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[热成形钢] PHS1500热成形钢高温变形行为及其本构关系

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发表于 2020-5-29 14:00:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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PHS1500热成形钢高温变形行为及其本构关系

周明博1,2 李伟2 王新宇2 唐景林3

(1.天津大学,天津 300300;2.中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司,天津 300300;3.燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点试验室,秦皇岛 066004)

【中国汽车材料网】摘要:通过热模拟拉伸试验研究了PHS1500热成形钢在600-800℃、0.001 s-1-1 s-1条件下的高温变形行为,以SELLARS模型理论为基础,建立了流变应力本构方程。分析高温应力-应变曲线表明,在高的应变速率和低的变形温度条件下,变形机制以加工硬化为主,峰值流变应力较大;在较低的应变速率及高温下,以动态软化为主,峰值流变应力相对较低。建立了本构模型,通过对比发现,本构方程预测结果与实测值吻合较好。
关键词:PHS1500 本构方程 高温变形 流变应力

1 前言
安全、环保、节能是当今汽车工业发展的三大主题,热冲压成形技术融合了这三大主题,在绿色可发展的道路上贡献着自己的力量[1,2]。热冲压成形[3-5](Hot stamping/Hot press forming)也称为冲压硬化(Press hardening),是近年来出现的一项用于生产汽车高强度钢板冲压零件的新技术,也是实现汽车轻量化生产的关键工艺技术之一。东北大学新研发的PHS1500冷轧退火热压成形钢,成功通过了冲压技术试验,并应用到了国产某品牌轿车上。
PHS1500热成形钢属于高强硼钢,国内外学者对于高强硼钢的冷却过程组织转变[6,7]、奥氏体化工艺[8,9]、热成型性能[10]、热成形过程模拟与工艺优化[11-13]等方面进行了深入研究。高温热变形流变力是材料在热加工过程中的最基本性能之一,在塑性加工工艺优化、金属塑性加工的机械设计研究中,也是非常重要的参数[14,15],对材料热成形参数制定及优化等有着重要意义。材料本构关系模型是塑性变形过程数值模拟和模具设计不可缺少的基础理论,材料本构关系模型的计算精度和形式直接影响计算结果和计算速度[16-18]。
本文采用 DIL805变形热膨胀相变仪对PHS1500热成形钢进行单向高温拉伸变形试验,获得高温状态下拉伸试验的流变应力,建立材料本构关系模型,并与试验数据进行对比,验证预测结果的可靠性,为PHS1500热成形钢热冲压数值模拟提供理论基础。

2 试验材料与方法
本试验钢采用本钢生产的PHS1500,其化学成分如表1所示。
表1 PHS1500钢板的化学成分 质量分数,%

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试验首先研究其变形前的过冷奥氏体等温转变行为,采用如图1所示的试验工艺。以20℃/s升温到900℃保温5 min以后,再以冷速20℃/s分别降温到800℃、750℃、700℃、650℃、600℃,保温15分钟后淬火,通过SEM扫描电镜观察微观组
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图1 等温转变工艺图


将试验钢加工成如图2所示的拉伸件,利用DIL805变形热膨胀相变仪试样进行单向拉伸试验,研究其热变形行为,并建立本构模型。具体试验步骤如图3所示。以20℃/s的加热速度升温到900℃,保温5 min,获得尺寸均匀的奥氏体晶粒;冷却至600℃、650℃、700℃、750℃、800℃不同的变形温度,保温1s均热,并按设定的应变速率0.001 s-1、0.1 s-1、1 s-1按顺序依次拉伸至颈缩。
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图2 拉伸试样示意图



