CN103776977A - 预测q&p钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法；首先测量板料初始奥氏体体积分数，然后将板料在不同温度下拉伸到预设应变，卸载并测量残余奥氏体体积分数，基于试验数据拟合得到等温状态下、板料在不同环境温度残余奥氏体含量随等效塑性应变的关系；推导出应变诱发马氏相变速率方程；对该方程积分得到任意温度路径下，板料变形后残余奥氏体体积分数与等效塑性应变的关系；通过测量变形后的等效塑性应变，结合变形过程温度可精确预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体体积分数变化。该方法简单、准确、成本低廉且易于实施；依据该方法可对冲压后的板料的残余奥氏体体积分数进行准确预测，为冲压工艺的改进提供依据。

Description

预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法

技术领域

本发明涉及钢冲压件性能测量领域，尤其涉及一种预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法。 

背景技术

面对现代汽车工业对制造成本、车身轻量化和被动安全要求的不断提高，先进高强钢等高强度轻量化材料的应用得到了广泛关注。J.Speer等于2003年提出了淬火-分配(Quenching and Partition)工艺，碳分配过程使碳原子从马氏体向奥氏体富集，获得了低碳马氏体和室温下稳定的高碳奥氏体组织。该工艺得到的Q&P(Quenching and Partition)钢是一种具有TRIP效应的新型先进高强钢，其生产成本低廉，且在强度提高的同时仍然有很高的塑性，得到了国内外科研单位和企业的广泛关注，被称为第三代先进高强钢。 

Q&P钢作为一种新型钢板，其轧制和热处理工艺使得其室温组织为含有铁素体、马氏体和残余奥氏体的复相组织。Q&P钢中的残余奥氏体在一定的塑性变形的诱导下，发生TRIP(Transformation-Induced Plasticity)效应转变为马氏体，一方面松弛形变产生的应力集中并且延缓裂纹扩展，这推迟了颈缩，提高了材料塑性；另一方面，持续缓慢生成的马氏体使得材料的硬化性能比之前有较大提高，提高了材料的强度。相变诱发塑性(TRIP)效应使得Q&P钢有良好的力学性能，而诸多文献表明温度是影响TRIP效应的重要因素。 

在实际冲压过程中，同一冲压模具上需要大批量、高频率冲压零件，冲压模具和板料间的温度会因为相互摩擦和板料的塑性变形释放的大量热量而明显升高，因此零件变形过程的环境温度往往不是室温，且不再是等温过程。因此，以室温试验及等温状态为基础得出的传统变形过程的奥氏体转变规律不能代表实际冲压过程，不能对实际冲压过程的残余奥氏体相变规律进行准确预测，难以应用到汽车工业。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法。该方法充分考虑了冲压过程环境温度及温度变化对应变诱发 马氏体相变的影响，与传统基于室温的试验相比，更加贴近实际冲压的情况，大大提高了预测精度。方法简单且易于实施，依据该方法，可对冲压后的Q&P钢板料的残余奥氏体体积分数进行准确预测，为冲压工艺的改进提供依据，从而推广Q&P钢的应用。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

本发明涉及一种预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，所述方法包括如下步骤： 

A、准备好Q&P钢板料单拉试样和环境箱，测量板料的初始残余奥氏体体积分数； 

B、在若干种不同环境温度下对板料进行中断单向拉伸试验，测量变形后试样中心点的残余奥氏体体积含量； 

C、等温状态相变规律的确定：拟合不同环境温度下测定的残余奥氏体体积含量与所对应的等效塑性应变的关系，建立等温状态下、不同环境温度单向拉伸后的残余奥氏体体积含量与等效塑性应变的表达式； 

D、相变速率方程的确定：用步骤C得到的表达式对等效塑性应变求微分，得到应变诱发马氏体相变的相变速率的表达式(表示残余奥氏体在单位塑性应变内发生相变的残余奥氏体体积含量)； 

