本發(fā)明屬于熱模擬技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法。

背景技術(shù)：
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節(jié)能、環(huán)保和安全作為汽車領(lǐng)域的三大主題，一直備受重視。近年來，隨著汽車碰撞安全等級和尾氣排放標(biāo)準的日趨嚴厲，在保證汽車安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染的汽車輕量化技術(shù)獲得了快速發(fā)展。因此，先進高強鋼、超高強鋼在汽車白車身制造中應(yīng)用的范圍和比例快速增加。值得注意的是，材料的超高強度并不意味著碰撞安全性的必然提高，材料碰撞能量吸收能力可用強塑積(抗拉強度與延伸率的乘積，單位為MPa％或GPa％)指標(biāo)來表征。以22MnB5熱成形鋼為例，其抗拉強度高達1500MPa以上，延伸率約為6％，強塑積在9GPa％左右。隨著第三代先進高強鋼的開發(fā)和Q&P(淬火-配分)工藝的提出，對鋼鐵材料的塑性、韌性研究越來越重視，尤其是對新一代高強塑積熱成形鋼開發(fā)而言。

熱沖壓成形是一種成形-淬火一體化工藝，即成形與淬火在同一水冷模具中完成，是一種新型汽車沖壓件加工工藝，常應(yīng)用于熱成形鋼制造汽車前/后保險杠、A柱、B柱、C柱等汽車安全件的生產(chǎn)過程中。

金屬材料的斷裂韌性可通過沖擊試驗測量沖擊功、分析斷口形貌來進行表征。目前對熱成形鋼沖擊試樣的制備，尤其是組織準備一般是在實驗室利用加熱爐將實驗鋼加熱到Ac₃溫度以上進行奧氏體化、再利用熱軋實驗軋機對其進行高溫變形、隨后利用冷卻裝置對其進行冷卻溫度控制來模擬熱沖壓成形工藝而實現(xiàn)的，獲得的沖擊試樣組織和性能是均勻的。

上述的熱成形鋼沖擊試樣的制備過程尤其是形變熱處理過程存在環(huán)節(jié)多、周期長、控制不穩(wěn)定、實驗重復(fù)性差等問題。對此，可以考慮直接利用熱力模擬試驗機按照給定的形變熱處理工藝對沖擊試樣進行高精度的熱力模擬。

現(xiàn)有的熱力模擬試驗機雖然可以開展諸如壓縮試驗或者動態(tài)CCT試驗等相關(guān)的形變熱處理試驗，但其試樣的尺寸和形狀與沖擊試樣差異很大；雖然可以對類似于沖擊試樣的方形長試樣進行熱處理試驗，但沒有高溫形變處理功能，這或許是由于試樣過長，在進行高溫壓縮變形時易致試樣形狀產(chǎn)生畸形。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對現(xiàn)有熱力模擬試驗機難以完成對形如沖擊試樣的大尺寸試樣進行高溫形變熱處理的問題，本發(fā)明提供一種高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法；該方法采用現(xiàn)有熱力模擬試驗機，對模擬試樣的中部狹窄區(qū)域進行高溫壓縮變形及隨后熱處理，實現(xiàn)對沖擊毛坯試樣的熱力模擬，是一種在現(xiàn)有熱力模擬試驗機上對高強度汽車鋼沖擊試樣進行形變熱處理的熱力模擬方法。

本發(fā)明的高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法，首先根據(jù)壓縮變形程度確定沖擊毛坯試樣的長度，并在其上焊接兩組K型熱電偶，隨后通過夾具將沖擊毛坯試樣固定在熱模擬試驗機操作箱內(nèi)的夾緊裝置上，按照指定的加熱方式、加熱速度和加熱溫度對其進行低頻電阻加熱，在試樣材料Ac₃溫度以上保溫一定時間，進行奧氏體均勻化處理，然后對試樣中部的均溫區(qū)按照給定的變形程度、變形速率等變形參數(shù)進行壓縮變形，變形結(jié)束后再按照給定的冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間等冷卻工藝參數(shù)對試樣進行冷卻直到室溫；具體包括如下步驟：

步驟1，進行(A)和(B)，(A)和(B)無先后順序：

(A)確定模擬試樣尺寸：

以標(biāo)準沖擊試樣的尺寸為基準，確定模擬試樣尺寸：

標(biāo)準沖擊試樣為長方體，設(shè)：長方體底面的長為H_長，長方體底面的寬為H_寬，長方體的高為H_高；

模擬試樣的結(jié)構(gòu)為一體式結(jié)構(gòu)，模擬試樣由模擬長方體、2個階梯臺和2個夾持端組成，在模擬長方體的兩個底面的兩側(cè)分別設(shè)置有相同的階梯臺，階梯臺的兩側(cè)分別設(shè)置有相同的夾持端，階梯臺和夾持端均為長方體，設(shè)：

模擬長方體的長與標(biāo)準沖擊試樣的長平行，模擬長方體的寬與標(biāo)準沖擊試樣的寬平行，模擬長方體的高與標(biāo)準沖擊試樣的高平行，模擬長方體的高成為自由跨度，階梯臺的長與模擬長方體的長平行，階梯臺的寬與模擬長方體的寬平行，階梯臺的高與模擬長方體的高平行，夾持端的長與模擬長方體的長平行，夾持端的寬與模擬長方體的寬平行，夾持端的高與模擬長方體的高平行；設(shè)：

