制了程式，對QP熱衝壓過程進行了分析，研究了淬火溫度對最終殘餘奧氏體含量的影響，通過模擬發現隨著淬火溫度的增加，殘餘奧氏體含量先增加後減小，當淬火溫度達到290℃時，配分20s後，碳濃度分布基本穩定，最終殘餘奧氏體含量最高。利用帶溫控裝置的模具，進行了QP熱衝壓試驗對模擬結果進行了驗證，發現淬火溫度290℃時，殘餘奧氏體含量最高可達11.2%，此時零件延伸率達到13.77%，強度為1413MPa，強塑積為19.46GPa·%，對比傳統熱衝壓零件（強塑積約9·%=1500MPa·6 %）性能明顯提升。最後，還利用有限元模擬研究了Al-Si鍍層板熱衝壓零件應變與其微裂紋的種類及分布間的關係。本課題的研究可為開發新型的QP熱衝壓工藝，保障高強鋼熱成形零件質量，提高強塑積，提供理論支持及技術指導。