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基于可淬火硼钢板热冲压成形实验研究

摘　要: 为研究淬火加热温度、保温时间及冷却水流速等热冲压工艺参数对热冲压零件力学性能及微观组织的影响规律，通过在不同工艺参数条件下进行弯曲件热冲压工艺试验，测量弯曲件的力学性能并观察其金相组织。 结果表明，在所设计的模具上可实现高强硼钢热成形零件的有效淬火，热冲压弯曲件的抗拉强度可达到1500MPa以上，主要形成均匀细小的马氏体组织。 确定了热冲压工艺参数的选择范围。
关键词: 可淬火硼钢;热冲压;弯曲件;热冲压工艺参数
使用高强度钢板是实现汽车轻量化的重要途径。 高强度钢板强度高，在常温下冲压变形，易开裂、回弹严重，复杂形状零件冲压成形困难。 目前，一种使用可淬火硼钢板进行热冲压的新工艺可以克服上述难题，并成为世界上很多汽车生产厂商及研究人员关注的热点[ 1， 2 ] 。 热成形工艺主要是利用金属在高温下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降的特点，通过模具使零件成形，同时利用装有冷却系统的模具使钢板成形后在模具中淬火以获得马氏体。 热冲压后钢板的抗拉强度可提高到初始值的250%[ 3， 4 ] 。但目前尚未见有针对热冲压工艺参数对热冲压零件力学性能及微观组织的影响进行研究的报导。 因此，本文使用可淬火硼钢板进行热成形工艺试验，研究了淬火加热温度、保温时间及冷却水流速等主要工艺参数对热冲压件力学性能及微观组织的影响规律。
1　热冲压弯曲试验条件
热冲压弯曲模具简图如图1所示。 材料为硼钢，冲压前抗拉强度为600 MPa。 毛坯宽300 mm，长410 mm，料厚为211 mm。 凸模压下量90 mm， 法兰部分为80 mm。 凸凹模间隙为2135 mm。 所得到弯曲件如图2所示。

图1　热冲压弯曲模具简图

图2　热冲压弯曲零件
热冲压弯曲模具装在改造后的液压机上，并在冲压前进行预热。将可淬火硼钢板在改造的电阻炉中加热到奥氏体区，然后，在装有水冷系统的模具中冲压成形并利用模具冷却淬火。 热冲压后，材料的抗拉强度比热冲压前提高了215倍，达到1500MPa左右，且回弹角度大大减小，不超过2度。 用相同模具进行冷冲压，获得的弯曲件如图3所示。 由图2和图3可以看出，热冲压件的回弹问题不大。 因此，本文将主要研究热冲压工艺对力学性能及微观组织的影响规律

图3　高强度钢板冷冲压件
2　加热温度的影响
将板料加热到不同温度，保温相同的时间，然后迅速进行淬火，将得到的试件进行拉伸实验和金相观察。 由拉伸试验得到的加热温度(θ) - 抗拉强度(σ b )关系曲线如图4所示。 不同加热温度下微观组织见图5。

图4　加热温度- 抗拉强度关系曲线

a） 加热温度为800℃ b)加热温度为850℃

c)加热温度为900℃ d)加热温度为950℃

e)加热温度为1000℃
图5　不同加热温度下的微观组织
由图4可知，加热温度在850～950 ℃时，板料经淬火后抗拉强度均高于1600 MPa，同原始板料相比，抗拉强度提高了215 倍以上。 由图5 可知，加热温度在800～900 ℃时，随着加热温度的升高，淬火后板料的微观组织中马氏体份数逐渐增多，铁素体逐渐减少，从而使板料的抗拉强度逐渐提高。 加热温度在900～1000 ℃，板料淬火后形成的主要是马氏体组织，但随着加热温度的升高，相同时间内形成的奥氏体晶粒越大，马氏体组织逐渐变得粗大，抗拉强度反而降低。为了得到晶粒细而均匀的奥氏体，以便淬火后获得细小的马氏体，并考虑实际热冲压成形时，板料从出炉到开始冲压存在一个短暂的降温过程，因此，加热温度范围可选择为850～950 ℃。
3　保温时间的影响
将板料加热到某一最佳温度，保温不同时间后淬火，并进行拉伸试验和金相观察。 由拉伸试验得到的保温时间( t) - 抗拉强度(σb )关系曲线如(图6)所示。 保温时间与微观组织关系所示。
图6　保温时间- 抗拉强度关系曲线