模擬長方體的長為H_模擬長，模擬長方體的寬為H_模擬寬，模擬長方體的高為H_模擬高；

階梯臺的長為H_階長，階梯臺的寬為H_階寬，階梯臺的高為H_階高；

夾持端的長為H_夾長，夾持端的寬為H_夾寬，夾持端的高為H_夾高；

則：

2×(H_夾高+H_階高)+H_模擬高≤80mm；

H_模擬高≥10mm；

H_模擬長＝H_長+Δh_均；

H_模擬寬＝H_寬+Δh_均；

H_階長＝H_長+Δh_階；

H_階寬＝H_寬+Δh_階；

H_夾高滿足熱力模擬試驗機夾具的夾持要求；

H_夾長＝H_長+Δh_夾；

H_夾寬＝H_寬+Δh_夾；

其中：Δh_均為模擬長方體長和寬的微調(diào)，Δh_階為階梯臺長和寬的微調(diào)，Δh_夾為夾持端長和寬的微調(diào)，Δh_階＞Δh_夾＞Δh_均；

(B)確定熱力模擬過程中的高溫形變及熱處理工藝參數(shù)，包括加熱方式、加熱溫度、加熱速度、保溫時間、變形溫度、變形量、應(yīng)變速率、冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間：

步驟2，在模擬試樣的模擬長方體表面焊接熱電偶：

(1)在模擬長方體側(cè)表面，選定一個長和高構(gòu)建的表面或?qū)捄透邩?gòu)建的表面，確定2組K型熱電偶的4個焊接點：該表面的中心點，為第一主熱電偶焊接點；沿垂直于模擬長方體的高的方向上，距離中心點距離為D的點為第二主熱電偶焊接點；沿平行于模擬長方體的高的方向上，第一主熱電偶焊接點平移距離L的點，為第三輔助熱電偶焊接點；沿平行于模擬長方體的高的方向上，第二主熱電偶焊接點平移距離L的點，為第四輔助熱電偶焊接點；其中，距離D為偶絲直徑的4～10倍，距離L滿足關(guān)系式，H_模擬高：L≥4；

(2)分別將兩條主熱電偶的偶絲的一端，焊接在第一主熱電偶焊接點和第二主熱電偶焊接點上；分別將兩條輔助熱電偶的偶絲的一端，焊接在第三輔助熱電偶焊接點和第四輔助熱電偶焊接點上；其中，焊接時，主熱電偶的兩條偶絲根部和輔助熱電偶的兩條偶絲的根部均與被焊接的模擬長方體側(cè)表面垂直；

步驟3，將模擬試樣安裝到熱力模擬機上：

(1)用兩個夾具分別夾緊模擬試樣的兩個夾持端，并將夾具固定在熱力模擬試驗機操作箱內(nèi)的試樣夾緊裝置上；

(2)分別將兩條主熱電偶的偶絲的另一端，連接到操作箱內(nèi)的一組內(nèi)接線柱的正極和負極上；分別將輔助熱電偶的偶絲的另一端，連接到操作箱內(nèi)的另一組內(nèi)接線柱的正極和負極上；

步驟4，對模擬試樣進行加熱處理：

對熱力模擬試驗機操作箱抽真空，設(shè)定加熱方式、加熱速率、加熱溫度和保溫時間，啟動夾具的冷卻裝置，對模擬試樣進行加熱處理；在保溫過程中，主熱電偶實測溫度為T_心，輔助熱電偶實測溫度為T_邊，通過(a)或(b)的調(diào)控方法滿足T_心-T_邊≤5，具體的調(diào)控方法為：

(a)當(dāng)T_心-T_邊≤5不成立時，中止試驗，更換夾具，選擇具有低導(dǎo)熱性能的夾具，重新開始步驟3；

(b)當(dāng)T_心-T_邊≤5不成立時，中止試驗，重新調(diào)整輔助熱電偶的焊接位置，縮小與主熱電偶的距離L，重新開始步驟2；

當(dāng)T_心-T_邊≤5成立時，則在模擬長方體上確定模擬試樣加熱后的均溫區(qū)：以第一主熱電偶焊接點為對稱中心，找到第三輔助熱電偶焊接點的對稱點，稱為第五熱電偶焊接點，那么在模擬長方體上，第三輔助熱電偶焊接點所在橫截面與第五熱電偶焊接點所在橫截面之間的區(qū)域，稱為模擬試樣加熱后的均溫區(qū)；即模擬試樣加熱后的均溫區(qū)的高與模擬長方體的高平行且高為2L；

步驟5，對模擬試樣進行壓縮試驗：

(1)模擬試樣經(jīng)加熱和保溫后，熱力模擬試驗機根據(jù)設(shè)定變形溫度、變形量、應(yīng)變速率，對模擬長方體進行壓縮變形，壓縮變形結(jié)束后在均溫區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生鐓粗區(qū)，設(shè)緊鄰模擬長方體兩側(cè)的階梯臺臺面之間的距離為H_壓縮高，則：

實際變形量＝H_模擬高-H_壓縮高

實際變形程度＝(H_模擬高-H_壓縮高)/H_模擬高×100％；

(2)在模擬長方體上確定模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)，在壓縮后的模擬長方體上，第三輔助熱電偶焊接點所在橫截面與第五熱電偶焊接點所在橫截面之間的區(qū)域，稱為模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)；

步驟6，對模擬試樣進行冷卻處理：

模擬試樣熱壓縮變形完成后，熱力模擬試驗機根據(jù)設(shè)定的冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間等冷卻工藝參數(shù)，對模擬長方體進行熱處理；

步驟7：模擬試樣表面觀察：

模擬試樣熱處理結(jié)束后，取下模擬試樣，將鐓粗區(qū)放大20倍及以上倍數(shù)，觀察其表面是否出現(xiàn)裂紋：

如有裂紋，更換模擬試樣后，重新開始步驟2；

如無裂紋，進行步驟8；

步驟8，用標(biāo)準沖擊試樣驗證沖擊過程是否有效：

(1)以模擬試樣的第一主熱電偶焊接點所在橫截面對應(yīng)標(biāo)準沖擊試樣的中心截面，將模擬試樣加工成標(biāo)準沖擊試樣，在標(biāo)準沖擊試樣的中部位置開V型口或U型口并標(biāo)注其均溫區(qū)的范圍，其中，標(biāo)準沖擊試樣的均溫區(qū)確定方法：以模擬試樣的第一主熱電偶焊接點所在橫截面對應(yīng)標(biāo)準沖擊試樣的中心截面，標(biāo)準沖擊試樣對應(yīng)模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)的部分，稱為標(biāo)準沖擊試樣的均溫區(qū)。

