近年来,汽车行业在节能减排,提高安全性等需求的驱动下,高强钢越来越多的被用来制造汽车零部件。热成形技术由于可以获得超高的强度和良好的成形性能,作为一种新的成形制备工艺已经成为加工高强钢的主要方法之一。热成形工艺先将材料加热保温使其奥氏体化,之后成形-淬火同步完成,得到完全马氏体化组织,提高零件强度。结合数值模拟及试验对热成形工艺过程进行了分析。基于材料热力学理论、菲克定理和元胞自动机法,建立了高强钢奥氏体化的计算模型,开发了相关程序,模拟了高强钢在保温过程中,珠光体和铁素体组织向奥氏体转变以及奥氏体粗化和碳扩散的过程,并进行了试验验证。得出如下结论：(1)保温温度为950℃时,高强钢达到奥氏体转变开始温度后13s左右能够实现完全奥氏体化。此时碳浓度分布不均匀,奥氏体晶粒尺寸相差较大。奥氏体在铁素体中的生长同时受碳浓度和温度的影响,开始时奥氏体晶核碳浓度较高,生长速度较快；之后碳浓度降低,生长速度变慢；随着温度的继续升高,即使碳浓度较低也可使奥氏体在铁素体中快速生长。(2)本文所建立的模型所得到的结果与金属学基本理论相符,能够反映晶界曲率驱动下,奥氏体竞争生长的过程,得到了奥氏体粗化过程晶粒尺寸分布的规律。但由于模型中忽略了溶质拖拽、偏析等因素,计算结果偏大。基于马氏体相变动力学、传热学、热弹塑性理论建立了一种适用于有限元模拟的高强钢材料模型。该模型考虑了相变塑性、马氏体体积膨胀、热应力、相变潜热、多相组织共存对材料力学性能的影响。推导了相关公式,并开发了材料子函数,在通用有限元软件平台上,实现了高强钢热成形过程的多物理场模拟。研究结果表明：(1)利用新的材料模型对U形件热成形进行了模拟,发现U形件法兰部分冷却速度最快,侧边其次,底部冷却速度最慢,底部最有可能马氏体转变不充分。(2)利用新的材料模型及传统Johnson-Cook模型对U形件的厚度进行了预测。新材料模型比Johnson-Cook模型计算数值偏大更接近于实测值,原因在于新模型中考虑相变引发的马氏体膨胀。(3)结合数值模拟和试验分析了热成形回弹,推断马氏体体积膨胀是导致热成形与冷冲压回弹角度相反的原因。最后,制定了防撞梁高强钢热成形的工艺,完成了样品的试制,利用多物理场耦合模拟分析了其热成形加工过程。发现汽车门内防撞梁鼓包和凹窝连接处由于与模具接触时间晚,导致温度比邻近区域高,周围区域冷却收缩过程会对其产生一定的拉力,致使该区域减薄,影响了汽车门内防撞梁的成形精度。