3 试验结果及分析
3.1 变形前的微观组织
通过等温转变淬火,获得拉伸变形前后材料的微观组织,可以更深入地分析组织状态对拉伸变形过程中变形的影响。淬火的目的是把热处理过程中的高温相保留下来,以便于观察拉伸前微观组织的状态。由图4分析可知,试验钢过冷奥氏体在不同温度下发生等温转变后的组织有明显差别。等温冷却过程中,当等温温度为650℃和600℃时,都是珠光体,但形貌有明显差异,前者最终组织为典型的片层状珠光体,后者为离散珠光体形貌。当试验钢在700℃发生等温转变后,其组织为铁素体和马氏体及非常少量的珠光体,试验钢过冷奥氏体在700℃等温时发生铁素体转变,分析可知,700℃时奥氏体转变铁素体相变诱发塑性而获得高的延伸率。当等温温度超过750℃时,试验钢等温转变后的组织为马氏体和少量铁素体,铁素体孕育期较长,过冷奥氏体只有少量相变为铁素体,随后的冷却至室温过程中,剩余的大量过冷奥氏体发生马氏体相变,因此最后组织为大量马氏体与少量铁素体混合起来的片层马氏体组织,其中,800℃时,马氏体组织的含量明显高于750℃。
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图3 热变形过程示意图


3.2 应力应变曲线
图5为PHS1500热成形钢在不同应变速率及不同变形温度下的真应力-应变曲线。钢的热流变行为主要以动态回复及动态再结晶两种软化机制为主[19]。从图中可以看出,变形初期,流变应力随应变的增加而迅速升高。这主要是由于高温变形的初始阶段,材料内部位错的增殖及其相互作用的结果,材料内部主要发生加工硬化。随着变形的进行,材料会发生动态回复和动态再结晶,动态软化开始与加工硬化博弈,当达到一定峰值后,变形进入稳定期或略有下降过程,此时,位错产生速率和消失速率大致相等。
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图4 不同温度条件下微观组织SEM图


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图5 不同应变速率及温度下的真实应力-应变曲线


不同的变形条件,流变应力的变化也不同。分析可以发现,材料的流变应力随变形温度的不同变化幅度波动很大。如图5a所示,当应变速率为0.001 s-1、变形温度为600℃时,材料的流变峰值应力为250 MPa左右;同样的应变速率下,变形温度为800℃时,流变峰值应力为70 MPa,下降非常明显。这主要是由于原子的动能增加,临界剪切应力减小,故流动应力降低使材料的临界剪应力减小,温度升高使得合金元素在基体相中的溶解度增加,降低了位错产生的阻力,故流变应力降低;变形温度升高还使材料热激活更加明显,加工硬化得到缓解,从而使得流变应力减小[20]。
在变形过程中,变形抗力会受到变形温度、变形速率及变形程度的影响。图6为拉伸变形量为0.1并淬火后得到的微观组织。在拉伸温度700℃、应变速率0.001 s-1时,流变应力在稳定区,并有下降趋势,从微观组织也反映出有明显的动态再结晶现象(图6a);当应变速率为ε=0.1 s-1和ε=1 s-1时(图6b和图6c),组织形态结构紧密,但未出现纤维状,这从组织上反映了此时主要是加工硬化及部分动态回复的双重作用,在应力-应变曲线上表现为流变应力升高的过程,加工硬化占主导地位,而且变形速率越高,组织结构越紧密,变形抗力也就越大。
在应变量为0.1时,拉伸温度700℃与800℃条件下的微观组织也有一定区别(图6),在拉伸温度800℃时,微观组织主要由马氏体组织组成,这主要是由初始拉伸组织所决定(图4e)。从应力-应变曲线图也反映了不同状态的拉伸组织流变应力值有很大差异。
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图6 拉伸应变量为0.1条件下的微观组织