(2)用擺錘沖擊試驗機或落錘沖擊試驗機對標(biāo)準沖擊試樣進行沖擊試驗，將標(biāo)準沖擊試樣沖斷；

(3)將沖斷的標(biāo)準沖擊試樣拼接起來，觀察斷裂面是否在標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)；

如果斷裂面處于標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)，則表明熱力模擬過程成立，進而確定高強度汽車鋼形變熱處理參數(shù)：加熱方式、加熱溫度、加熱速率、保溫時間、變形溫度、變形量、應(yīng)變速率、冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速率和冷卻等溫時間工藝參數(shù)，即為熱力模擬過程中模擬試樣的對應(yīng)參數(shù)；

如果斷裂面超出標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍，進行(c)或(d)后，重新開始步驟4，直至斷裂面處于標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)；

(c)更換夾具，選擇具有低導(dǎo)熱性能的夾具，使得均溫區(qū)增大，從而調(diào)整輔助熱電偶的焊接位置，擴大與主熱電偶的距離L；

(d)增大模擬長方體的高度，按照H_模擬高：L≥4關(guān)系式，相應(yīng)調(diào)整輔助熱電偶的焊接位置，擴大與主熱電偶的距離L。

其中：

本發(fā)明中，試樣壓縮變形導(dǎo)致試樣中部被壓凸，壓凸變形的部分稱為鐓粗區(qū)，設(shè)定鐓粗區(qū)的高與試樣的高平行。

所述的標(biāo)準沖擊試樣，是指高強度汽車鋼在做沖擊試驗時的試樣，應(yīng)符合國家標(biāo)準GB/T229-2007金屬材料的夏比擺錘沖擊試驗方法所規(guī)定。

所述的步驟1中，高強度汽車鋼的抗拉強度大于等于1000MPa，表征沖擊韌性的室溫沖擊功小于等于100J。

所述的步驟1中，標(biāo)準沖擊試樣的長為10mm，標(biāo)準沖擊試樣的寬為10mm、7.5mm、5.0mm或2.5mm，標(biāo)準沖擊試樣的高為55mm，H_階高≥1.5mm，Δh_均≥0.5mm。

所述的步驟1中(B)中，確定高強度汽車鋼的加熱方式、加熱溫度、加熱速度和保溫時間：加熱方式為連續(xù)加熱或階梯分段加熱，加熱溫度比高強度汽車鋼的Ac₃溫度高20～100℃，加熱速度小于等于12℃/s，保溫時間大于等于5min；確定高強度汽車鋼的變形溫度、變形量和應(yīng)變速率：變形量以模擬長方體的高為標(biāo)準，根據(jù)變形程度確定，應(yīng)變速率小于等于10s^-1，變形溫度小于或者等于加熱溫度；確定高強度汽車鋼的冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間：冷卻方式為連續(xù)冷卻或Q&P淬火-配分型階梯冷卻；對于連續(xù)冷卻工藝，沒有冷卻等溫時間要求，冷卻速度高于材料的臨界冷卻速度，冷卻溫度低于材料的M_s溫度，以實現(xiàn)馬氏體相變，在室溫下獲得馬氏體微觀組織；對于Q&P淬火-配分型階梯冷卻工藝，冷卻參數(shù)包括淬火溫度、淬火冷卻速度、配分溫度、配分時間和終冷溫度，其中，淬火溫度低于材料的M_s溫度，配分溫度大于等于淬火溫度，冷卻等溫時間為配分時間，根據(jù)碳原子的配分，即馬氏體相變過程中碳原子由馬氏體向殘余奧氏體的擴散遷移效果來確定，淬火冷卻速度高于材料的臨界冷卻速度，以實現(xiàn)馬氏體相變，最終在室溫下獲得由馬氏體和具有較高體積分數(shù)的殘余奧氏體組成的微觀組織。

所述的步驟1中(B)中，變形量與變形程度相對應(yīng)，應(yīng)變速率即為變形速率。

所述的步驟2(1)中，中心點位置為長度方向中心線(稱為垂直線)和高度方向中心線(稱為水平線)的交點或者是寬度方向中心線(稱為垂直線)和高度方向中心線(稱為水平線)的交點。

所述的步驟2中，K型熱電偶為鎳鉻K型熱電偶；所述的鎳鉻K型熱電偶的偶絲直徑為0.25mm，D為1～2.5mm。

所述的步驟3中，夾具為梯形夾具。

所述的步驟4中，T_心即為模擬試樣的均溫區(qū)的中心溫度，T_邊即為模擬試樣的均溫區(qū)的邊緣溫度。

所述的步驟4中，對熱力模擬試驗機操作箱抽真空至真空度≤10Pa。

所述的步驟4中，加熱過程對模擬試樣進行低頻電流加熱，其電流頻率為50～60Hz。

所述的步驟4中，對模擬試樣進行低頻電流加熱，模擬試樣橫截面內(nèi)通過上千安培的電流，電流均勻通過模擬試樣橫截面，通過改變電流大小可控制模擬試樣加熱速度和加熱溫度。

所述的步驟4中，電極兩端的夾具為避免其溫度過高導(dǎo)致相鄰設(shè)備損壞，熱力模擬試驗機在夾具兩端設(shè)置有水冷裝置，當(dāng)水冷裝置啟動后，試樣被夾持段通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給夾具，夾具也通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給水冷裝置以進行散熱。在加熱過程中，模擬試樣沿長度方向自然地形成了對稱的溫度梯度分布，在模擬試樣尺寸和自由跨度一定的情形下，可通過變更夾具的材質(zhì)來改變熱量散失的速率，從而間接調(diào)整模擬試樣的均溫區(qū)的范圍大小。

