节能、环保、安全、舒适,是当今汽车技术发展的总趋势,汽车轻量化技术是各大汽车公司实现汽车低油耗、少废气排放的主要措施之一。为了使汽车轻量化后仍满足其碰撞安全要求,各大汽车公司在优化汽车框架结构的同时,把工作重点转向了新材料及新工艺的应用方面,尤其在车身结构方面,通过对先进高强度钢和超高强度钢的研究和使用,既提高了汽车的碰撞安全性能,同时也实现了汽车轻量化的要求。但是,随着钢材强度的提高,其成形性能却大大降低,在成形过程中容易产生破裂、起皱、尺寸难以控制和形状不良等问题。高强度硼钢热冲压工艺是近几年发展起来的一种新型的板料成形技术。在热冲压工艺中,硼钢板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度,并保温5分钟左右至板料完全奥氏体化,然后转移到配有冷却系统的冲压模具中,进行热成形并淬火,使成形件获得完全的马氏体组织。与传统的冷冲压成形相比,板料的热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性好、成形极限高；能够生产具有复杂几何形状的工件,成形件具有良好的尺寸精度及较高的强度；配以合适的热处理方式,可使板料发挥其最佳的性能。高强度硼钢热冲压工艺是硼钢板料在高温下进行的复杂成形工艺,也是形变强化和相变强化相结合的一种综合强化工艺。本文针对热冲压工艺及热冲压材料特点,对硼钢材料的TTT曲线、热物性参数、界面换热系数、本构关系、淬火性能及热冲压有限元数值模拟技术进行了系统研究。TTT曲线能比较直观地反映过冷奥氏体在等温转变过程中各相转变量与时间的关系,是热处理过程中判断组织转变、计算组织转变量的主要理论依据,也可为热冲压工艺参数的制订提供理论指导。针对硼钢B1500HS,设计了TTT曲线的测试方案,用DIL805A膨胀相变仪测试了B1500HS的相变点Ac1、Ac3、Ar3、Arl、Ms和Mf。在不同保温温度下,测试得到了系列相变膨胀曲线,并得到了各温度下的相变开始点和终止点,利用光学显微镜观察试样的组织状态,结合显微硬度判定在相应温度下得到的组织类型。根据测试和计算结果,绘制了B1500HS的TTT曲线。热冲压过程的数值模拟需要准确可靠的材料热物性参数,硼钢处于奥氏体、铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体各组织状态时的热物性参数更是热冲压数值模拟时急需的数据。目前,关于硼钢处于以上各组织状态时热物性参数还不完善。针对热冲压硼钢B1500HS,根据热膨胀系数、密度、等压比热容、导热系数等热物性参数的特点,设计了系列实验方案,分别制备了硼钢处于奥氏体、铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体各组织状态时的试样并进行了实验。根据实验的测试结果,对热物性参数的数据进行了回归分析,建立了热膨胀系数、密度、等压比热容、导热系数、弹性模量等热物性参数与温度之间的函数关系式。利用数值模拟方法研究硼钢热冲压工艺时,除了需要准确的材料热物性参数之外,还需要硼钢与模具之间的界面换热系数。界面换热系数是一个极为关键的边界参数,其准确程度直接影响到热冲压硼钢的温度场、应力／应变场、组织场(相变量)及力学性能的求解精度。根据硼钢热冲压工艺的特点,设计了相应的测试工装,建立了基于USB接口的温度高速采集系统,对课题组开发的淬火过程换热系数反传热求解系统进行了改进,并验证了反传热求解系统的精度。根据测试的温度曲线,利用有限元数值模拟方法和反传热求解系统,研究了冷却水与模具之间的界面换热系数,结果显示界面换热系数随模具表面温度的升高而降低,而且呈非线性变化；研究了硼钢与模具之间的界面温度及界面压力对界面换热系数的影响,结果显示试样及工装接触界面处的温度对界面换热系数基本无影响,而界面压力对界面换热系数影响较大；研究了界面压力与界面换热系数的关系,通过对冷却工装与硼钢试样界面施加1MPa、10MPa、20MPa及40MPa的压力,采集了温度冷却曲线,计算结果显示界面换热系数与界面压力之间近似成线性关系,随着界面压力的升高,界面换热系数也逐渐增大。硼钢的高温本构方程是热冲压数值模拟中不可缺少的热力学模型,它反映了流动应力、应变、应变速率以及温度之间的关系。在硼钢热冲压过程中,热成形阶段的坯料组织为奥氏体组织；在冷却阶段,由于成形件的各部位与模具之间的传热条件不同,多数奥氏体转变为马氏体,另外,还可能有部分奥氏体转变为铁素体+珠光体或贝氏体。