E、非等温状态相变规律的确定：若试样温度在变形过程是不断变化的，将表达温度变化的函数带入步骤D的相变速率方程，即得非等温状态马氏体相变速率方程的表达式；对非等温状态马氏体相变速率积分可以得到板料在非等温状态变形的相变规律，即残余奥氏体体积含量与所对应的等效塑性应变的关系； 

F、通过网格测量法得出Q&P钢板料试样的等效塑性应变，结合变形过程的温度变化，利用步骤C或E得到的相变规律即可定量预测Q&P钢板料在不同温度变形后残余奥氏体体积含量。 

优选地，步骤A中，所述测量采用X射线衍射法、金相分析法、扫面电镜法中的一种或几种。测量方法还可以有中子衍射法、穆斯堡尔光谱法等，可根据实际需要进行选择。 

优选地，步骤B中，所述中断单向拉伸试验是将板料在相同的准静态应变率下 

进行单向拉伸，加载到预设应变后卸载。 

优选地，步骤C中，还包括将变形后残余奥氏体体积含量与等效塑性应变和环境温度拟合成三维图形的步骤。测量变形后的等效塑性应变结合环境温度就可以直接从图形上快速查询到残余奥氏体体积分数。 

优选地，步骤C中，还包括制作残余奥氏体体积含量二维查询图的步骤。 

更优选地，所述制作二维查询图具体为：将残余奥氏体体积含量的等值线投影，制作成二维查询图。测量变形后的等效塑性应变结合环境温度可在二维图形上查出变形后的残余奥氏体体积分数。 

优选地，步骤F中，所述网格测量法具体为：在Q&P钢板料试样上印制圆形网格，变形后通过测量试样上网格的变化可得主次应变，然后根据体积不变原理，即ε₁+ε₂+ε₃=0，由公式

求出对应的等效塑性应变。 

优选地，步骤F中，所述网格测量法得到的等效塑性应变也可以用引伸计或者其他应变测量法得出。 

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 

1、充分考虑了不同环境温度及变形过程的温度变化对应变诱发马氏体相变的影响，与传统的室温等温状态得出的马氏体转变规律相比，更加贴近零件的实际冲压的情况，大大提高了预测精度。 

2、通过本发明提出的预测公式，只需测得变形后的等效塑性应变并结合变形过程的温度，就可以对不同温度变形后试样的残余奥氏体体积分数进行预测；具有简单、准确且易于实施的优点，而且避免了繁杂的直接测量残余奥氏体的过程，降低了时间成本和经济成本。 

3、依据本发明的试验预测结果，可对冲压后的Q&P钢板料的残余奥氏体体积分数进行准确预测，为冲压工艺的改进提供依据，从而推广Q&P钢的应用。 

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： 

图1为本发明残余奥氏体体积分数二维查询图；其中，X轴为等效塑性应变，Y轴为环境温度，Z轴为残余奥氏体体积分数； 

图2为本发明残余奥氏体体积分数与塑性等效应变和环境温度的三维图；其中，X轴为等效塑性应变，Y轴为环境温度。 

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 

实施例

本实施例涉及预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体体积分数变化的方法，包括以下步骤： 

(1)本实例中以1.2mm的QP980板料为例，准备好Q&P钢板料单拉试样和环境箱，用X射线衍射法测得变形前的残余奥氏体体积分数为V_A0=10.61％； 

(2)然后将试样置于环境箱中，在四种环境温度(298，333，373，413K)下进行单向拉伸试验，加载到一定的应变后卸载并测量试样中心点的残余奥氏体体积含量； 

(3)将步骤(2)得到的残余奥氏体含量与对应的等效塑性应变的数据，建立等温状态下，不同环境温度单向拉伸后的残余奥氏体含量的表达式。 

在298K时，将试样置于环境箱中用万能单向拉伸试验机变形到不同应变量然后卸载，测量变形后的残余奥氏体体积分数，拟合得到系数： 

$V_{A1}=V_{A0}\exp (-\frac{1}{g_1}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{\α}})$