所述的步驟5中，熱力模擬試驗機主液壓缸錘頭在位置控制模式下按照設(shè)定的變形量和應(yīng)變速率對模擬長方體進行壓縮變形。

所述的步驟5中，用千分尺測量模擬試樣上主熱電偶和輔助熱電偶的距離，確定壓縮變形后均溫區(qū)的位置和大小。

所述的步驟6中，熱力模擬試驗機設(shè)定冷卻工藝曲線，通過調(diào)節(jié)電流大小和/或改變冷卻介質(zhì)的方式，保證模擬試樣的冷卻曲線與設(shè)定冷卻工藝曲線一致。所述的冷卻介質(zhì)為水、氣或熱傳導(dǎo)中的一種。

所述的步驟7中，采用放大鏡將鐓粗區(qū)放大。

所述的步驟7中，模擬試樣如無裂紋，表明上述的形變熱處理試驗成功。

所述的步驟8中，按照國標(biāo)GB/T 229-2007要求，將標(biāo)準沖擊試樣的中部位置開V型口或U型口；所述的中部位置為標(biāo)準沖擊試樣沿高方向上的中部位置。

所述的步驟8中，如果斷裂面處于標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)，則表明對模擬試樣的形變熱處理過程是科學(xué)、有效的。

本發(fā)明的高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法的技術(shù)原理為：高強鋼因其較低的韌性指標(biāo)，經(jīng)沖擊試驗后一般是沿試樣V型或U型缺口附近的狹窄區(qū)域進行斷裂的，斷裂斷面比較平整，沖擊性能實質(zhì)上表征的是沖擊試樣缺口狹窄區(qū)域抵抗斷裂的性能。因此，對高強汽車鋼沖擊試樣狹窄缺口區(qū)域的形變熱處理完全可以代替對整個試樣的形變熱處理，而不改變其抵抗沖擊斷裂的效果。盡管經(jīng)局部處理后的沖擊試樣沿長度方向組織和性能是不均勻的，但呈對稱分布，并且在沖擊試驗時會首先在中部缺口處開裂，并沿缺口附近的狹窄區(qū)域進行斷裂。如果該區(qū)域的組織性能均勻并符合擬定工藝要求，那么所測量的沖擊性能指標(biāo)完全可以等同于整體組織性能均勻并符合擬定工藝要求的試樣。

對沖擊試樣中部缺口狹窄區(qū)域進行形變熱處理的方式也符合熱力模擬試驗機的電阻加熱特性，即在夾持試樣的夾具兩端受水冷裝置冷卻的影響下，試樣在加熱過程中沿長度方向兩端存在對稱的溫度梯度分布，在試樣中部自然地存在著一段均溫區(qū)。由于該處溫度最高，試樣在壓縮變形時會首先在該處進行形變。

本發(fā)明的高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法，所采用的熱模擬試樣是在國家標(biāo)準GB/T 229-2007規(guī)定的標(biāo)準沖擊試樣尺寸的基礎(chǔ)上，基于變形需要及高溫壓縮鐓粗變形特點而設(shè)計的階梯式分段長方體方模擬試樣。模擬試樣兩端和中部截面尺寸各異，中部截面尺寸略小于端部尺寸，利于中部均溫區(qū)長度的擴展，而且在模擬試樣總長度的約1/3和約2/3處還分別設(shè)置了一個截面尺寸更大的長方體階梯臺，以利于壓縮變形。

本發(fā)明的高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法，是采用在試樣高度方向某一表面中心部位焊上兩組K型熱電偶來檢測均溫區(qū)的溫度，同時判斷均溫區(qū)的大小。布置在該表面長度中心線和寬度中心線交點處的熱電偶為主熱電偶，測量均溫區(qū)表面中部的溫度(T_心)，布置在寬度中心線上與主熱電偶間距一定距離的另一組熱電偶為輔助熱電偶，測量均溫區(qū)邊緣的溫度(T_邊)。在材料加熱到奧氏體化溫度以上并且開始保溫后，當(dāng)中心溫度和邊緣溫度差異較小，且滿足T_心-5＜T_邊＜T_心關(guān)系式時，可認為均溫區(qū)選擇合理；當(dāng)中心溫度和邊緣溫度差異較大時，中止實驗，變更夾具，選擇具有低導(dǎo)熱性能的夾具，或者重新調(diào)整輔助熱電偶的焊接位置，縮小與主熱電偶的距離，再重新開始實驗。

本發(fā)明的高強度汽車鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法，可采用不銹鋼等具有低導(dǎo)熱特性(相對于銅而言)的夾具來夾持試樣，以保證在自由跨度較小情形下中部均溫區(qū)的長度符合變形需要。

本發(fā)明的對高強度汽車鋼沖擊試樣進行形變熱處理的熱力模擬方法是否科學(xué)有效，關(guān)鍵在于沖擊試樣經(jīng)沖擊試驗后，斷裂面是否在均溫區(qū)變形范圍內(nèi)；可將斷裂的沖擊試樣拼接起來通過肉眼觀察并輔助千分尺測量，如果斷口區(qū)域處于均溫區(qū)范圍內(nèi)，則表明本發(fā)明的熱力模擬方法是科學(xué)、有效的；如果斷口區(qū)域臨近均溫區(qū)邊緣，可適當(dāng)擴大輔助熱電偶與主熱電偶的距離，再次開展試驗進行驗證。

本發(fā)明的對高強度汽車鋼沖擊試樣進行形變熱處理的熱力模擬方法，改變了傳統(tǒng)的沖擊試樣制備過程，實現(xiàn)了沖擊試樣組織準備的可重復(fù)性和工藝參數(shù)的高精度控制，能夠明顯降低試樣制備過程系統(tǒng)誤差和沖擊性能的波動范圍。

