高强钢热冲压成形微观组织演变多尺度模拟研究

High-strength steel hot stamping is an effective means to achieve lightweight vehicles. The volume fraction and morphology of martensite determines the strength and ductility of the final part. How to control the martensite transformation is the key scientific issues and technical difficulties of hot stamping. The project intends to commence the process of hot stamping multiscale simulation. At first, the effect of stress on the martensitic transformation kinetics is studied, then is the effects of martensitic transformation on carbon diffusion. Based on the result, microstructure evolution model of cellular automata method can be built. Finally, coupled with the existing thermal elastic-plastic finite element, the program can be developed to implement the multi-scale simulation for the hot-stamping. Also, experiments and metallurgical analysis will implement to improve the accuracy and verify the calculation result. The coupling mechanism of microstructure and temperature field and stress field will be given with this system. The results from this project can provide the scientific guidance and technical support for the controlling the morphology of the microstructure, high-strength and high-plastic part will be obtains to achieve lightweight vehicles.

高强钢热冲压成形是实现汽车轻量化的有效手段，成形后获得的微观组织形貌决定了零件的性能。如何调控微观组织演变是提高热冲压零件强度与塑性的关键。本课题拟对热冲压成形过程中的微观组织演变展开多尺度模拟研究。以马氏体相变动力学为基础，研究奥氏体形变对马氏体形核、长大的影响；探究马氏体相变过程中碳由马氏体向奥氏体扩散的机制，进而构建描述成形过程微观组织演变的元胞自动机法模型，探索该模型与宏观热成形温度场应力场有限元模型相耦合的计算方法，实现热成形多尺度耦合模拟。通过热成形试验以及微观组织检测实验，校正并完善计算模型，阐明微观马氏体相变与宏观温变形变的耦合作用机制，揭示热成形过程组织演变规律，作为定量化调控热成形零件微观组织，预测力学性能的理论基础。本研究可为优化工艺参数，提高零件强度与塑性提供技术支持。

热冲压高强度钢零件由于成形性好、回弹量小而强度高，是提高汽车安全性能同时减轻汽车重量的有效途径，在汽车行业越来越普及。本项目对高强度钢汽车零件加工过程中微观的组织演变和宏观的力学性能展开了模拟研究，并进行了试验验证。首先，在gleeble热模拟试验机上设计了试验，研究了形变对马氏体转变开始温度（Ms）的影响，发现应变可以提高Ms温度，而且形变发生温度越高，Ms温度也越高，无变形时某型号高强钢Ms为375℃，800℃施加变形Ms提高到407℃；之后基于leblond模型和Mises屈服准则，考虑了马氏体相变产生的相变塑性、体积膨胀和热应变，推导了耦合马氏相变的本构公式，开发了vumat子程序，用于热冲压成形温度场-应力场-组织场耦合模拟，并设计了不等温拉伸试验对模拟结果进行了验证，发现耦合相变的本构模型可以明显的提高试样几何形状的计算精度；重点研究了QP（quenching& Partitioning）热冲压过程中的组织演变，考虑奥氏体/马氏体之间的界面迁移，以化学势作为配分过程碳由马氏体向奥氏体中扩散的驱动力，推导了相关公式，实现了碳浓度的计算，结合描述马氏体相变的Koistinen–Marburger公式，完成了最终残余奥氏体含量的预测。依照计算模型，编制了程序，对QP热冲压过程进行了分析，研究了淬火温度对最终残余奥氏体含量的影响，通过模拟发现随着淬火温度的增加，残余奥氏体含量先增加后减小，当淬火温度达到290℃时，配分20s后，碳浓度分布基本稳定，最终残余奥氏体含量最高。利用带温控装置的模具，进行了QP热冲压试验对模拟结果进行了验证，发现淬火温度290℃时，残余奥氏体含量最高可达11.2%，此时零件延伸率达到13.77%，强度为1413MPa，强塑积为19.46GPa·%，对比传统热冲压零件（强塑积约9·%=1500MPa·6 %）性能明显提升。最后，还利用有限元模拟研究了Al-Si镀层板热冲压零件应变与其微裂纹的种类及分布间的关系。本课题的研究可为开发新型的QP热冲压工艺，保障高强钢热成形零件质量，提高强塑积，提供理论支持及技术指导。