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《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第十期

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車安全性和節(jié)能性的要求越來越高．因高強(qiáng)度鋼板經(jīng)過熱沖壓后具有較高的比強(qiáng)度而受到廣泛關(guān)注．由于熱沖壓過程涉及熱力相三場(chǎng)耦合，故比冷沖壓成形復(fù)雜得多．在熱沖壓成形過程中，板料與模具的熱交換過程對(duì)零件內(nèi)部的溫度場(chǎng)和應(yīng)力－應(yīng)變場(chǎng)以及相變都有很大的影響［1］，因此，獲得準(zhǔn)確的換熱系數(shù)對(duì)于獲得高質(zhì)量的成形件和對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確模擬至關(guān)重要．近年來，針對(duì)材料的熱交換特性已進(jìn)行了一些研究．例如：Tondini等［2］通過反分析模型并結(jié)合傳熱模擬研究了不同壓力下材料的換熱系數(shù)，得到了換熱系數(shù)與壓力的變化關(guān)系；Bai等［3］將板料與模具之間的傳熱簡(jiǎn)化為一維傳熱過程，并用一種封閉式算法分析換熱系數(shù)，得出了不同壓力和表面粗糙度下的換熱系數(shù)；Merklein等［4］運(yùn)用牛頓冷卻定律研究了不同的溫度和壓力下的界面換熱系數(shù)；Ding等［5］研究了真空和低溫狀態(tài)下不銹鋼之間的熱交換；朱智等［6］和邢磊等［7］運(yùn)用自制實(shí)驗(yàn)裝置研究了多種合金與模具的瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)的變化情況．但是，這些研究大多是通過溫度、壓力和表面粗糙度等因素的影響來研究換熱系數(shù)的變化，而很少考慮板料的氧化作用．在實(shí)際熱沖壓的生產(chǎn)過程中，鋼板的氧化很難避免，即使表面涂覆防氧化涂層也無法完全避免氧化的產(chǎn)生［8］．Hua等［8］和常穎等［9］研究發(fā)現(xiàn)，22MnB5硼鋼板的氧化作用可使其換熱系數(shù)減小，但其中未分析壓力增加時(shí)鋼板氧化皮的破裂作用對(duì)其換熱系數(shù)的影響．鑒于此，本文以常用熱沖壓材料BR1500HS高強(qiáng)度鋼和5CrMnMo模具鋼為研究對(duì)象，測(cè)定不同保溫時(shí)間下的板料氧化皮厚度，建立保溫時(shí)間與氧化皮厚度的關(guān)系，依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的條件，利用自制實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定模具和板料的溫度，運(yùn)用DEFORM－3D軟件模擬計(jì)算板料和模具的溫度，并通過最小二乘法［10］求解不同壓力及不同硼鋼板的氧化作用下的換熱系數(shù)，分析了其對(duì)換熱系數(shù)的影響及其交互作用．同時(shí)，將換熱系數(shù)與影響因素進(jìn)行整體擬合，以期為熱沖壓溫度場(chǎng)的建立及其參數(shù)設(shè)定提供依據(jù)．

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1實(shí)驗(yàn)裝置所用實(shí)驗(yàn)裝置由加載機(jī)構(gòu)和溫度記錄機(jī)構(gòu)組成．加載機(jī)構(gòu)利用旋壓機(jī)的頂針提供壓力，其壓力為0～10MPa．采用8通道溫度記錄儀記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度，其測(cè)量所用熱電偶均為K型熱電偶，溫度測(cè)量區(qū)間為0～1200°C，其簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。將BR1500HS高強(qiáng)度鋼切割成直徑80mm、厚度1．8mm的圓片狀試樣，如圖2（a）所示；上、下模具加工成直徑80mm、厚度分別為30和20mm的圓柱狀，如圖2（b）所示；將上、下模具在距離表面0．5mm處鉆盲孔以安裝熱電偶，另外，將下模具鉆通孔并安裝熱電偶以測(cè)量板料的溫度．

1．2實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)壓力裝置的加載范圍，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了10種不同的載荷（1～10MPa），以評(píng)價(jià)壓力對(duì)換熱系數(shù)的影響；另外，根據(jù)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)條件，本實(shí)驗(yàn)通過控制板料的保溫時(shí)間來評(píng)價(jià)板料的氧化作用，并以板料的氧化皮厚度的檢測(cè)來確定保溫時(shí)間與板料氧化作用的關(guān)系．每一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將板料在加熱爐中加熱至950°C并分別保溫0～12min，間隔時(shí)間為1min；然后，迅速轉(zhuǎn)移至下模具表面，上、下模具迅速閉合并加載所需壓力；同時(shí)，用溫度記錄儀記錄板料和模具的溫度直至溫度基本穩(wěn)定．