附圖說明：

圖1本發(fā)明實施例1和2的為未開缺口的標(biāo)準沖擊試樣外形尺寸；

圖2本發(fā)明實施例1和2的模擬試樣的俯視圖和側(cè)視圖；其中，1-模擬試樣的夾持端，2-模擬試樣的階梯臺，3-模擬試樣的模擬長方體；

圖3本發(fā)明實施例1和2的模擬試樣的兩組K型熱電偶的位置示意圖；其中，4-輔助熱電偶，5-主熱電偶；

圖4本發(fā)明實施例1和2的模擬試樣經(jīng)兩對梯形夾具夾持后的示意圖；其中，6-梯形夾具；

圖5本發(fā)明實施例1和2的模擬試樣的模擬長方體中部在高溫變形過程中的鐓粗區(qū)示意圖；其中，7-鐓粗區(qū)；

圖6本發(fā)明實施例1的22MnB5熱成形鋼標(biāo)準沖擊試樣經(jīng)擺錘沖擊斷裂后的斷裂面宏觀圖片；

圖7本發(fā)明實施例1的22MnB5熱成形鋼標(biāo)準沖擊試樣經(jīng)擺錘沖擊斷裂后的斷口SEM圖；

圖8本發(fā)明實施例2的高強塑積熱成形實驗鋼標(biāo)準沖擊試樣經(jīng)落錘沖擊斷裂后的斷裂面宏觀圖片；

圖9本發(fā)明實施例2的高強塑積熱成形實驗鋼標(biāo)準沖擊試樣經(jīng)落錘沖擊斷裂后的斷口SEM圖。

具體實施方式：

以下實施例1采用Gleeble 3500熱力模擬試驗機對沖擊模擬試樣進行形變熱處理，進行低頻電流加熱時，電流頻率為50～60Hz。

以下實施例2采用MMS-300熱力模擬試驗機對沖擊模擬試樣進行形變熱處理，進行低頻電流加熱時，電流頻率為50～60Hz。

以下實施例1和2的未開缺口的標(biāo)準沖擊試樣外形尺寸如圖1所示，符合國家標(biāo)準GB/T229-2007金屬材料的夏比擺錘沖擊試驗方法所規(guī)定的沖擊試樣未開缺口時的外形尺寸。

以下實施例1和2的模擬試樣的俯視圖和側(cè)視圖如圖2所示。

以下實施例1和2的模擬試樣的兩組K型熱電偶的位置示意圖如圖3所示。

以下實施例1和2的模擬試樣經(jīng)兩對梯形夾具夾持后的示意圖如圖4所示。

以下實施例1和2的模擬試樣的模擬長方體中部在高溫變形過程中的鐓粗區(qū)示意圖如圖5所示。

實施例1

一種材質(zhì)為22MnB5熱成形鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法，具體包括如下步驟：

步驟1，進行(A)和(B)，(A)和(B)無先后順序：

(A)確定模擬試樣尺寸：

以標(biāo)準沖擊試樣的尺寸為基準，確定模擬試樣尺寸：

標(biāo)準沖擊試樣為長方體，具體尺寸如圖1所示，設(shè)：長方體底面的長為H_長＝長方體底面的寬為H_寬＝10mm，長方體的高為H_高＝55mm。

模擬試樣的結(jié)構(gòu)為一體式結(jié)構(gòu)，模擬試樣由模擬長方體、2個階梯臺和2個夾持端組成，在模擬長方體的兩個底面的兩側(cè)分別設(shè)置有相同的階梯臺，階梯臺的兩側(cè)分別設(shè)置有相同的夾持端，階梯臺和夾持端均為長方體，設(shè)：

模擬長方體的長與標(biāo)準沖擊試樣的長平行，模擬長方體的寬與標(biāo)準沖擊試樣的寬平行，模擬長方體的高與標(biāo)準沖擊試樣的高平行，模擬長方體的高成為自由跨度，階梯臺的長與模擬長方體的長平行，階梯臺的寬與模擬長方體的寬平行，階梯臺的高與模擬長方體的高平行，夾持端的長與模擬長方體的長平行，夾持端的寬與模擬長方體的寬平行，夾持端的高與模擬長方體的高平行；設(shè)：

模擬長方體的長為H_模擬長＝模擬長方體的寬為H_模擬寬＝10.5mm，模擬長方體的高為H_模擬高＝10mm；

階梯臺的長為H_階長＝階梯臺的寬為H_階寬＝14mm，階梯臺的高為H_階高＝2mm；

夾持端的長為H_夾長＝夾持端的寬為H_夾寬＝11mm，夾持端的高為H_夾高＝24mm；

于是，整個模擬試樣的高為62mm。

(B)確定熱模擬過程中的高溫形變熱處理工藝參數(shù)，包括加熱方式、加熱溫度、加熱速度、保溫時間、變形溫度、變形量、變形速率、冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間：

確定22MnB5熱成形鋼的加熱方式、加熱溫度、加熱速度和保溫時間：加熱方式為連續(xù)加熱，加熱溫度為950℃，加熱速度為10℃/s，保溫時間為5min；

確定22MnB5熱成形鋼的變形溫度、變形量和應(yīng)變速率：變形量以模擬長方體的高為標(biāo)準，根據(jù)變形程度確定為15％，即1.5mm，應(yīng)變速率為10s^-1，變形溫度為850℃；

確定22MnB5熱成形鋼的冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間：冷卻方式采用連續(xù)冷卻，沒有冷卻等溫時間要求，冷卻速度為40℃/s，高于材料的臨界冷卻速度(27℃/s)，直接冷卻至室溫，低于材料的Ms溫度，以實現(xiàn)馬氏體相變，并在室溫下獲得馬氏體微觀組織；

