模具初始溫度對高強鋼厚板熱成形的影響

鄭秋曈，王 敏，張寒冰

（湖北汽車工業學院，湖北 十堰 442000）

1 前言

在汽車工業中，節能、環保、安全一直都是如今汽車發展中的主要問題，而高強鋼的使用成為汽車行業的一個重大轉折點，高強鋼熱成形成形技術不僅能實現減重的作用，還能增加汽車防撞的安全性。為此，各大鋼鐵公司、汽車制造廠商以及國內外的部分大學紛紛開始了高強鋼板的熱成形成形技術的研究。高強鋼熱成形淬火過程中，板料金屬發生的微觀組織轉變是其強度提升的主要因素。為此，研究鋼板在熱成形淬火過程中的微觀組織分布及演變，對于獲得理想力學性能的汽車構件具有重要意義。

Etienne.J.F.R.Caron等[1]通過研究發現成形件在模具中發生淬火時的冷卻速度可以通過改變換熱系數來實現，通過對硼鋼板Usibor1500P的研究，發現在成形階段，換熱系數會因為板料和模具的溫度而發生變化，在保壓淬火階段，換熱系數只受保壓力的影響。

Tekkaya等[2]提出采用不同的軟件對力學和熱學現象分別進行模擬，使兩者在每步計算之后進行數據傳遞以實現熱力耦合計算，利用該方法可節省約20%的機時，但兩種軟件之間有限的數據傳遞會影響計算精度。Zhu B等[3]以22SiMnTib為研究對象，基于ABAQUS和MATLAB軟件開發一種新的多物理場耦合計算平臺，對熱成形成形的全過程進行了數值模擬，對U形件的淬火進行了熱成形工藝分析，并對U形件的相變進行了研究。

王敏等[4]研究了沖壓速率對高強鋼熱成形馬氏體相變的影響。創建U形梁的熱-力耦合三維有限元模型，通過研究不同沖壓速率下馬氏體的平均轉化率和分布的均勻性，來探索在其他條件不改變的情況下其對高強鋼熱成形馬氏體相變的影響。

然而，上述研究的對象多是高強鋼薄板，目前針對厚板熱成形的研究鮮有報道。隨著節能減排法規的日益嚴苛，厚板熱成形技術在商用車輕量化領域的應用日趨廣泛。為此，本文以6mm厚的22MnB5鋼板為研究對象，建立其熱成形淬火過程的有限元模型，研究揭示模具初始溫度對厚板熱成形過程馬氏體相變的影響規律。

2 高強鋼厚板熱成形淬火過程有限元模型

基于ABAQUS建立了平板熱成形過程傳熱模型，如圖1所示。考慮到幾何和載荷的對稱性，只建立1/4模型。為了提高計算效率，將模具內部遠離冷卻水道的部分挖空。22MnB5的熱力學屬性和溫度/應變率相關的流動應力取自文獻[5]。在板料與上模和下模之間分別定義接觸對,采用庫侖摩擦模型，摩擦系數為0.4[6]。自主開發了平板淬火實驗系統，基于反傳熱法反演了板料－空氣對流換熱系數和不同接觸壓力下板料－模具界面換熱系數，如表1所示。選用八節點六面體溫度-位移熱耦合的減縮六面體單元。

圖1 厚板熱成形四分之一有限元模型

表1 板料與環境的換熱系數

2.2 馬氏體相變過程有限元建模

采用Koistinen-Marburge馬氏體相變動力學模型計算馬氏體轉化率Xm[7]，公式如1所示：

式中：Xa為馬氏體相變前殘余奧氏體的體積分數，假設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，T為板料的瞬時溫度，Ms為馬氏體轉化起始溫度，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鋼厚板熱成形淬火過程有限元模型中，實現了馬氏體組織演變的模擬[9]。

3 模具初始溫度對厚板熱成形的影響

3.1 溫度分布

淬火參數如板料入模溫度為900℃，保壓力為40MPa，保壓時間為30s等參數保持恒定，選取馬氏體轉變結束時刻，來研究模具溫度對高強鋼厚板熱成形影響規律。模具初始溫度選擇20℃、40℃、80℃三個參數。不同模具初始溫度的板料在馬氏體轉變完成時刻如下圖2所示。馬氏體停止轉變時間在模具初始溫度為20～40℃是保持不變，之后馬氏體停止轉變時間隨模具初始溫度升高而增加。其原因可能是模具初始溫度為40℃以下，對板料發生馬氏體轉變時板料的冷卻速率影響小。模具初始溫度為40℃以上時，降低了板料發生馬氏體轉變時板料的冷卻速率，因此板料馬氏體轉變停止時間增長。