为了研究热冲压硼钢B1500HS高温时奥氏体组织的流变力学行为,采用Gleeble1500D热模拟试验机制备奥氏体试样,在600℃-900℃温度区间,分别以0.01s-1、0.1s-1、1.0s-1、10s-1的应变速率对硼钢B1500HS奥氏体组织试样进行等温单向拉伸试验,计算得到了各个测试条件下的真实应力-应变曲线。采用包含变形激活能和变形温度的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系来描述硼钢奥氏体组织的热激活变形行为。通过对实验数据进行拟合回归分析,获得了以应变量、应变速率与变形温度表示的奥氏体组织的流变应力关系式。同理,根据测试的硼钢TTT曲线,设计了铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体组织的应力-应变曲线测试方案,利用Gleeble1500D试验机进行了试样的制备及各条件下应力应变数据的测试,研究了应变量、加热温度、应变速率等因素对材料流动应力的影响规律。根据铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体组织在室温和中高温时的应力-应变曲线,构建了一种新型的本构关系式,得到了铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体组织的本构关系式。利用得到的本构关系式分别对奥氏体、铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体组织的流变应力进行了计算,并将计算数据与实验数据进行了对比,结果表明：计算数据与实验数据吻合得较好,所构建的奥氏体、铁素体+珠光体、贝氏体和马氏体组织的本构方程可较好地反映硼钢热冲压过程的宏观力学行为。针对热冲压工艺的特点,研究了淬火介质、淬火工艺参数及形变历史等热冲压关键参数对硼钢B1500HS性能的影响。利用四种冷却介质(水、空气、内置冷却水道的45钢块和铬锆铜块)研究了硼钢的淬火性能,研究结果表明：除空气冷却外,其余淬火方式对硼钢试样的拉伸强度和硬度的影响不大；B1500HS钢板具有良好的可淬性,在钢模中淬火可达到较高的硬度和抗拉强度。研究了加热温度和保温时间对试样微观组织、硬度以及抗拉强度的影响规律,实验结果表明：在850℃-910℃区间保温5min后进行钢模淬火,试样获得板条状马氏体组织,具有较高的淬火硬度、抗拉强度和延伸率,其中,奥氏体温度为910℃时淬火性能最佳。研究了硼钢板形变历史(应变速率、应变量、冷却速度)对硼钢板微观组织、显微硬度及连续冷却曲线的影响,研究结果表明：马氏体相变开始点对应变速率不敏感,但对真实应变较敏感,真实应变越大,马氏体相变开始点越低；工件冷却速度在临界值以上时,随着冷却速度的提高,试样硬度相应增大；在同等冷却速度下,随着应变量的增加,试样硬度值降低,CCT曲线有向左(高冷却速度方向)偏移的现象。为了研究奥氏体化温度和保温时间对热冲压硼钢B1500HS淬火硬度、抗拉强度和延伸率的影响规律,以奥氏体化温度和保温时间为设计因子进行了二因子五水平的实验设计,根据实验设计的方案进行了B1500HS试样的淬火实验,测试了淬火后试样的硬度、抗拉强度和延伸率。利用三次响应曲面对实验结果进行了回归分析,得到了淬火硬度、抗拉强度和延伸率的响应曲面模型。根据响应曲面模型,对奥氏体化温度和保温时间进行了优化,得到了最佳淬火工艺参数。对课题组开发的淬火工艺有限元模拟软件进行了改善,将其作为子程序加入到ABAQUS软件包,实现了温度-组织-应力/应变的耦合分析。通过用户子程序将本文测试得到的TTT曲线、热物性参数、界面换热系数等数据加入到软件包中。选择典型形状零件,利用实验和数值模拟方法研究热冲压温度对硼钢热冲压件性能和组织状态的影响。将测试的实验数据和数值模拟数据进行了对比,结果表明：坯料的加热及保温温度对硼钢热冲压件的抗拉强度、微观组织状态影响较大；随着坯料加热及保温温度的升高,板条状马氏体变得越来越粗大；同一热冲压件,其凸缘、侧壁和底部的微观组织状态差别不明显；坯料的加热及保温温度对硼钢表面硬度的影响不明显。热成形实验的结果与有限元数值模拟的结果基本吻合,表明了本文中测试的材料TTT曲线、热物性参数、界面换热系数等数据可以较好地保证有限元数值模拟结果的准确性和可靠性。本文测试的热冲压参数可以用于硼钢热冲压的有限元数值模拟,并可为热冲压工艺的编制提供技术指导。