步驟2，在模擬試樣的模擬長方體表面焊接熱電偶：

(1)在模擬長方體側(cè)表面，選定一個長和高構(gòu)建的表面或?qū)捄透邩?gòu)建的表面，確定2組鎳鉻K型熱電偶的4個焊接點，鎳鉻K型熱電偶的偶絲直徑為0.25mm：該表面的中心點，為第一主熱電偶焊接點；沿垂直于模擬長方體的高的方向上，距離中心點距離為D的點為第二主熱電偶焊接點(D＝1mm)；沿平行于模擬長方體的高的方向上，第一主熱電偶焊接點平移距離L的點(L＝2.5mm)，為第三輔助熱電偶焊接點；沿平行于模擬長方體的高的方向上，第二主熱電偶焊接點平移距離2.5mm的點，為第四輔助熱電偶焊接點；

(2)利用熱電偶焊接機分別將兩條主熱電偶的偶絲的一端，焊接在第一主熱電偶焊接點和第二主熱電偶焊接點上；分別將兩條輔助熱電偶的偶絲的一端，焊接在第三輔助熱電偶焊接點和第四輔助熱電偶焊接點上；其中，焊接時，主熱電偶的兩條偶絲根部和輔助熱電偶的兩條偶絲的根部均與被焊接的模擬長方體側(cè)表面垂直；

步驟3，將模擬試樣安裝到熱力模擬機上：

(1)用兩個材質(zhì)為不銹鋼的梯形夾具分別夾緊模擬試樣的兩個夾持端，并將夾具固定在熱力模擬試驗機操作箱內(nèi)的試樣夾緊裝置上；

(2)分別將兩條主熱電偶的偶絲的另一端，連接到操作箱內(nèi)的一組內(nèi)接線柱的正極和負極上；分別將輔助熱電偶的偶絲的另一端，連接到操作箱內(nèi)的另一組內(nèi)接線柱的正極和負極上；

步驟4，對模擬試樣進行加熱處理：

對熱力模擬試驗機操作箱抽真空至≤10Pa，設(shè)定加熱方式為連續(xù)加熱，加熱速率為10℃/s，加熱溫度為950℃和保溫時間為5min，啟動夾具的冷卻裝置，對模擬試樣進行加熱處理；在保溫過程中，對比主、輔兩組熱電偶的溫度曲線發(fā)現(xiàn)，最大溫度偏差T_心-T_邊＝3.5℃≤5℃；

當(dāng)T_心-T_邊≤5成立時，則在模擬長方體上確定模擬試樣加熱后的均溫區(qū)：以第一主熱電偶焊接點為對稱中心，找到第三輔助熱電偶焊接點的對稱點，稱為第五熱電偶焊接點，那么在模擬長方體上，第三輔助熱電偶焊接點所在橫截面與第五熱電偶焊接點所在橫截面之間的區(qū)域，稱為模擬試樣加熱后的均溫區(qū)；即模擬試樣加熱后的均溫區(qū)的高與沿模擬長方體的高平行且高為2L＝5mm；

步驟5，對模擬試樣進行壓縮試驗：

(1)模擬試樣經(jīng)加熱和保溫后，熱力模擬試驗機根據(jù)設(shè)定變形溫度為850℃，變形量為1.5mm和應(yīng)變速率為10s^-1，對模擬長方體進行壓縮變形，壓縮變形結(jié)束后在均溫區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生鐓粗區(qū)，設(shè)緊鄰模擬長方體兩側(cè)的階梯臺臺面之間的距離為H_壓縮高，則：

實際變形量＝H_模擬高-H_壓縮高＝10-8.50＝1.5mm；

實際變形程度＝(H_模擬高-H_壓縮高)/H_模擬高×100％＝1.5/10×100％＝15％；

(2)在模擬長方體上確定模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)，在壓縮后的模擬長方體上，第三輔助熱電偶焊接點所在橫截面與第五熱電偶焊接點所在橫截面之間的區(qū)域，稱為模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)；

步驟6，對模擬試樣進行冷卻處理：

模擬試樣熱壓縮變形完成后，熱力模擬試驗機根據(jù)設(shè)定的冷卻工藝參數(shù)：冷卻方式采用連續(xù)冷卻，冷卻速率為40℃/s，將模擬長方體冷卻至室溫；

步驟7：模擬試樣表面觀察：

模擬試樣冷卻處理結(jié)束后，取下模擬試樣，將鐓粗區(qū)放大30倍，觀察其表面發(fā)現(xiàn)無裂紋：

步驟8，用22MnB5熱成形鋼標(biāo)準沖擊試樣驗證沖擊過程是否有效：

(1)以模擬試樣的第一主熱電偶焊接點所在橫截面對應(yīng)22MnB5熱成形鋼標(biāo)準沖擊試樣的中心截面，將模擬試樣加工成標(biāo)準沖擊試樣，在標(biāo)準沖擊試樣的中部位置開V型口并標(biāo)注其均溫區(qū)的范圍，其中，標(biāo)準沖擊試樣的均溫區(qū)確定方法：以模擬試樣的第一主熱電偶焊接點所在橫截面對應(yīng)標(biāo)準沖擊試樣的中心截面，標(biāo)準沖擊試樣對應(yīng)模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)的部分，稱為標(biāo)準沖擊試樣的均溫區(qū)；

(2)用擺錘沖擊試驗機對22MnB5熱成形鋼標(biāo)準沖擊試樣進行沖擊試驗，將標(biāo)準沖擊試樣沖斷；

(3)將沖斷的22MnB5熱成形鋼標(biāo)準沖擊試樣拼接起來，測得斷口影響寬度為2.53mm，小于模擬試樣均溫區(qū)經(jīng)壓縮變形后實測的寬度4.05mm，確定斷裂面在標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)，測得沖擊吸收功為34.9J，斷裂后的斷裂面宏觀圖片如圖6所示，斷裂后的斷裂面的SEM圖如圖7所示；