其中，V_A1为298K单向拉伸变形后的残余奥氏体体积分数，g₁为298K时与温度相关拟合系数，α为材料固有参数(不随试验条件改变，通过室温的单拉试验确定其取值)，ε_eq为等效塑性应变。拟合后得到T₁=298K时，g₁=0.481，α=0.74，即 

$V_{A1}=0.1061\exp (-\frac{1}{0.481}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{0.74}).$

同理，在333K下，将试样在相同应变率下，置于环境箱中用万能单向拉伸试验机变形到不同应变量然后卸载，测量变形后的残余奥氏体体积分数，拟合得到系数。 

$V_{A2}=V_{A0}\exp (-\frac{1}{g_2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{\α}})$

其中，V_A2为333K单向拉伸变形后的残余奥氏体体积分数，g₂为333K时与温度相关的拟合系数。拟合后得到T₂=333K时，g₂=1.098，即

在373K下，将试样在准静态应变率下，置于环境箱中用万能单拉机变形到不同应变量然后卸载，测量变形后的残余奥氏体体积分数，拟合得到系数。 

$V_{A3}=V_{A0}\exp (-\frac{1}{g_3}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{\α}})$

其中，V_A3为373K单向拉伸变形后的残余奥氏体体积分数，g₃为373K时与温度相关的拟合系数。拟合后得到T₃=373K时，g₃=1.398，即

在413K下，将试样在准静态应变率下，置于环境箱中用万能单向拉伸机变形到不同应变量然后卸载，测量变形后的残余奥氏体体积分数，拟合得到系数。 

$V_{A4}=V_{A0}\exp (-\frac{1}{g_4}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{\mathrm{\α}})$

其中，V_A4为413K单向拉伸变形后的残余奥氏体体积分数，g₄为413K时与温度相关的拟合系数。拟合后得到T₄=413K时，g₄=1.885，即

根据四种环境温度变形下的马氏体相变规律，假设拟合系数g₁，g₂，g₃，g₄和温度相关，且是环境温度T的线性函数，即g(T)=aT+b。其中，α，b为线性拟合的系数，可得： 

g=0.012182T-3.14567； 

因此，不同环境温度下(等温条件)，QP980板料残余奥氏体转变规律为： 

$V_A=0.1061\exp (-\frac{1}{0.012182*T-3.14567}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{0.74})$

将残余奥氏体体积分数与等效塑性应变和环境温度的关系拟合成三维图形，如图1，图中X轴为等效塑性应变，Y轴为环境温度，Z轴为残余奥氏体体积分数；或者将残余奥氏体体积分数的等高线投影，制作成如图2所示的二维查询图，图中X轴为等效塑性应变，Y轴为环境温度 

(4)相变速率方程的确定。定义v为应变诱发马氏体相变速率，表示残余奥氏体在单位塑性应变内发生相变的残余奥氏体体积分数。用步骤(3)所得的表达式对ε_eq求导可以得到Q&P钢在等温及准静态条件下，不同环境温度的应变诱发马氏体相变速率的表达式为： 

$v=\frac{{\mathrm{dV}}_A}{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{eq}}}=-V_A\frac{{0.74\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{-0.26}}{0.012182T-3.14567}$

其中，V_A为残余奥氏体的瞬时体积分数，T为试样温度，ε_eq为等效塑性应变； 

(5)非等温状态相变规律的确定。若试样温度在变形过程是不断变化的，其变化规律可以用函数T(T₀，ε_eq)表达，将温度变化函数T(T₀，ε_eq)带入步骤(4)的相变速率方程 可得如下非等温状态马氏体相变速率方程的表达式。对非等温状态马氏体相变速率积分可以得到Q&P钢在非等温状态变形的相变规律，即残余奥氏体含量与所对应的等效塑性应变的关系： 