a)保温时间120s b)保温时间155s

c)保温时间260s d)保温时间300s
图7　不同保温时间下试样的金相组织
由图6可以看出，保温时间在155 s之前，虽然形成的马氏体比较细小，但是由于奥氏体化时间比较短，尚存在一些未转化的铁素体，造成抗拉强度较低。 同样，在保温时间延长到260 s后，由于奥氏体晶粒粗大，造成淬火后获得的马氏体也比较粗大，使抗拉强度下降。 为顺利实现淬火，应保证足够的保温时间，以便全部组织转变为奥氏体，且晶粒不至过于粗大。 可选择保温时间为155～260 s。
4　冷却水流速的影响
采用如图1所示的模具进行热冲压试验，分别改变冲压模具中冷却水流速，在得到的热冲压零件的法兰、底部和侧壁各部位制取试样，进行拉伸实验和金相观察。 同时，利用装在模具上的测温仪测量热冲压零件法兰、底部和侧壁的温度变化，得到了其热冲压过程中的平均冷却速度。 不同冷却水流速( vw )情况下热冲压零件各个部位的抗拉强度(σb )如图8所示。 部分零件的微观组织如图9所示。
由图8可以看出，不通水情况下板料的抗拉强度最低。 随着冷却水流速的提高，弯曲件各部分淬火后抗拉强度迅速提高。 但当冷却水流速超过017 m / s后，弯曲件各部分强度的提高减缓，且弯曲件底部抗拉强度最高，法兰其次，侧壁最低。 这是由于模具结构影响，底部接触最紧密，法兰其次，侧壁存在间隙。 因此，零件的底部冷却速度最快，法兰其次，侧壁最慢。 同时，当冷却水流速超过017 m / s后，受模具材料热物理性能及接触压力影响，模具的传热速率接近或达到饱和，继续提高冷却水流速对提高零件淬火冷却速度作用并不明显。

图8　冷却水流速- 抗拉强度关系曲线
由图9 ( a)可以看出，当没有冷却水冷却时，由于此处的平均冷却速度仅为3315 ℃ / s，热冲压件的侧壁是典型的魏氏组织。 魏氏组织的出现使得钢的力学性能明显降低，因此，侧壁的抗拉强度仅有750 MPa;由图9 ( b)可以看出，虽然此处的平均冷却速度提高到4219 ℃ / s，但底部的金相组织仍为马氏体、上贝氏体及托氏体混合物，抗拉强度提高，但也低于1500 MPa。 这说明模具在不通水的情况下，无法使板料有效淬火。 由图9 ( c) 、( d) 、( e)可以看出，当冷却水流速在017 m / s时，弯曲件的底部和法兰，由于和模具接触良好，冷却速度大于64 ℃ / s，淬火比较理想，得到的组织均为比较均匀的马氏体组织，所以抗拉强度在1500 MPa以上。 侧壁由于模具间隙的存在， 影响了冷却速度， 仅为5314 ℃ / s，淬火不够理想，形成了马氏体与上贝氏体的混合组织，使得侧壁强度不如底部和法兰高。 由图9 ( f) 可以看出， 当冷却水流速为111 m / s时，冷却速度达到7816 ℃ / s，冷却速度最慢的侧壁都是马氏体。 冷却速度更快，抗拉强度更高的顶部及法兰也都是马氏体。 　为了使板料在热冲压过程中有效的淬火，必须对模具进行冷却。 针对这种热冲压高强度硼钢板，在采用目前的模具材料及模具结构的情况下，冷却水流速应高于017 m / s。

a)冷却水流速为0m/s的试件的侧壁 b)冷却水流速为0m/s的试件的底部

c)泠却水流速为0。7m/s的试件的底部 d)冷却水流速为0。7m/s的试件的法兰

e)冷却水流速为0。7m/s的试件的侧壁 f)冷却水流速为1。1m/s的试件的侧壁
图9　部分冷却水流速实验金相照片
5　结　论
1)在所设计的模具上可实现高强钢热成形零件的有效淬火，且主要形成均匀细小的马氏体组织，抗拉强度可达到1500 MPa以上，超过原始板料抗拉强度的215倍以上。
2)高强板热成形零件力学性能和微观组织转变受多个工艺参数的影响，所有工艺参数的制定都应以细化淬火后马氏体晶粒为目标。
3)确定了加热温度、保温时间和冷却水流速等工艺参数的最佳范围。 为使热成形后零件的力学性能最高和马氏体微观组织均匀细小，确定较好的热冲压工艺参数如下:加热温度范围可选择为850～950 ℃，保温时间可选择为155～260 s，冷却水流速应高于017 m / s。