2換熱系數(shù)求解方法

本文所用換熱系數(shù)的測(cè)定方法是：通過軟件模擬獲取在某一換熱系數(shù)下的瞬時(shí)溫度；利用最小二乘法［10］來縮小軟件模擬計(jì)算的溫度與實(shí)際測(cè)定的瞬時(shí)溫度的差異，直到兩者的溫度值基本吻合為止．

2．1實(shí)驗(yàn)?zāi)M利用DEFORM－3D軟件模擬上、下模具與板料之間的傳熱過程，其模擬簡(jiǎn)化過程如圖3所示．模型的邊界條件見表1～3．表中：ρ為材料密度；E為彈性模量；ν為泊松比；c為比熱容；λ為材料的熱導(dǎo)率．模擬過程的換熱系數(shù)為0．5～4．0kW／（m2•°C），模具初始溫度設(shè)為20°C，板料初始溫度根據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度設(shè)定．先將板料在爐中加熱至950°C，再放入模具上面并基本穩(wěn)定至860°C左右．在模擬過程中，選取與實(shí)際測(cè)量溫度位置一致的測(cè)點(diǎn)來模擬計(jì)算溫度，取距離上模具表面0．5mm位置的模擬計(jì)算溫度，并與實(shí)際測(cè)量溫度進(jìn)行對(duì)比，通過最小二乘法求解最佳的換熱系數(shù)，直至模擬計(jì)算溫度與實(shí)際測(cè)量溫度在允許誤差范圍以內(nèi)。

2．2最小二乘法求解本文采用最小二乘法優(yōu)化模擬計(jì)算溫度與實(shí)際測(cè)量溫度之間的差異以測(cè)定換熱系數(shù)．在一定的壓力下，熱電偶所測(cè)溫度與模擬所得溫度的差異可用以下誤差函數(shù)表示。

3結(jié)果與分析

3．1保溫時(shí)間與板料氧化層厚度的關(guān)系在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，可以宏觀控制保溫時(shí)間和壓力等參數(shù)．為了表征保溫時(shí)間與鋼板氧化程度的關(guān)系，采用金相法測(cè)定加熱后的板料的氧化皮厚度d．加熱保溫3min后的板料表面如圖5所示．可以看出，板料的氧化較為嚴(yán)重，整個(gè)板料已被氧化皮所包裹．在加熱溫度為950°C時(shí)，各保溫時(shí)間所對(duì)應(yīng)的氧化皮厚度如圖6所示．由圖6可見：隨著保溫時(shí)間增加，板料的氧化皮厚度增大，但在保溫時(shí)間達(dá)到6min左右時(shí)，氧化皮厚度的增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩．另外，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋼板氧化皮的表面形貌，其結(jié)果如圖7所示．可以看出，氧化皮表面部分呈現(xiàn)出開裂和脫落狀態(tài)，其組織結(jié)構(gòu)較為疏松。

3．2板料的氧化作用對(duì)換熱系數(shù)的影響為研究壓力和板料的氧化作用對(duì)換熱系數(shù)的影響，本文采用等效換熱系數(shù)來表征換熱系數(shù)的大小［11］，即每個(gè)壓力和氧化皮厚度下對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的換熱系數(shù)。由圖8可以看出，隨著板料氧化皮厚度的增大，換熱系數(shù)呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)，這是由于板料表面氧化物的熱導(dǎo)率比金屬基體的熱導(dǎo)率低得多，造成了氧化皮厚度越大，板料與模具之間的熱交換越困難，表現(xiàn)為換熱系數(shù)越小，且隨著氧化皮厚度不斷增加，換熱系數(shù)的減小趨勢(shì)越緩慢，即氧化物對(duì)換熱系數(shù)的阻礙作用越不明顯．根據(jù)這一特征。式中，A和n均為所求參數(shù)，n值取為0．04～0．18，其擬合結(jié)果如圖9所示．其中，擬合優(yōu)度為0．947～0．981，擬合結(jié)果良好．n值反映了氧化皮厚度對(duì)換熱系數(shù)的阻礙作用，n值越小，其阻礙作用越弱，即壓力越大，氧化作用對(duì)換熱系數(shù)的阻礙作用越弱．由于高溫下板料表面氧化的速度小于碳原子從內(nèi)部向表面擴(kuò)散的速度，氧化皮上表面出現(xiàn)了大面積脫碳行為，脫碳部分的組織由于碳原子缺失而使其含碳量小于金屬基體的含碳量，造成了脫碳部分組織的硬度和強(qiáng)度比金屬基體的小得多，氧化皮越厚，其強(qiáng)度和硬度較低的脫碳組織越厚［12］，同一壓力下上層強(qiáng)度和硬度較低的氧化皮將發(fā)生變形甚至破裂，而且壓力增大時(shí)也會(huì)導(dǎo)致氧化皮變形甚至破裂，造成板料與模具之間的接觸作用增強(qiáng)，從而弱化了氧化皮的阻礙作用，氧化皮厚度和壓力越大，其弱化作用越強(qiáng)，在圖8和9中表現(xiàn)為同一壓力下隨著氧化皮厚度的增加而換熱系數(shù)減小的趨勢(shì)變緩，且壓力越大，氧化作用對(duì)換熱系數(shù)的阻礙作用越弱．