$v=\frac{{\mathrm{dV}}_A}{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{eq}}}=-V_A\frac{{0.74\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{-0.26}}{0.012182T(T_0,{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}})-3.14567}$

上式积分可以得到QP980板料在非等温状态变形的相变规律如下。 

$V_A=\frac{{\mathrm{dV}}_A}{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{eq}}}=0.1061\exp (-\∫\frac{{0.74\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}}^{-0.26}}{0.012182T(T_0,{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eq}})-3.14567}\mathrm{d\ϵ})$

而当变形过程是等温状态时，相变规律回归到成步骤(3)所得结论。 

(6)在试样上印制圆形网格，变形后通过测量试样上网格的变化可得主次应变，然后根据体积不变原理，即ε₁+ε₂+ε₃=0，由公式

可求出对应的等效塑性应变； 

若变形过程为等温过程，可直接根据计算得到的等效塑性应变和环境温度在步骤(3)所得的查询图1、2上得到残余奥氏体体积分数。例如测得某单拉过程温度恒定，环境温度为345K，等效塑性应变为0.13，由查询图1、2可快速查到残余奥氏体体积分数为8.6％。 

若为变形过程为非等温过程，将等效塑性应变和变形过程温度变化函数T(T₀，ε_eq)带入步骤(5)所得的公式，可计算残余奥氏体体积分数。 

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。 

Claims (8)

1.一种预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、准备好Q&P钢板料单拉试样和环境箱，测量板料的初始残余奥氏体体积含量；

B、在若干种不同环境温度下对板料进行中断单向拉伸试验，测量变形后试样中心点的残余奥氏体体积含量；

C、等温状态相变规律的确定：拟合不同环境温度下测定的残余奥氏体体积含量与所对应的等效塑性应变的关系，建立等温状态下、不同环境温度单向拉伸后的残余奥氏体体积含量与等效塑性应变的表达式；

D、相变速率方程的确定：用步骤C得到的表达式对等效塑性应变求微分，得到应变诱发马氏体相变的相变速率的表达式；

E、非等温状态相变规律的确定：若试样温度在变形过程是不断变化的，将表达温度变化的函数带入步骤D的相变速率方程，即得非等温状态马氏体相变速率方程的表达式；对非等温状态马氏体相变速率积分可以得到板料在非等温状态变形的相变规律，即残余奥氏体体积含量与所对应的等效塑性应变的关系；

F、通过网格测量法得出Q&P钢板料试样的等效塑性应变，结合变形过程的温度变化，利用步骤C或E得到的相变规律即可定量预测Q&P钢板料在不同温度变形后残余奥氏体体积含量。

2.如权利要求1所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，步骤A中，所述测量采用X射线衍射法、金相分析法、扫面电镜法中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，步骤B中，所述中断单向拉伸试验是将板料在相同的准静态应变率下进行单向拉伸，加载到预设应变后卸载。

4.如权利要求1所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，步骤C中，还包括将变形后残余奥氏体体积含量与等效塑性应变和环境温度拟合成三维图形的步骤。

5.如权利要求1所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，步骤C中，还包括制作残余奥氏体体积含量二维查询图的步骤。

6.如权利要求5所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，所述制作二维查询图具体为：将残余奥氏体体积含量的等值线投影，制作成二维查询图。

7.如权利要求1所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，步骤F中，所述网格测量法具体为：在Q&P钢板料试样上印制圆形网格，变形后通过测量试样上网格的变化可得主次应变，然后根据体积不变原理，即ε₁+ε₂+ε₃=0，由公式

求出对应的等效塑性应变。

8.如权利要求1所述的预测Q&P钢在不同温度变形后残余奥氏体变化的方法，其特征在于，步骤F中，所述网格测量法得到的等效塑性应变也可以用引伸计或者其他应变测量法得出。

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