超強度鋼熱成形車身零件性能的研究*

尚 欣，周 杰，卓 芳，羅 艷 ,李 洋

(1.清華大學深圳研究生院，深圳 518055; 2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044)

2016061

超強度鋼熱成形車身零件性能的研究*

尚 欣1，2，周 杰2，卓 芳2，羅 艷2,李 洋2

(1.清華大學深圳研究生院，深圳 518055; 2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044)

為探索超高強度鋼BR1500HS的熱成形性能及其在車身應用的前景，本文采用拉伸測試和金相分析方法，對超高強度鋼BR1500HS熱成形前后的微觀結構和力學性能進行了對比分析，并通過整車正面碰撞數值仿真，對比了超高強度鋼BR1500HS熱成形零件和常用材料B340LA冷成形零件的抗碰撞性能。結果表明：熱成形后超高強度鋼BR1500HS的微觀結構主要為板條狀馬氏體，其屈服強度和抗拉強度均達到熱沖壓成形前的2倍多；BR1500HS熱成形零件比B340LA冷成形零件在具有更高的耐撞性能，適合用于制造車身結構件。

車身結構件；超高強度鋼；熱成形；數值模擬；車身設計

前言

汽車輕量化技術作為降低油耗、減少排放的有效措施，已成為汽車技術研究的重點。車身結構采用輕量化材料可有效實現汽車輕量比，相關研究表明：若80%車身零件采用高強度、超高強度鋼板，可使車身總質量減小20%[1]，因較薄的超高強度鋼板已能夠滿足汽車結構的強度要求。故超高強度鋼在汽車領域中的應用越來越廣。

超高強度鋼板因其具有較高的屈服應力與抗拉強度和較低的硬化指數、厚向異性系數與延伸率[2-3]，因此其成形性能較差，成形困難。若采用冷沖壓成形，其變形范圍窄，所需成形力大，容易出現破裂和回彈嚴重等缺陷[4]。熱沖壓技術的運用可克服超高強度鋼成形難、缺陷多等問題。此外，還可獲得厚度小、強度高的零件，可同時實現車身質量減輕和碰撞性能的提高。

熱沖壓可有效實現車身零件高強度化，該技術在國內外汽車領域被廣泛采用，并展開了一系列的研究。文獻[5]中研究了熱成形工藝參數對零件組織、性能的影響。文獻[6]中對前立柱加強件熱成形機理和工藝參數進行了研究，建立了高溫本構模型，并對不同熱成形工藝進行了分析。文獻[7]中通過建立左前立柱熱-力耦合有限元模型，對壓料方式、預成形工藝參數進行了優化，消除了成形時出現開裂、起皺和疊料等缺陷。文獻[8]中對熱成形高強度鋼的高溫流變行為和淬火工藝參數進行了優化，得出BR1500HS最優淬火工藝參數。文獻[9]和文獻[10]中從理論上分析了硼鋼熱成形過程，并結合實驗研究建立了硼鋼熱成形本構方程和數值模擬模型。目前，將超高強度鋼熱成形零件應用于車身的研究相對較少，尤其是車身結構件的應用更須進一步探討[11]。

本文中對熱成形前后超高強度鋼板BR1500HS的微觀結構、力學性能進行分析研究，并通過整車正面碰撞仿真，對比分析了超強度鋼BR1500HS和常用車身材料B340LA的A柱加強件的耐撞性，并對熱成形零件在車身中的作用及其在車身設計中的應用進行了分析。

1 超高強度鋼板BR1500HS的研究

熱沖壓技術是指將超高強度鋼板加熱至一定溫度并保溫一定時間，然后將其在專用熱沖壓模具中快速沖壓成形，最后將其進行保壓并實現同步淬火，使其組織中發生較多的馬氏體轉變。超高強度熱成形零件強度可達1 500MPa以上，幾乎沒有回彈。下面對超高強度鋼板BR1500HS材料在熱成形前后的微觀結構和力學性能進行對比分析。