3.3 本构方程模型的建立
热变形激活能是材料热塑性变形过程中重要的热力学参数之一,材料的高温变形受激活能控制,回复和再结晶与热变形激活能也有直接关系。金属在高温变形过程中,应力的大小受到化学成分、显微组织结构、变形温度T、应变速率ε̇和变形程度ε的影响。本研究根据高温拉伸试验获得的真实应力应变曲线,对幂指数本构方程中材料的强度系数K值和硬化指数n值进行拟合,引入了SELLARS等人提出的双曲正弦模型来描述材料的本构模型[21,22]:
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式中,σp为最大流变应力;n为应力指数;Q为热变形激活能;K、R为气体常数,8.314J/(mol·K);A、α为与温度无关的常数,且α=β/n1。
在PHS1500热成形钢热变形过程中,材料应力随应变的变化而变化,假定A、α、n、β与Q等均为与应变量有关的材料常数,可通过热模拟拉伸试验求得。Z参数(Zener-Hollomom)与ε̇和T两个变量均有联系,因此,Z参数的引用既能简化本构方程关系,也能很好地反映热过程。
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3.4 确立各参数值
联立方程求解,对式(1)、式(2)、式(3)分别取对数:
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解淀粉芽孢杆菌是枯草芽孢杆菌的一个亚种,该亚种DNA中G+C含量、DNA-DNA杂交(仅有15%相同)以及产α-淀粉酶能力均与枯草芽孢杆菌有较大差异,故将该亚种升格为单独的菌种,命名为解淀粉芽孢杆菌。解淀粉芽孢杆菌在代谢过程中能够产生大量的酶类[1],尤其是α-淀粉酶[2];大量蛋白类[3]、脂肽类[4-5]抑菌物质;以及有免疫、抗氧化作用的活性物质,故而受到了国内外的广泛关注。
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将变形条件下的数值分别带入式(5)和式(6),得到的数据汇总绘制出关系图7a和图7b。通过n1和β,由公式得到α=β/n1=0.005 3 MPa-1,代入式(7)中,绘制出1nε̇=1n[s i nh(α σp)]关系图如图7c所示。利用软件进行线性拟合,得到如表2所
可以将流变应力表述为:示数据。
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图7 不同条件下峰值应力与应变速率和温度的关系


根据式(13)绘制1nε̇- 71c9dc340219eb208fe68131fc9c7e50.jpg 关系图如
图8所示,得到如表3所示数据,由此可以得到PHS1500热成形钢变形激活能Q≈288.35 kJ/mol。
表3 各应变速率下截距值

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图8 1n[s i nh(α σp)]与变形温度的倒数之间关系


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表2 流变应力模型的回归分析结果

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3.5 变形激活能的确定
当ε̇为常数时,对公式(4)两边取对数,整理可得到激活能表达式为:
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3.6 本构方程的确定
把以上所得到的各参数值代入式(9)中,可得PHS1500流变应力本构方程为:
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将参数带入式(3)中,PHS1500的本构方程也可表示为:
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3.7 应力预测值与实测值对比
图9为应力模型预测值与实测值的比较,计算时采用的本构模型是式(14)。结果表明,预测值与实测值有较好的吻合度,误差结构小于15%,如600℃温度拉伸时,0.1 s-1后段曲线分离较大,1 s-1有一定分离,其它各温度段曲线平均误差大概在1%-14%之间。因此采用上述模型,可以较好的表达PHS1500钢的高温变形力学行为。

4 结束语
a.通过等温热处理发现,在600℃时,过冷奥氏体的主要转变产物为珠光体,达到750 ℃时,珠光体消失,微观组织中主要含铁素体和马氏体;伴随着温度升高,马氏体的含量也随之增加。
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图9 本构模型预测值与实测值对比


b.当其它变形条件一定时,PHS1500钢的流变应力随应变量的增加逐渐增大;随变形温度的升高而降低,且达到的峰值也随之降低,同时应力-应变曲线也体现了不同拉伸前初始组织的变形抗力也有所不同。在700℃处理后,在拉伸应变速率0.001 s-1条件下,从微观组织观察有明显的动态再结晶现象。
c.双曲线关系能较准确的描述流变应力与温度和应变速率间的关系,得到PHS1500钢的变形激活能约为288.35 kJ/mol。
d.将模型预测值与试验结果进行比较分析,吻合度较好,高温本构模型能够很好地表达PHS1500钢的高温变形力学行为。

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