超强度钢热成形车身零件性能的研究*

尚 欣，周 杰，卓 芳，罗 艳 ,李 洋

(1.清华大学深圳研究生院，深圳 518055; 2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044)

2016061

超强度钢热成形车身零件性能的研究*

尚 欣1，2，周 杰2，卓 芳2，罗 艳2,李 洋2

(1.清华大学深圳研究生院，深圳 518055; 2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044)

为探索超高强度钢BR1500HS的热成形性能及其在车身应用的前景，本文采用拉伸测试和金相分析方法，对超高强度钢BR1500HS热成形前后的微观结构和力学性能进行了对比分析，并通过整车正面碰撞数值仿真，对比了超高强度钢BR1500HS热成形零件和常用材料B340LA冷成形零件的抗碰撞性能。结果表明：热成形后超高强度钢BR1500HS的微观结构主要为板条状马氏体，其屈服强度和抗拉强度均达到热冲压成形前的2倍多；BR1500HS热成形零件比B340LA冷成形零件在具有更高的耐撞性能，适合用于制造车身结构件。

车身结构件；超高强度钢；热成形；数值模拟；车身设计

前言

汽车轻量化技术作为降低油耗、减少排放的有效措施，已成为汽车技术研究的重点。车身结构采用轻量化材料可有效实现汽车轻量比，相关研究表明：若80%车身零件采用高强度、超高强度钢板，可使车身总质量减小20%[1]，因较薄的超高强度钢板已能够满足汽车结构的强度要求。故超高强度钢在汽车领域中的应用越来越广。

超高强度钢板因其具有较高的屈服应力与抗拉强度和较低的硬化指数、厚向异性系数与延伸率[2-3]，因此其成形性能较差，成形困难。若采用冷冲压成形，其变形范围窄，所需成形力大，容易出现破裂和回弹严重等缺陷[4]。热冲压技术的运用可克服超高强度钢成形难、缺陷多等问题。此外，还可获得厚度小、强度高的零件，可同时实现车身质量减轻和碰撞性能的提高。

热冲压可有效实现车身零件高强度化，该技术在国内外汽车领域被广泛采用，并展开了一系列的研究。文献[5]中研究了热成形工艺参数对零件组织、性能的影响。文献[6]中对前立柱加强件热成形机理和工艺参数进行了研究，建立了高温本构模型，并对不同热成形工艺进行了分析。文献[7]中通过建立左前立柱热-力耦合有限元模型，对压料方式、预成形工艺参数进行了优化，消除了成形时出现开裂、起皱和叠料等缺陷。文献[8]中对热成形高强度钢的高温流变行为和淬火工艺参数进行了优化，得出BR1500HS最优淬火工艺参数。文献[9]和文献[10]中从理论上分析了硼钢热成形过程，并结合实验研究建立了硼钢热成形本构方程和数值模拟模型。目前，将超高强度钢热成形零件应用于车身的研究相对较少，尤其是车身结构件的应用更须进一步探讨[11]。

本文中对热成形前后超高强度钢板BR1500HS的微观结构、力学性能进行分析研究，并通过整车正面碰撞仿真，对比分析了超强度钢BR1500HS和常用车身材料B340LA的A柱加强件的耐撞性，并对热成形零件在车身中的作用及其在车身设计中的应用进行了分析。

1 超高强度钢板BR1500HS的研究

热冲压技术是指将超高强度钢板加热至一定温度并保温一定时间，然后将其在专用热冲压模具中快速冲压成形，最后将其进行保压并实现同步淬火，使其组织中发生较多的马氏体转变。超高强度热成形零件强度可达1 500MPa以上，几乎没有回弹。下面对超高强度钢板BR1500HS材料在热成形前后的微观结构和力学性能进行对比分析。

1.1 BR1500HS热成形前的材料性能

本文中研究的材料是宝钢研发的BR1500HS热轧钢板,其厚度为1.8mm，其成分如表1所示。

由表1可知，BR1500HS钢中含有少量硼(B)元素，可提高其淬透性，使坯料以合适的冷却速度进行冷却而获得理想的马氏体组织，以达到较高强度。淬后含硼超高强度钢的抗拉强度可达1 500MPa，比普通钢板的抗拉强度高出2～3倍，采用热成形的车身结构件可减轻车身质量，同时提高汽车的抗撞性能。

表1 BR1500HS的成分

热成形前，BR1500HS钢在室温下原始组织为铁素体和珠光体共同形成的典型带状组织，如图1所示。带状组织会使其力学性能出现各向异性，平行于板料轧制方向的强度优于垂直轧制方向。本文中沿垂直于轧制方向截取试样进行力学性能测试，得到BR1500HS钢室温下的材料应力-应变曲线，如图2所示，其屈服强度约为462MPa，抗拉强度约为627MPa。

图1 BR1500HS热轧钢板原始微观组织

图2 BR1500HS淬火前材料的应力-应变曲线

图3 汽车A柱加强件热成形零件

1.2 BR1500HS热成形后材料性能

本文中以图3所示的汽车A柱加强件为例对BR1500HS热成形后材料性能进行分析。其热成形工艺参数为：板料加热到900℃，保温10s，并以40℃/s的冷却速率进行保压冷却12s。图4所示为所采用的热成形模具系统。