1.1 BR1500HS熱成形前的材料性能

本文中研究的材料是寶鋼研發的BR1500HS熱軋鋼板,其厚度為1.8mm，其成分如表1所示。

由表1可知，BR1500HS鋼中含有少量硼(B)元素，可提高其淬透性，使坯料以合適的冷卻速度進行冷卻而獲得理想的馬氏體組織，以達到較高強度。淬后含硼超高強度鋼的抗拉強度可達1 500MPa，比普通鋼板的抗拉強度高出2～3倍，采用熱成形的車身結構件可減輕車身質量，同時提高汽車的抗撞性能。

表1 BR1500HS的成分

熱成形前，BR1500HS鋼在室溫下原始組織為鐵素體和珠光體共同形成的典型帶狀組織，如圖1所示。帶狀組織會使其力學性能出現各向異性，平行于板料軋制方向的強度優于垂直軋制方向。本文中沿垂直于軋制方向截取試樣進行力學性能測試，得到BR1500HS鋼室溫下的材料應力-應變曲線，如圖2所示，其屈服強度約為462MPa，抗拉強度約為627MPa。

圖1 BR1500HS熱軋鋼板原始微觀組織

圖2 BR1500HS淬火前材料的應力-應變曲線

圖3 汽車A柱加強件熱成形零件

1.2 BR1500HS熱成形后材料性能

本文中以圖3所示的汽車A柱加強件為例對BR1500HS熱成形后材料性能進行分析。其熱成形工藝參數為：板料加熱到900℃，保溫10s，并以40℃/s的冷卻速率進行保壓冷卻12s。圖4所示為所采用的熱成形模具系統。

圖4 熱成形模具系統

在所得A柱加強件上取樣觀察其微觀結構，并進行拉伸試驗，得到其微觀組織和應力-應變曲線，如圖5和圖6所示。由圖5可知，熱成形后微觀組織幾乎為板條狀馬氏體，能較好地兼顧其強度和韌性[12]。馬氏體形成的原因是熱成形件在模具內通過冷卻系統快速冷卻，促使奧氏體晶粒在馬氏體的慣性面處形成較多的板條狀馬氏體，馬氏體的含量高達96%，可出現馬氏體強化，即可制造高強度、高硬度的零件[13-14]。由圖6可知,熱成形后汽車A柱加強件的屈服強度和抗拉強度分別提高至1 200和1 750MPa。

圖5 BR1500HS熱成形后的微觀組織

圖6 BR1500HS熱成形后零件的應力-應變曲線

2 BR1500HS材料在車身上的應用與分析

經上述研究可知，熱成形后超高強度鋼板BR1500HS的微觀結構和力學性能都發生了較大變化。下面將對比分析熱成形BR1500HS零件與常用B340LA冷成形零件在整車碰撞中的各項性能。

參照GB 11551—2003正面碰撞法規，建立整車正面碰撞有限元模型，如圖7所示。沿X軸方向以初速度為50km/h對剛性墻進行垂直撞擊，并Z沿軸負方向施加重力加速度。將熱成形后的應力-應變曲線導入ANSYS 軟件，進行汽車碰撞模擬仿真。為了對比分析超高強度鋼板熱成形零件與常用B340LA零件在正面碰撞后的耐撞性能，將車身A柱、B柱和外板等關鍵結構件材料替換為熱成形零件，采用剛性壁障碰撞，重點分析A柱加強件在碰撞過程中的折彎、侵入量和應力、應變場。

圖7 正面碰撞模型

2.1 A柱折彎分析

汽車A柱在正撞中為關鍵吸能構件，其變形情況對車身變形、乘員安全等有著重要影響。本文中提取了A柱加強件在碰撞過程中的折彎角的變形來進行分析。

在整車正面碰撞中，A柱上部有可能會發生折彎和向后侵入變形。這種情況將會極大地破壞乘員空間的完整性，導致內部乘員傷害值增加。為此，按圖8所示對A柱折彎變形進行測量和分析。

圖8 A柱變形測量角

圖9為正面碰撞中A柱上部角度變化曲線。由圖可見，B340LA和BR1500HS的折彎角變化量有較大差異。B340LA的A柱折彎角由碰撞前的32°變為碰撞后的32.8°，其變化量為0.8°；而BR1500HS的A柱折彎角由碰撞前的32.2°經碰撞后變為了32.6°，其變化量為0.4°，僅為B340LAA柱折彎角變化量的一半，即A柱上部折彎量很小，無需加強。在車身設計時，采用熱成形零件將整車骨架進行合理布局，形成超高強度的保護空間，可對駕駛員和乘員提供可靠的安全保護。

