热冲压硼钢板基因的选择性表达及其在力学性能预测中的应用

Hot stamped part with tailored mechanical properties is a perfect research object for full using of material properties, geometries and performance control in metal forming field. It is of significance to the controlling of geometries and mechanical properties of parts, forming theories and its controlling techniques. In this proposal, the gene idea and its selective expression are first introduced into the hot stamping area. The chemical composition are defined as the gene of boron steel, and the mechanical properties are assumed to be the biological traits of boron steel. Through research the effects of phases in hot stamped parts with tailored mechanical properties (such as martensitic, banitic and ferritic) and grain size on the mechanical properties of the hot stamped parts, the relationship model between gene of boron steel and its mechanical properties will be established. Based on relevant experimentals, the effects of initial temperature and surface condition of steel sheet, stamping velocity and deformation amount on the temperature histories of steel sheet and the selective expression of boron steel gene in the forming process, the mechanical properties of hot stamped parts will be studied to build up the temperature analysis and controlling model of the temperature and mechanical properties transition zone on steel sheet, constitutive model of boron steel based on the selective gene expression. Based on the research on phase transformation kinetics models of martensitic, banitic and ferritic, the mechanical properties of hot stamped parts will be predicted.

硼钢板力学性能梯度热冲压零件是金属成形技术中材料性能的有效利用以及控形、控性的一个很好的研究对象，对金属材料的控形、控性乃至成形、成性技术及理论研究具有重要的意义。将基因与基因表达的思想和方法引入热冲压领域，以化学元素作为硼钢板的基因，硼钢板力学性能为基因选择性表达所表现出来的性状，研究硼钢板力学性能梯度零件热冲压马氏体、贝氏体、铁素体、相、晶粒度等对成形后零件力学性能的影响规律，建立硼钢板基因与力学性能的关系模型。结合相关实验，研究板料初始温度及表面状况、冲压速度、变形量等对板料在冲压过程中温度变化历程的影响、冲压过程中硼钢板基因的选择性表达以及冲压成形后零件的力学性能梯度等，建立基于硼钢板热冲压基因选择性表达的本构模型、力学性能及温度过渡区的板料温度控制解析模型，结合力学性能梯度零件热冲压马氏体、贝氏体及铁素体等多种相变的相变动力学模型，实现硼钢板力学性能梯度热冲压零件的力学性能预测。

硼钢板力学性能梯度零件热冲压工艺的研究对热冲压局部控性核心技术的掌握具有重要的意义。本项目根据基因选择性表达的思想和方法，研究了硼钢板的微观组织（基因）在不同的热冲压工艺参数下表现出不同的成形性能和最终力学性能（基因的选择性表达），并将该研究成果体现于热冲压力学性能梯度零件的设计中。项目通过热膨胀试验研究了冷却路径对硼钢板相变过程的影响，结合变形对硼钢板组织演变的影响，建立了考虑高温变形参数的马氏体相变动力学方程，以及考虑相变开始温度与连续冷却过程中铁素体和贝氏体的变温相变动力学方程，从而实现了基于工艺参数的硼钢板相组成控制。从晶体结构出发，推导了基于Oyane韧性断裂准则和Logan-Hosford屈服方程的硼钢板成形极限预测模型。结合高温拉深试验，研究了相组成、晶粒尺寸及工艺参数对硼钢板高温拉深性能的影响规律。建立了基于晶粒尺寸的硼钢板表面粗糙度演化模型。提出了基于相比例、应变速率和应变量的改进Katsuro Inoue本构模型。建立了基于加热温度和保温时间的硼钢板晶粒长大模型，获得了马氏体晶粒尺寸对硼钢板延伸率、屈服及抗拉强度的影响规律。从相组成和晶粒尺寸两个方面提出了热冲压零件力学性能的控制要求。以U形件模具为研究对象，分析了模具温度和不同温度模块间的安装间隙等对硼钢板温度变化历程及其分布的影响。以力学性能梯度B柱为研究对象，建立了基于相比例和零件结构参数的力学性能梯度B柱的碰撞动力学经验公式，提出了性能驱动的力学性能梯度B柱的设计方法。本项目从基因选择性表达的角度，对热冲压成形过程中奥氏体向铁素体、贝氏体和马氏体的组织演变及其与硼钢板的高温成形性能及最终力学行为等关系进行了研究，为热冲压零件的设计、制造及其力学行为的控制提供了理论基础。项目在国内外核心期刊和会议发表署名本课题资助的论文16篇，其中SCI/EI双收录8篇，单独EI收录3篇，北大中文核心期刊论文5篇。出版3部专著《金属板材热辅助塑性成形理论》（2014）、《超高强度硼钢板热冲压成形技术》（2017）、《硼钢板热冲压零件的力学行为控制与设计方法》（2017，出版中）。举办国际会议1次（1st Sino-German Workshop – New challenges in Processing and Modeling of Lightweight Metals），参加国际国内会议13次。