基于性能定制的超高强度钢板一体化成形技术基础研究

Developing a new generation car body parts with tailored properties is an urgent problem to be solved in automobile industry. For this purpose, basic theories and key technologies of resistance heating - forming - partial quenching integration process of ultra high strength steel will be further studied to obtain car body parts with tailored properties. The content mainly includes: temperature controlling theory of blank resistance heating based on flexible multi-point pressure; forming mechanism of couple fields, heat transfer principle and multi-phase transformation kinetics with different cooling paths in different regions based on mold temperature control of district heating and cooling; influences of partial quenching on tailored mechanical properties and microstructures, etc. Some key problems in integrative technology such as uniform temperature distribution of blank in resistance heating and accurate controlling of phase transformation and temperature with different cooling paths will be solved. Moreover, innovation theories and technologies will be developed to obtain the basic theories and methods of resistance heating - forming - partial quenching integration process. The results of this project will provide a new product mode for car body parts with tailored properties. The new mode not only guarantees fast, efficient, low cost processing, but also realizes quality stability and precision distribution of microstructure and mechanical properties. The implementation of this project will pave the way for producing car body parts with tailored properties.

研制新一代具有定制性能的车身零件是目前汽车工业迫切需要解决的问题。为此，本项目将深入研究用于加工具有定制性能车身零件的超高强度钢板电阻加热-成形-局部淬火一体化工艺的基本理论与关键技术，包括：基于多点柔性施压的电阻直接板料加热温度控制理论，基于模具分区加热与冷却温度控制的多场耦合成形机理及多区域不同冷却路径下的热交换原理与多组织相变动力学机制，局部淬火对零件的组织与性能拼接的影响规律等主要任务。重点解决电阻直接板料加热温度分布均匀性及基于不同冷却路径下材料的组织与温度精确控制等关键问题。在现有基础之上，研究开发自主创新的理论与技术，得到超高强度钢板电阻加热-成形-局部淬火一体化加工的基本理论与方法。本项目所完成的研究成果将为具有定制性能的车身零件的加工提供新的模式，在保证快速、高效、低成本的同时，又能实现成形质量的稳定及成形件组织与性能的精确分布，为该技术的工程应用扫清障碍。

随着当今社会对汽车工业节能减排与碰撞安全性要求的日益提高，传统的单纯具有高强度、低塑性的车身零件已无法满足汽车工业的发展需要，研制新一代的具有定制性能的车身零件正成为汽车工业亟需解决的问题。电阻加热-成形-局部淬火一体化加工方式能克服目前的冷冲压成形无法加工高强度零件及热成形整体淬火仅能得到单一高强度低塑性零件的局限性，能获得好的成形效果。基于此，本项目主要进行电阻直接高强钢板加热热冲压技术及板料温度控制理论；无形变不同模具温度条件板料与模具的热交换原理及相变动力学；大变形条件热成形-淬火机理与变冷却路径零件组织性能拼接三个方面的研究。.首先，获得材料电阻加热温度控制模型，相比于加热炉加热，电阻加热后的材料均匀延伸率由10%增加到16%，其抗拉强度由1496MPa增加到1573MPa。其原因为极高的加热速度使奥氏体晶粒来不及长大，淬火后得到细小的马氏体组织；通过无形变条件下不同模具温度淬火实验研究，提出基于有限元分析-反向优化的界面换热系数确定方法；淬火研究结果表明，硼钢加热淬火后主要的组织为马氏体、贝氏体及铁素体，随着模具温度由室温升高至450℃，马氏体含量由83.02%降低至39.35%，贝氏体含量由15.86增加至52.46%，表现为零件抗拉强度由1454MPa降低至963MPa，延伸率由6.6%升高至7.9%，断裂方式也由脆性断裂逐渐演变为韧性断裂；U形件分区变冷却路径的成形-淬火实验研究结果表明，零件的冷区与热区分别获得不同的淬火组织，冷区主要为马氏体，其抗拉强度及断裂伸长率随着模具温度的升高无明显变化，维持在1370MPa以上，热区组织随模具温度的升高，马氏体含量下降，贝氏体含量增加，抗拉强度显著降低，而伸长率不断提高，当模具温度达到500℃时，其抗拉强度降到最低730MPa，而伸长率达到最高13.41%。当模具温度升高到400℃及以上时，出现粒状贝氏体的大块区域，产生的原因是板料在模具温度为400℃以上成形淬火后，所得到的U形件热区温度依然较高，由于马氏体转变温度范围为375～325℃，板料中大部分奥氏体组织还未发生转变，在空气中自然冷却时出现粒状贝氏体组织。上述研究结果表明，通过模具分区温度控制的方式以得到硼钢不同的淬火冷却速度，最终得到不同的微观组织及力学性能，实现零件的定制属性的方法是完全可行的，且具有良好的实际效果。