金属材料微观组织演变计算方法及在热成型中的应用

发布时间：2020-02-20 15:01

【摘要】：金属薄板热冲压成型技术是一种应用广泛的热塑性加工工艺,其主要应用于汽车车身,航空航天,装备制造等零部件生产中。其中,热成型零件的最终微观组织构成和成型尺寸精度将决定零件的宏观使用性能,准确的微观组织演变预测和加工变形预测对成型工艺的设计至关重要。微观组织演变传统的计算方法都是基于等温转变曲线(Time-TemperatureTransformation TTT)数据和叠加原理,这对部分材料微观组织演变计算有效。而对于热冲压用高强硼钢(22Mn B5),其在慢速冷却情况下,有多种微观组织产生,对应的等温转变孕育期非常短,且难以测得,而相变孕育期对相变开始的判断和相变过程计算影响很大,传统的计算方法对于这类材料和加工工艺仿真计算精度不高。因此,对于热冲压过程仿真模拟,提高传统组织演变计算方法的计算精度,寻求新型组织演变计算方法,并将组织演变计算模型运用到热冲压仿真计算中去,探索组织演变对热冲压仿真计算的影响,对于提高热冲压工艺仿真计算的精度有重要的工程意义。本文立足于数值计算方法,在金属材料组织演变数值计算方面,展开了组织演变传统的计算方法研究,并在前人研究工作基础上,发展了组织演变新型计算方法;在金属材料加载下力学响应数值计算方面,基于热处理变形实验和仿真计算,展开了涉及组织演变的力学响应模型的研究;最后,利用本文所建计算模型,分析和讨论了实际的热冲压成型仿真计算过程。本文完成的研究内容如下所示:(1)以热冲压成型用高强硼钢(22Mn B5)为实验研究材料,基于实验测试结果,计算得出了扩散型相变的孕育时间;并在特殊温度范围,设置了铁素体和贝氏体相变虚拟孕育时间,通过求解连续等速冷却过程,确定了虚拟孕育时间;基于传统的组织演变计算方法,在模型中考虑了相变孕育期对组织演变计算过程的影响,编写了材料组织演变计算子程序(USDFLD),计算了高强硼钢在冷却过程中组织演变过程。最后,本文开展了高强硼钢端淬实验,对比实验和仿真结果表明:孕育时间对相变过程的计算作用很大,且计算模型能很好的预测高强硼钢任意冷却路径冷却后的组织和硬度分布。(2)基于连续冷却转变(Continuous Cooling Transformation CCT)曲线数据,构建并发展了微观组织演变参数反求计算方法和直接求解任意冷却过程的广义计算方法。通过反求计算,获得等温转变动力学参数,基于所求的等温转变动力学参数,能利用传统的组织演变计算方法,计算任意冷却路径的相变过程;对于广义计算方法,提出了相变孕育贡献系数概念,其考虑了实际冷却过程中当前温度和当前冷却速度对广义计算的影响,提高了模型计算精度,同时建立了相变过程广义计算方法。最后,基于单相贝氏体钢G17GrMo9-10为实验材料,实验验证了上述两种计算方法,结果表明:反求计算方法所计算出的等温转变动力学参数和实验所的参数吻合较好,对比前人所述计算模型,本文所述反求计算方法计算精度更高;对于广义计算方法,相变孕育贡献系数对广义计算过程作用很大,且任意冷却路径下相变过程能用广义计算方法计算获得。(3)考虑微观组织演变的影响,建立了涉及相变的力学响应计算模型。利用热处理变形实验验证了计算模型,并讨论了四类计算参数对变形计算结果的敏感性影响。研究结果表明:热物性参数的改变对热处理变形计算结果影响不大;低温范围应力应变曲线对计算结果影响不大,但高温应力应变曲线对热处理变形计算结果有很高的敏感性;空冷不引起塑性变形,进而不会导致热处理变形,对于油冷和水冷,热处理变形大,且其界面换热系数值对计算结果敏感性很大;对于相变相关参数,特别是相变塑性,对热处理变形计算影响很大,其数值对计算结果也有很大的敏感性。(4)最后,本文所建计算模型运用到了热冲压仿真计算中,一方面建立了微观组织演变定制热冲压计算模型,分析了四种工艺参数对组织分布计算结果的影响;另一方,讨论了相变和相变塑性对热冲压回弹和残余应力计算的影响,同时分析了热冲压工艺参数对上述两种指标计算结果的影响。研究结果表明:对比实验结果,本文所述微观组织演变计算方法较传统组织演变计算方法精度要高;模具的温度,界面换热系数和相变潜热对定制热冲压成型的计算有很高的敏感性;相变和相变塑性参数对热冲压回弹和残余应力计算的影响很大。
【图文】：

汽车车身,热冲压,成型零件,汽车车身

汽车车身中热冲压成型零件的主要应用

硼钢,热冲压,力学属性,新日铁

图 1.2 高强硼钢（22MnB5）力学属性国外企业，，如韩国的浦项钢铁，日本的新日铁钢铁等，也可以硼钢。随着国内各大钢铁企业在热冲压用钢研究上的积极投入（B1500HS,BR500HS），湖北武钢(WT1300HF)，辽宁鞍钢(AC15硼钢，已经开始逐步取代进口热冲压用硼钢，大大减小了国内
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.1;TG306

【参考文献】