目 录
摘 要 I
Abstract ii
第一章 绪 论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外部分 2
1.2.2 国内部分 3
1.3 本文研究的内容 3
第二章 相关概念及理论概述 4
2.1 情报 4
2.2 情报分析 4
2.3 情报分析类型 4
2.3.1 按领域划分 4
2.3.2 按内容划分 5
2.3.3 按方法划分 5
2.4 战略情报 6
2.5 战略情报研究的类型和研究的主要领域 6
2.6 战略情报的分析方法 7
2.6.1 德尔菲法（Delphi Surveys） 7
2.6.2 内容分析法（Content Analysis） 7
2.6.3 交叉影响分析法（Cross-Impact Analysis） 7
2.6.4 情景分析法（Scenario Writing） 7
2.7 结构化情报分析——一种新型的战略情报研究方法 8
2.7.1 结构化情报分析模型概述 8
2.7.2 结构化分析方法的一般过程 9
2.8 数据可视化理论 9
2.9 数据可视化适用范围 11
2.10数据可视化的通用技术 11
2.11 结构化分析中的数据可视化技术 12
2.11.1 数据可视化在结构化分析中的作用 12
2.11.2 结构化分析中所采用的数据可视化 13
第三章 国外结构化分析系统研究 14
3.1 国外结构化情报分析系统研究进展 14
3.2 系统SEAS（Structual Evidential Analysis System）分析 15
3.3 系统Angler分析 17
第四章 面向国防战略情报的问询式情报分析系统的分析与设计 18
4.1 问询式情报分析的基本过程 18
4.2 问询式情报分析系统体系结构设计 19
4.3 问询式情报分析过程图形化描述 24
第五章 问询式情报分析系统的数据可视化方案设计 31
5.1 问询式情报分析系统(IIAS)可视化综述 31
5.2 可视化部分图形描述 32
第六章 可视化实现 37
6.1 离散数据归类问题 37
6.1.1 问题描述及算法 37
6.1.2 算法讨论 39
6.2 区域覆盖问题 40
6.2.1 问题描述与算法 40
6.2.2 算法讨论 42
6.3 IIAS可视化部分代码分析 43
6.3.1 树形结构图 43
6.3.2 区域结构图 44
6.4 Java 2D绘图 45
第七章 总结与展望 49
参考文献 50
致谢 52
附录 IIAS使用到的JAVA 2D API摘录 53
目 录
第一章 总 论 1
1.1项目概况 1
1.2研究依据及范围 3
1.3主要技术经济指标 4
1.4研究结论及建议 4
第二章 项目建设的背景和必要性 6
2.1项目建设的背景 6
2.2项目建设的必要性 8
第三章 项目服务需求分析 11
第四章 项目选址与建设条件 13
4.1选址原则 13
4.2项目选址 13
4.3建设条件 14
4.4项目建设优势条件分析 15
第五章 建设方案 18
5.1建设规模与内容 18
5.2总体规划设计 19
5.3建筑方案 24
5.4结构方案 26
5.5给水工程 27
5.6排水工程 29
5.7电气设计 31
5.8暖通设计 34
5.9项目实施进度 35
第六章 节能措施 37
6.1 设计依据 37
6.2节能措施 37
第七章 环境影响分析 39
7.1 环境影响分析 39
7.2 环境保护措施及治理效果 40
第八章 消防与安全卫生 42
8.1 消防 42
8.2  劳动安全 43
8.3  卫生防护 44
第九章 组织机构与运作方式 45
9.1  组织机构 45
9.2组织管理 46
9.3劳动定员 46
第十章 投资估算 47
10.1编制依据 47
10.2  投资估算 47
10.3资金筹措 48
第十一章  经济效益评价 49
11.1 成本核算 49
11.2 利润估算 51
11.3经济风险分析 52
11.4财务评价结论 54
第十二章 结 论 55

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