圖9 正面碰撞中A柱上部角度變化曲線

2.2 A柱侵入量(X方向)

A柱加強件的侵入量云圖如圖10所示。由圖可見，B340LA 最大侵入量為58.74mm，最小侵入量為50.84mm，而BR1500HS材料最大侵入量為54.48mm，最小侵入量為47.28mm。BR1500HS材料侵入量比B340LA 材料的小，在碰撞過程中，增加了車輛正面碰撞中乘車人員的安全性。

圖10 A柱侵入量云圖(X方向)

2.3 A柱加強件應力云圖分析

應力大小可反映材料變形過程中受力情況。本文中采用應力云圖來說明汽車A柱加強件在碰撞中應力場的分布。圖11為加載過程中t=0.15s時，兩種材料的汽車A柱加強件的應力云圖。由圖可見，拐角處的應力最大，這是因為在碰撞過程中，拐角處的材料發生了劇烈變化。B340LA材料最大應力值為479.5MPa，最小應力值為9.966MPa。BR1500HS材料最大應力值為1071MPa，最小應力值為12.99MPa。

圖11 A柱加強件應力云圖

2.4 A柱加強件等效塑性應變云圖分析

等效應變的大小可反映材料塑性變形程度。圖12為加載過程中t=0.15s時，不同材料A柱加強件的等效應變場云圖。由圖可見，等效應變較大區位于中A柱加強件下部拐角處，而其兩頭的等效應變較小，即該部位變形不劇烈。B340LA材料最大等效應變值為0.054 41，最小等效應變值為0。BR1500HS材料最大等效應變值為0.011 09，最小等效應變值為0。即汽車碰撞過程中，BR1500HS的變形程度比常用材料B340LA要小。

圖12 A柱加強件等效塑性應變云圖

綜上所述，在車身設計中，雖然BR1500HS這種材料的熱成形零件強度高，但是在碰撞過程中，如果車身采用單個零件，會在碰撞時產生巨大的沖擊而侵入車體。故車身的整體骨架應盡可能采用超高強度熱成形零件，這樣能夠形成保護空間，極大地降低了對駕駛員和乘員的傷害[15]。

3 結論

(1)超高強度鋼板BR1500HS熱成形前后的微觀結構和力學性能對比分析的結果表明：熱成形前的屈服強度為462MPa，抗拉強度為627MPa；熱成形后，材料的微觀組織主要為板條狀馬氏體，其含量高達96%，且其屈服強度和抗拉強度分別達到1 200和1 750MPa，為熱成形前的2倍多。

(2)對BR1500HS和B340LA材料的關鍵結構件A柱加強件進行正面碰撞仿真的結果表明：超高強度鋼BR1500HS熱成形零件比B340LA冷成形件顯示出更好的耐碰撞性能，故BR1500HS材料的熱成形件比較適合用于車身結構零件。

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A Research on the Performance of Auto-body Parts Made ofHot-formed Ultra-high Strength Steel

Shang Xin1,2, Zhou Jie2, Zhuo Fang2, Luo Yan2& Li Yang2

(1.GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen, 518055 2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing，400044)

To explore the hot forming performance of ultra-high strength steel BR1500HS and its application prospects as auto-body parts, the microstructure and mechanical properties of BR1500HS before and after hot forming are comparatively analyzed by tensile test and metallographic analysis, and the crashworthiness performances of BR1500HS hot-formed parts and common B340LA cold formed parts are compared by a numerical simulation of vehicle frontal crash. The results show that the microstructure of hot-formed BR1500HS is mainly lath martensite, with both its yield strength and tensile strength are as high as over 2 times of that before hot-forming and the hot-formed BR1500HS parts have higher crashworthiness performance than B340LA cold-formed parts, indicating that ultra-high strength steel BR1500HS is suitable for manufacturing the structural parts of vehicle body.

body structural parts;ultra-high strength steel; hot forming;numerical simulation; vehicle body design

*國家科技重大專項(2012ZX04010-081)資助。

原稿收到日期為2014年10月8日，修改稿收到日期為2015年2月3日