3．3壓力對(duì)換熱系數(shù)的影響通過最小二乘法獲得不同板料氧化皮厚度下?lián)Q熱系數(shù)隨著壓力變化的關(guān)系曲線如圖10所示。由圖10可以看出，在一定的氧化皮厚度下，隨著壓力增大，換熱系數(shù)呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì)．這是由于隨著壓力增大，板料和模具的實(shí)際接觸面積增大，熱量可以通過更多的接觸點(diǎn)進(jìn)行熱量傳遞；另外，隨著壓力增大，換熱系數(shù)的增幅減緩，即換熱系數(shù)對(duì)壓力的敏感性降低。由式（8）擬合的結(jié)果如圖11所示．其中，各擬合優(yōu)度為0．98～0．98，擬合結(jié)果較好．n值為0．41～0．59，且n值隨著氧化皮厚度的增加而增大．壓力越大，接觸面的微凸體變形越大，變形越趨于完全，可變形的微凸體越來越少，造成進(jìn)行熱交換的接觸面增加減緩，在圖9和10中表現(xiàn)為換熱系數(shù)隨著壓力的增大而對(duì)壓力的敏感性降低．3．4整體擬合分析根據(jù)換熱系數(shù)與氧化皮厚度和壓力的關(guān)系，可將換熱系數(shù)與氧化皮厚度以及壓力進(jìn)行整體的擬合，由式（7）、（8）可將換熱系數(shù)與氧化皮厚度以及壓力按照以下關(guān)系式進(jìn)行擬合。其擬合優(yōu)度為0．974，擬合結(jié)果較好．從指數(shù)的大小來看，板料氧化皮厚度對(duì)換熱系數(shù)的阻礙作用低于壓力對(duì)換熱系數(shù)的促進(jìn)作用，故實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)保溫時(shí)間的大小來適當(dāng)增加板料的界面壓力，以減緩氧化皮厚度對(duì)熱交換的阻礙作用，從而達(dá)到良好的熱交換效果．量化后的表達(dá)式對(duì)于熱沖壓換熱系數(shù)的確定具有十分重要的意義．

4結(jié)論

（1）在加熱溫度為950°C，保溫時(shí)間0～12min條件下，隨著保溫時(shí)間增加，氧化皮厚度增加，但當(dāng)保溫時(shí)間超過6min后氧化皮厚度的增速趨緩．（2）在9～135μm的氧化皮厚度下，板料與模具之間的換熱系數(shù)隨著氧化皮厚度的增加而減小，且由于氧化皮組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的受壓時(shí)氧化皮破裂，使得換熱系數(shù)隨著氧化皮厚度的增加而其降幅趨緩；另外，板料的氧化對(duì)換熱系數(shù)的阻礙作用隨著壓力的增大而減弱．（3）在1～10MPa的壓力下，換熱系數(shù)隨著壓力的增加而增大，且其增幅隨著壓力的增加而降低，由于氧化皮的破裂作用，使得換熱系數(shù)對(duì)壓力的敏感性隨著氧化皮厚度的增加而增強(qiáng)．（4）通過擬合分析可將換熱系數(shù)與板料的氧化皮厚度和壓力的關(guān)系進(jìn)行整體擬合．

作者：夏玉峰 張嚴(yán)東 紀(jì)帥 單位：重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院