圖2 不同模具初始溫度的板料在馬氏體轉變完成時刻

不同模具初始溫度的板料在馬氏體轉變完成時刻板料的溫度云圖如圖3所示，從圖3中可知，不同模具溫度下板料的馬氏體轉變結束時刻的溫度分布趨勢是大致相同、從平面表現出中間溫度高、從中間到邊緣的溫度逐漸降低、邊緣四角的溫度為最低溫度。這是因為板料邊緣可以和空氣流動發生換熱也可以與模具發生換熱較中間的板料只能和模具發生換熱的冷卻速率快，因此從平面上看中心溫度高，四周溫度低。從厚度方向看，表面即與模具接觸面的溫度低，板料厚度中心溫度高。從溫度云圖預測馬氏體轉變趨勢為，平面方向上中間馬氏體轉化率低，到周圍馬氏體轉化率逐漸增高，到四角馬氏體轉化率最高。從厚度方向中心馬氏體轉化率低，到上下表面馬氏體轉化率逐漸增高。

最高溫度及最低溫度隨模具初始溫度變化圖表如圖4所示。由圖4可知，在馬氏體不再發生變化時刻，板料的溫度隨模具初始溫度的升高也有著小幅度的增高。由于模具初始溫度越大，而板料的初始溫度不變，傳熱過程隨著時間變化就會變慢，板料溫度的變化也不會有大幅度的下降，輻射和對流的影響會使板料的溫度小于兩者的均值。從最高溫度與最低溫度的差值來看溫度分布的均勻性受模具初始溫度的影響不太明顯。

圖3 馬氏體停止轉變時刻不同模具初始溫度下的板料溫度分布云圖

圖4 馬氏體停止轉變時刻的板料溫度隨模具初始溫度的變化

以板料對稱中心的線為路徑，繪制出馬氏體轉變結束時刻，在不同模具溫度下板料沿厚度方向的溫度變化曲線，如圖6所示。圖5為板料對稱中心處的路徑。由圖6可知，板料整體的溫度隨模具初始溫度的增大而增大。在不同模具初始溫度下，最高溫度在中心區域，并向上下表層遞減。從不同模具初始溫度的板料上看馬氏體轉變結束時刻板料厚度方向上溫度的均勻性，結果三個不同模具初始溫度下的板料厚度方向上溫度的均勻性基本一致。

圖5 板料對稱中心處的路徑

圖6 不同模具初始溫度下板料溫度沿厚度方向的變化

3.2 馬氏體分布

不同模具初始溫度的板料在馬氏體轉變完成時刻的馬氏體轉化率分布云圖如圖7所示，由圖7可知，平面方向上中間馬氏體轉化率低，到周圍馬氏體轉化率逐漸增高，到邊緣四角馬氏體轉化率最高。從厚度方向中心馬氏體轉化率低，到上下表面馬氏體轉化率逐漸增高。

馬氏體最大與最小轉化率隨模具初始溫度的變化如圖8所示。由圖8可知，在馬氏體不再發生變化時刻，馬氏體的最高轉化率和馬氏體的最低轉化率隨模具初始溫度的升高而降低。由于模具初始溫度的升高，板料在成形時冷卻速率較低，導致板料在可能在達到最大冷卻速率時溫度還未達到馬氏體轉變溫度376℃，進而馬氏體轉變量減小，馬氏體轉化率隨之降低。從最高馬氏體轉化率與最低馬氏體轉化率的差值來看，在模具初始溫度為20～50℃時，馬氏體的分布均勻性較好；50℃之后差值的有小幅度增加，說明馬氏體分布的均勻性逐漸變差。

從厚度方向看，由圖9可知，板料的馬氏體轉化率隨模具初始溫度的增大而減小，但在模具初始溫度為80℃時馬氏體隨時間的變化規律不明顯，在靠近中心點周圍出現了小幅度的波動。

4 結論

圖7 板料不同模具初始溫度下馬氏體停止轉變時刻的馬氏體轉化率云圖

圖8 馬氏體最大與最小轉化率隨模具初始溫度的變化

圖9 模具不同初始溫度下馬氏體轉化率沿厚度方向的變化

本次研究的對象為高強鋼厚板22MnB5，建立了厚板熱成形有限元模型，研究了模具初始溫度對厚板熱成形淬火過程中溫度和組織分布的影響，得出結論如下：

（1）模具初始溫度越高，板料的成形溫度有著小幅度的升高，但溫度分布的均勻性受模具初始溫度的影響不太大；隨模具初始溫度的升高，馬氏體轉化率降低，對馬氏體的分布影響不大。

（2）沿板料厚度方向，板料整體的溫度隨模具初始溫度的增大而增大，板料的馬氏體轉化率隨模具初始溫度的增大而減小，但在模具初始溫度為80℃時，馬氏體隨時間的變化規律不明顯，在靠近中心點周圍出現了小幅度的波動。

（3）較低的模具初始溫度有利于馬氏體的轉化。