斷裂面在標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)，所測得的沖擊韌性指標(biāo)是有效的，以沖擊試樣缺口區(qū)域的形變熱處理代替對整個試樣的形變熱處理方法是科學(xué)的，表明熱力模擬過程成立，進而確定22MnB5熱成形鋼沖擊形變熱處理參數(shù)：

加熱處理參數(shù)為：加熱方式為連續(xù)加熱，加熱溫度為950℃，加熱速率為10℃/s，保溫時間為5min；壓縮變形的參數(shù)為：變形溫度為850℃，變形量為1.5mm，變形程度為15％，應(yīng)變速率為10s^-1；冷卻過程的參數(shù)為：冷卻方式采用連續(xù)冷卻，冷卻至室溫、冷卻速率為40℃/s。

實施例2

一種高強塑積熱成形實驗鋼沖擊試樣形變熱處理的熱力模擬方法，所述的高強塑積熱成形實驗鋼的成分及其質(zhì)量百分含量為，C：0.19，Si：1.55，Mn：1.53，Ni：0.95，Cr：1.01，Cu：1.01，B：0.0027，Al：0.025，Ti：0.033，Mo：0.45，S：0.004，P∶0.008，余量為Fe，具體包括如下步驟：

步驟1，進行(A)和(B)，(A)和(B)無先后順序：

(A)確定模擬試樣尺寸：

以標(biāo)準沖擊試樣的尺寸為基準，確定模擬試樣尺寸：

標(biāo)準沖擊試樣為長方體，具體尺寸如圖1所示，設(shè)：長方體底面的長為H_長＝長方體底面的寬為H_寬＝10mm，長方體的高為H_高＝55mm。

模擬試樣的結(jié)構(gòu)為一體式結(jié)構(gòu)，模擬試樣由模擬長方體、2個階梯臺和2個夾持端組成，在模擬長方體的兩個底面的兩側(cè)分別設(shè)置有相同的階梯臺，階梯臺的兩側(cè)分別設(shè)置有相同的夾持端，階梯臺和夾持端均為長方體，設(shè)：

模擬長方體的長與標(biāo)準沖擊試樣的長平行，模擬長方體的寬與標(biāo)準沖擊試樣的寬平行，模擬長方體的高與標(biāo)準沖擊試樣的高平行，模擬長方體的高成為自由跨度，階梯臺的長與模擬長方體的長平行，階梯臺的寬與模擬長方體的寬平行，階梯臺的高與模擬長方體的高平行，夾持端的長與模擬長方體的長平行，夾持端的寬與模擬長方體的寬平行，夾持端的高與模擬長方體的高平行；設(shè)：

模擬長方體的長為H_模擬長＝模擬長方體的寬為H_模擬寬＝10.5mm，模擬長方體的高為H_模擬高＝15mm；

階梯臺的長為H_階長＝階梯臺的寬為H_階寬＝14mm，階梯臺的高為H_階高＝2.5mm；

夾持端的長為H_夾長＝夾持端的寬為H_夾寬＝11mm，夾持端的高為H_夾高＝24mm；

于是整個模擬試樣的高為68mm。

(B)確定熱模擬過程中的高溫形變熱處理工藝參數(shù)，包括加熱方式、加熱溫度、加熱速度、保溫時間、變形溫度、變形量、應(yīng)變速率、冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間：

確定高強塑積熱成形實驗鋼的加熱方式、加熱溫度、加熱速度和保溫時間：加熱方式為階梯分段加熱，以2℃/s的速度從室溫加熱到500℃，再以10℃/s的速度加熱到950℃，隨后保溫5min；

確定高強塑積熱成形實驗鋼的變形溫度、變形量和應(yīng)變速率：變形量以模擬長方體的高為標(biāo)準，根據(jù)變形程度確定為20％，即3mm，應(yīng)變速率為2s^-1，變形溫度為850℃；

確定高強塑積熱成形實驗鋼的冷卻方式、冷卻溫度、冷卻速度和冷卻等溫時間：冷卻方式采用Q&P淬火-配分型階梯冷卻：以10℃/s的速度冷卻到淬火溫度280℃，等溫5min，隨后再以10℃/s的速度冷卻到室溫；對于該冷卻工藝，冷卻溫度包括淬火溫度、配分溫度和終冷溫度，其中，淬火溫度和配分溫度低于材料的M_s溫度為280℃，冷卻等溫時間為配分時間為5min，根據(jù)碳原子的配分，即馬氏體相變過程中碳原子由馬氏體向殘余奧氏體的擴散遷移效果來確定，冷卻速度高于材料的臨界冷卻速度(0.5℃/s)，以實現(xiàn)馬氏體相變及碳配分，在室溫下獲得由馬氏體和較高體積分數(shù)的殘余奧氏體組成的微觀組織；

步驟2，在模擬試樣的模擬長方體表面焊接熱電偶：

(1)在模擬長方體側(cè)表面，選定一個長和高構(gòu)建的表面或?qū)捄透邩?gòu)建的表面，確定2組鎳鉻K型熱電偶的4個焊接點，鎳鉻K型熱電偶的偶絲直徑為0.25mm：該表面的中心點，為第一主熱電偶焊接點；沿垂直于模擬長方體的高的方向上，距離中心點距離為D的點為第二主熱電偶焊接點(D＝1mm)；沿平行于模擬長方體的高的方向上，第一主熱電偶焊接點平移距離L的點(L＝2.5mm)，為第三輔助熱電偶焊接點；沿平行于模擬長方體的高的方向上，第二主熱電偶焊接點平移距離2.5mm的點，為第四輔助熱電偶焊接點；

(2)利用熱電偶焊接機分別將兩條主熱電偶的偶絲的一端，焊接在第一主熱電偶焊接點和第二主熱電偶焊接點上；分別將兩條輔助熱電偶的偶絲的一端，焊接在第三輔助熱電偶焊接點和第四輔助熱電偶焊接點上；其中，焊接時，主熱電偶的兩條偶絲根部和輔助熱電偶的兩條偶絲的根部均與被焊接的模擬長方體側(cè)表面垂直；

