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原文传递高性能硼钢热冲压成形及Al-Si镀层开裂失效行为研究

论文题名：	高性能硼钢热冲压成形及Al-Si镀层开裂失效行为研究
关键词：	汽车工程;高性能硼钢;热冲压成形;镀层板;开裂失效行为
摘要：	近年来，随着能源危机、石油价格不断上升以及地球温室效应加重，在汽车领域，整车向轻量化、高性能、安全、节能、降耗的方向发展。高性能硼钢热冲压成形工艺（简称热冲压）是将传统热处理（淬火）及冷冲压成形相结合的专门用于获得超高强度冲压件的先进制造技术，在达到汽车减重和降低燃耗目的的同时满足了碰撞安全性要求，现已成为汽车制造领域的热门技术。　　本文针对热冲压工艺及材料特点，对热冲压模具设计、镀层板热力学性能、Al-Si镀层开裂失效及镀层中裂纹对最终零件疲劳性能的影响等方面进行了研究。　　（1）以某款汽车前保险杠为对象，设计了其全尺寸热冲压模具。结合生产实践，采用逆算法对板坯形状进行了优化设计；通过数值模拟和工艺试验验证模具和板坯形状设计的可靠性；监测冲压过程中板料和模具型面的温度变化，并对获得的热冲压零件进行微观组织、力学性能及尺寸精度的检测。接触状态对热冲压成形的影响更加显著。非均匀接触和温度分布是影响高性能硼钢板成形的主要因素。在保证板料临界冷却速率的前提下，提高模具温度有助于降低冲压载荷和稳定淬火温度。　　（2）通过等温热拉伸实验（变形温度700–850℃，应变速率0.01–1/s），比较了无镀层裸板和带Al-Si镀层硼钢的热力学性能。实验表明，Al-Si镀层对热冲压硼钢板的力学性能产生了不可忽视的影响。当应变速率为0.01/s和0.1/s时，带Al-Si镀层和无镀层硼钢的抗拉强度基本相等；而当应变速率升高到1/s时，二者抗拉强度的差异变得显著，且在低变形温度条件下更为突出。此外，在相同应变速率下，二者抗拉强度的差异随着变形温度的降低而增大。在所采用的变形条件下，带Al-Si镀层硼钢板试样的延展性均低于无镀层裸板试样。同一应变速率下，均匀伸长率的差异随着变形温度的降低而增大；应变速率的增加也会导致该差异增大。　　（3）研究了Al-Si镀层在热变形过程中的开裂和剥离行为（变形温度700–800℃，应变速率0.1/s，预应变1％，2％，5％，10％，15％，25％，30％，断裂），并提出了裂纹扩展的模型。实验表明，在奥氏体化阶段，由于热应力和扩散效应的作用，Al-Si镀层内部形成了微裂纹和扩散孔隙。在冲压成形阶段，拉应力导致镀层微裂纹沿垂直于镀层/基体界面，即路径Ⅰ生长，形成Ⅰ型垂直裂纹，破坏了镀层的完整性；随着变形量的增加，在镀层/基体界面处的剪应力作用下，裂纹转向平行于界面方向扩展，即路径Ⅱ，形成Ⅱ型界面裂纹。Ⅱ型裂纹导致镀层沿着基体剥离，但镀层仍能附着于基体表面，没有发生剥落。裸露的基体氧化并被FeOx覆盖，降低了镀层的粘附力。此外，开裂失效行为与镀层内的化合物相关。　　（4）提出了抑制Al-Si镀层裂纹扩展和剥离的方法。通过控制奥氏体化参数，即提高奥氏体化温度或延长保温时间，可促进镀层中富铁Fe-Al化合物的转变，从而提高镀层的断裂韧性。此外，Al-Si镀层中微裂纹的密度随着奥氏体化温度的升高和保温时间的延长而降低，有效减少了裂纹萌生的位置。　　（5）Al-Si镀层裂纹的宽度和密度随着变形温度的降低以及应变速率的升高而增加。在进行镀层钢板的热冲压成形时，变形温度应高于750℃，应变速率应低于0.1/s。　　（6）通过无切口光滑试样获得了淬火硬化后Al-Si镀层板的极限疲劳强度，约为1000MPa。尽管切口表面质量高，试样表面Al-Si镀层中的裂纹将成为疲劳裂纹源点，降低了热冲压后板料的疲劳极限。此外，硼钢基体中的夹杂物颗粒也是疲劳失效过程中裂纹萌生的源点。
作者：	桂中祥
专业：	材料加工工程
导师：	张宜生
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文