图4 热成形模具系统

在所得A柱加强件上取样观察其微观结构，并进行拉伸试验，得到其微观组织和应力-应变曲线，如图5和图6所示。由图5可知，热成形后微观组织几乎为板条状马氏体，能较好地兼顾其强度和韧性[12]。马氏体形成的原因是热成形件在模具内通过冷却系统快速冷却，促使奥氏体晶粒在马氏体的惯性面处形成较多的板条状马氏体，马氏体的含量高达96%，可出现马氏体强化，即可制造高强度、高硬度的零件[13-14]。由图6可知,热成形后汽车A柱加强件的屈服强度和抗拉强度分别提高至1 200和1 750MPa。

图5 BR1500HS热成形后的微观组织

图6 BR1500HS热成形后零件的应力-应变曲线

2 BR1500HS材料在车身上的应用与分析

经上述研究可知，热成形后超高强度钢板BR1500HS的微观结构和力学性能都发生了较大变化。下面将对比分析热成形BR1500HS零件与常用B340LA冷成形零件在整车碰撞中的各项性能。

参照GB 11551—2003正面碰撞法规，建立整车正面碰撞有限元模型，如图7所示。沿X轴方向以初速度为50km/h对刚性墙进行垂直撞击，并Z沿轴负方向施加重力加速度。将热成形后的应力-应变曲线导入ANSYS 软件，进行汽车碰撞模拟仿真。为了对比分析超高强度钢板热成形零件与常用B340LA零件在正面碰撞后的耐撞性能，将车身A柱、B柱和外板等关键结构件材料替换为热成形零件，采用刚性壁障碰撞，重点分析A柱加强件在碰撞过程中的折弯、侵入量和应力、应变场。

图7 正面碰撞模型

2.1 A柱折弯分析

汽车A柱在正撞中为关键吸能构件，其变形情况对车身变形、乘员安全等有着重要影响。本文中提取了A柱加强件在碰撞过程中的折弯角的变形来进行分析。

在整车正面碰撞中，A柱上部有可能会发生折弯和向后侵入变形。这种情况将会极大地破坏乘员空间的完整性，导致内部乘员伤害值增加。为此，按图8所示对A柱折弯变形进行测量和分析。

图8 A柱变形测量角

图9为正面碰撞中A柱上部角度变化曲线。由图可见，B340LA和BR1500HS的折弯角变化量有较大差异。B340LA的A柱折弯角由碰撞前的32°变为碰撞后的32.8°，其变化量为0.8°；而BR1500HS的A柱折弯角由碰撞前的32.2°经碰撞后变为了32.6°，其变化量为0.4°，仅为B340LAA柱折弯角变化量的一半，即A柱上部折弯量很小，无需加强。在车身设计时，采用热成形零件将整车骨架进行合理布局，形成超高强度的保护空间，可对驾驶员和乘员提供可靠的安全保护。

图9 正面碰撞中A柱上部角度变化曲线

2.2 A柱侵入量(X方向)

A柱加强件的侵入量云图如图10所示。由图可见，B340LA 最大侵入量为58.74mm，最小侵入量为50.84mm，而BR1500HS材料最大侵入量为54.48mm，最小侵入量为47.28mm。BR1500HS材料侵入量比B340LA 材料的小，在碰撞过程中，增加了车辆正面碰撞中乘车人员的安全性。

图10 A柱侵入量云图(X方向)

2.3 A柱加强件应力云图分析

应力大小可反映材料变形过程中受力情况。本文中采用应力云图来说明汽车A柱加强件在碰撞中应力场的分布。图11为加载过程中t=0.15s时，两种材料的汽车A柱加强件的应力云图。由图可见，拐角处的应力最大，这是因为在碰撞过程中，拐角处的材料发生了剧烈变化。B340LA材料最大应力值为479.5MPa，最小应力值为9.966MPa。BR1500HS材料最大应力值为1071MPa，最小应力值为12.99MPa。

图11 A柱加强件应力云图

2.4 A柱加强件等效塑性应变云图分析

等效应变的大小可反映材料塑性变形程度。图12为加载过程中t=0.15s时，不同材料A柱加强件的等效应变场云图。由图可见，等效应变较大区位于中A柱加强件下部拐角处，而其两头的等效应变较小，即该部位变形不剧烈。B340LA材料最大等效应变值为0.054 41，最小等效应变值为0。BR1500HS材料最大等效应变值为0.011 09，最小等效应变值为0。即汽车碰撞过程中，BR1500HS的变形程度比常用材料B340LA要小。

图12 A柱加强件等效塑性应变云图

综上所述，在车身设计中，虽然BR1500HS这种材料的热成形零件强度高，但是在碰撞过程中，如果车身采用单个零件，会在碰撞时产生巨大的冲击而侵入车体。故车身的整体骨架应尽可能采用超高强度热成形零件，这样能够形成保护空间，极大地降低了对驾驶员和乘员的伤害[15]。

3 结论

(1)超高强度钢板BR1500HS热成形前后的微观结构和力学性能对比分析的结果表明：热成形前的屈服强度为462MPa，抗拉强度为627MPa；热成形后，材料的微观组织主要为板条状马氏体，其含量高达96%，且其屈服强度和抗拉强度分别达到1 200和1 750MPa，为热成形前的2倍多。

(2)对BR1500HS和B340LA材料的关键结构件A柱加强件进行正面碰撞仿真的结果表明：超高强度钢BR1500HS热成形零件比B340LA冷成形件显示出更好的耐碰撞性能，故BR1500HS材料的热成形件比较适合用于车身结构零件。

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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

*国家科技重大专项(2012ZX04010-081)资助。

原稿收到日期为2014年10月8日，修改稿收到日期为2015年2月3日