步驟3，將模擬試樣安裝到熱力模擬機上：

(1)用兩個材質(zhì)為不銹鋼的梯形夾具分別夾緊模擬試樣的兩個夾持端，并將夾具固定在熱力模擬試驗機操作箱內(nèi)的試樣夾緊裝置上；

(2)分別將兩條主熱電偶的偶絲的另一端，連接到操作箱內(nèi)的一組內(nèi)接線柱的正極和負極上；分別將輔助熱電偶的偶絲的另一端，連接到操作箱內(nèi)的另一組內(nèi)接線柱的正極和負極上；

步驟4，對模擬試樣進行加熱處理：

對熱力模擬試驗機操作箱抽真空至≤10Pa，設(shè)定加熱方式為分段階梯加熱、加熱速率先以2℃/s，加熱到500℃，再以10℃/s的速度加熱到950℃，隨后保溫5min，啟動夾具的冷卻裝置，對模擬試樣進行加熱處理；在保溫過程中，對比主、輔兩組熱電偶的溫度曲線發(fā)現(xiàn)，最大溫度偏差T_心-T_邊＝4.8℃≤5℃；

當(dāng)T_心-T_邊≤5成立時，則在模擬長方體上確定模擬試樣加熱后的均溫區(qū)：以第一主熱電偶焊接點為對稱中心，找到第三輔助熱電偶焊接點的對稱點，稱為第五熱電偶焊接點，那么在模擬長方體上，第三輔助熱電偶焊接點所在橫截面與第五熱電偶焊接點所在橫截面之間的區(qū)域，稱為模擬試樣加熱后的均溫區(qū)；即模擬試樣加熱后的均溫區(qū)的高與沿模擬長方體的高平行且高為2L＝5mm；

步驟5，對模擬試樣進行壓縮試驗：

(1)模擬試樣經(jīng)加熱和保溫后，熱力模擬試驗機根據(jù)設(shè)定變形溫度為850℃、變形量為3mm和應(yīng)變速率為2s^-1，對模擬長方體進行壓縮變形，壓縮變形結(jié)束后在均溫區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生鐓粗區(qū)，設(shè)緊鄰模擬長方體兩側(cè)的階梯臺臺面之間的距離為H_壓縮高，則：

實際變形量＝H_模擬高-H_壓縮高＝15-12＝3mm；

實際變形程度＝(H_模擬高-H_壓縮高)/H_模擬高×100％＝3/15×100％＝20％；

(2)在模擬長方體上確定模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)，在壓縮后的模擬長方體上，第三輔助熱電偶焊接點所在橫截面與第五熱電偶焊接點所在橫截面之間的區(qū)域，稱為模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)；

步驟6，對模擬試樣進行冷卻處理：

模擬試樣熱壓縮變形完成后，熱力模擬試驗機根據(jù)設(shè)定的冷卻工藝參數(shù)：冷卻方式采用Q&P淬火-配分型階梯冷卻，以10℃/s的速度冷卻到280℃，保溫5min，隨后再以10℃/s的速度冷卻到室溫；

步驟7：模擬試樣表面觀察：

模擬試樣冷卻處理結(jié)束后，取下模擬試樣，將鐓粗區(qū)放大30倍，觀察其表面發(fā)現(xiàn)無裂紋：

步驟8，用高強塑積熱成形實驗鋼標(biāo)準沖擊試樣驗證沖擊過程是否有效：

(1)以模擬試樣的第一主熱電偶焊接點所在橫截面對應(yīng)高強塑積熱成形實驗鋼標(biāo)準沖擊試樣的中心截面，將模擬試樣加工成標(biāo)準沖擊試樣，在標(biāo)準沖擊試樣的中部位置開V型口并標(biāo)注其均溫區(qū)的范圍，其中，標(biāo)準沖擊試樣的均溫區(qū)確定方法：以模擬試樣的第一主熱電偶焊接點所在橫截面對應(yīng)標(biāo)準沖擊試樣的中心截面，標(biāo)準沖擊試樣對應(yīng)模擬試樣壓縮后的均溫區(qū)的部分，稱為標(biāo)準沖擊試樣的均溫區(qū)；

(2)用Instron 9250HV落錘沖擊試驗機對高強塑積熱成形實驗鋼標(biāo)準沖擊試樣進行沖擊試驗，將標(biāo)準沖擊試樣沖斷；

(3)將沖斷的高強塑積熱成形實驗鋼標(biāo)準沖擊試樣拼接起來，測得斷口影響寬度為3.58mm，小于模擬試樣均溫區(qū)經(jīng)壓縮變形后實測的寬度3.85mm，確定斷裂面在標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)，測得沖擊吸收功為42.5J，斷裂后的斷裂面宏觀圖片如圖8所示，斷裂后的斷裂面的SEM圖如圖9所示；

斷裂面在標(biāo)準沖擊試樣均溫區(qū)范圍內(nèi)，所測得的沖擊韌性指標(biāo)是有效的，以沖擊試樣缺口區(qū)域的形變熱處理代替對整個試樣的形變熱處理方法是科學(xué)的，表明熱力模擬過程成立，進而確定高強塑積熱成形實驗鋼形變熱處理的參數(shù)：

加熱處理參數(shù)為：采用分段階梯加熱方式，以2℃/s的速度從室溫加熱到500℃，再以10℃/s的速度加熱到950℃，隨后保溫5min；壓縮變形的參數(shù)為：變形溫度為850℃，變形量為3mm，變形程度為20％，應(yīng)變速率為2s^-1；冷卻過程的參數(shù)為：冷卻方式為Q&P淬火-配分型階梯冷卻：以10℃/s的速度冷卻到280℃，保溫5min，隨后再以10℃/s的速度冷卻到室溫。