22MnB5 热变形行为研究及本构方程建立

22MnB5热变形行为研究及本构方程建立

曹淑芬1,2，张立强1,3，李落星1,+

(1.湖南大学 汽车车身先进设计与制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；

2. 湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082；

3. 中南林业科技大学机电工程学院，湖南长沙，410004，中国）

摘要：以22MnB5为实验材料，在500℃-950℃温度范围内和应变速率为0.01/s,0.1/s ,1/s的实验条件下，采用热模拟机Gleeble-1500对硼钢进行热拉伸实验，从而研究不同变形条件下硼钢的热流变行为。总体来说，硼钢的热变形行为属于典型的动态回复型，且流动应力随着温度而降低，随着应变速率的增大而升高，而且温度对流动应力的影响更为显著。然而在温度500℃，应变速率0.01/s的情况下，硼钢高温下的热力学行为与上述规律有所差别，其流变应力高于高应变速率下的应力。对拉断后的试样断面进行组织分析，通过分析和比较，来阐述不同变形条件下硼钢的组织对热流变形为变化的影响。根据高温拉伸试验所得数据，构建22MnB5热变形的本构方程式，从而描述硼钢高温下的热流变行为。

关键词：硼钢；热变形行为；显微组织；本构模型

Study on hot deformation behavior and flow stress constitutive model of 22MnB5 at high temperature

CAO Shu-fen1,2, ZHANG Li-qiang1,3, LI Luo-xing1,+

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body , Hunan University,

Changsha,, Hunan 410082, China ；

2. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China；

3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry and Technology,

Changsha, 410004, Hunan, P. R. China)

Abstract: Hot tensile tests of 22MnB5 were carried out with Gleeble-1500 at the temperatures varying from 500℃to 950℃ and at the strain rates of 0.01/s,0.1/s ,1/s to study its hot deformation behavior at high temperature. Generally, the mechanism of hot deformation of 22MnB5 belongs to dynamic recovery and the flow stress decreases with the increase of temperature and with the reduction of strain rate and the influence of temperature is more obvious than it of strain rate. However, the flow stress at the temperature of 500℃ and at the strain rate of 0.01/s is higher and the result seems a little different to the above law. Afterwards, microstructure analysis of the cross section of specimens was conducted to clarify the relationship between microstructure and hot deformation of boron at different conditions. In addition, constitutive model was established to represented the behavior of hot deformation of boron steel at high temperature.

KEY WORD: boron steel; hot deformation behavior; microstructure; constitutive model

0 引言

目前，为了实现汽车轻量化的需求，高强度钢充分发挥其强度潜力，成为汽车用钢发展的主要趋势[1]。但是高强度钢在成型过程中存在着变形抗力大，塑性小，回弹等问题，阻碍其在汽车行业的应用。近年来出现高强度钢的热冲压成型工艺有效的解决上述问题，优化了高强钢的成型性，并且提高了冲压件尺寸精度，成为实现汽车轻量化的重要途径[2]，在汽车内覆盖件零件中得到大量应用，如车门防撞杆、保险杠加强梁、A、B、C柱、门框加强梁等[3]。

随着高强度钢近几年在汽车领域应用不断推广，硼钢的热冲压成型工艺也已成为国内外研究人员关注的焦点。硼钢的热冲压属于热成型工艺，其在成型过程中经历了温度，应力应变和组织三者的变化，他们之间相互作用和耦合，从而影响热成型件的性能。在硼钢热冲压过程的热力学行为研究中，通过逐一表征上述三者中两两要素之间的耦合关关系，从而实现对三者耦合关系的全面描述。图1阐述了在热成型过程中温度，应力应变和组织的两两耦合关系[4]。此外，硼钢热冲压过程影响因素很多，如硼钢奥氏体化参数，冷却速度等。所以，研究不同工艺参数下的热冲压过程，探索工艺参数对硼钢热变形行为和组织的影响具有重要的现实意义。Malek Naderi在其博士论文中研究了不同硼钢的最优奥氏体化参数，以免温度过高或保温时间过长，发生奥氏体晶粒粗化；或是温度过低或保温时间过短，组织不能完全奥氏体化，从而影响冲压件强度[5]。文献[6]指出22MnB5薄板加热到950℃并保温3分钟，可获得马氏体含量最高的热冲压件，此时强度可达到最大值。唐志勇等人[7]从冷却速度着手，探索了热冲压过程中在不同冷却速度下硼钢27MnCrB5组织和力学性能的变化，从而得到该钢热冲压过程最适合的冷却速度。文献[8]给出22MnB5的临界冷却转变速度为30K/s，并且阐述了硼钢在冷却速度为80 K/s的情况下，22MnB5的热流变行为与轧制方向，温度和应变速率的关系。M. Naderi等人在文献[9]中建立了22MnB5硼钢在等温变形过程中的流动应力和温度及应变速率之间的本构关系，并且比较M-R和VOCE-KOCK两种本构模型，定量描述硼钢高温下的流动应力，为模拟硼钢的热冲压成型工艺做好铺垫。此外，文献[10]采用数值模拟与试验相结合的方法研究了防撞梁热冲压成形工艺，从而优化了成型工艺参数，为热冲压过程参数的选择提供了可靠的依据。

图1 温度-组织-应力三者之间的耦合关系

然而，之前对高温下硼钢热变形行为的研究都未对其组织进行观察，不能直观反映温度和应变速率对流变行为的影响规律。因此，本文基于22MnB5材料，研究硼钢在不同条件下的热变形行为，通过分析硼钢热模拟实验中不同工艺参数下组织的变化，从而探索成形参数对硼钢热力学性能的影响规律。此外，利用包含Zener-Hollomon因子的蠕变方程构建22MnB5热变形的本构方程式，进一步描述硼钢高温下的热流变行为。

1 实验

本文实验采用的材料是常见热冲压用钢22MnB5，厚度为1.2mm,且表面有Al-Si涂层。该钢原始组织为均匀的铁素体和珠光体，呈轧制态。热拉伸试样的尺寸如图2所示，标距为30mm。利用热模拟试验机Gleeble-1500对22MnB5钢进行高温拉伸实验来分析其在高温下的热流变行为。等温拉伸实验温度分别为500℃，650℃，700℃，800℃，900℃，950℃，应变速率为0.01/s，0.1/s和1/s。试样夹持好后，通过夹具的传导实现电阻加热以及冷却。热拉伸时，首先以15℃/s的速率加热硼钢至950℃，保温3分钟，以获得均匀的奥氏体组织．然后以30℃/s的速度快速冷却到所需的变形温度，并保温5s，使试样温度均匀，以消除试样内的温度梯度。随后再以不同的应变速率进行等温拉伸试验，直至拉断。其中，由于常规的