通過(guò)熱沖壓（也稱為沖壓硬化）來(lái)生產(chǎn)具有所需性能的高強(qiáng)度鋼構(gòu)件需要深入了解和控制成型過(guò)程。從而根據(jù)不同的工藝參數(shù)及其交互作用，使最終零件的性能變得可預(yù)測(cè)和可調(diào)整。除了常規(guī)的冷成型參數(shù)之外，熱和微觀結(jié)構(gòu)等參數(shù)使得熱沖壓過(guò)程的機(jī)械性能變得更加復(fù)雜。這些參數(shù)是解釋物理現(xiàn)象必不可少的。

在這篇文章中，對(duì)熱沖壓中的熱，機(jī)械，微觀結(jié)構(gòu)和技術(shù)領(lǐng)域的最新狀況進(jìn)行了綜述。研究所有工序后，從半成品加熱到熱沖壓空各個(gè)過(guò)程都進(jìn)行了描述。對(duì)現(xiàn)有研究結(jié)果進(jìn)行調(diào)查顯示，在整個(gè)過(guò)程中的成形相轉(zhuǎn)變，連續(xù)流變行為，都和機(jī)械性能以及幾何形狀相關(guān)。形成的一些差距，主要和相變，連續(xù)流動(dòng)行為的領(lǐng)域，機(jī)械和幾何形狀之間的部分性質(zhì)的相關(guān)。這些和先進(jìn)工藝的工業(yè)應(yīng)用都有一些差距。該論述的目的是提供一個(gè)成型過(guò)程背景，并展示熱沖壓領(lǐng)域的巨大潛力。

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?鑒于汽車的輕量化，安全化和抗沖擊性能，對(duì)于高強(qiáng)度汽車機(jī)構(gòu)鋼板的需求日益明顯。瑞典公司熱沖壓專利及其發(fā)展（1977年專利），被用于一些刀具刃上。1984年Saab汽車公司是第一家采用硬化硼鋼板制作了Saab9000的汽車制造商。生產(chǎn)的零部件從1987年的的300萬(wàn)件/年到1977年的800萬(wàn)件/年。自從2000年起，更多的熱沖壓零部件被用于汽車上，并且年生產(chǎn)量在2007年已達(dá)到1億多件。熱沖壓件在汽車工業(yè)的應(yīng)用比如說(shuō)汽車底盤，像A柱，B柱，保險(xiǎn)杠，車頂縱梁和管道，如圖1。?

目前熱沖壓存在兩種途徑：直接和間接熱沖壓方法。在直接熱沖壓中，半成品被加熱，再轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓，隨后在閉式模具內(nèi)成型和淬火。見圖2a。?

間接熱沖壓的特征是使用一個(gè)接近完整的預(yù)成型的冷模，這僅用于淬火和奧氏體化后沖壓的標(biāo)準(zhǔn)使用。見圖2b。材料中完全馬氏體轉(zhuǎn)變引起應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到1500MPa。

本文回顧了熱沖壓的很多研究。這將從描述用于熱沖壓的工件材料開始。然后，描述熱沖壓過(guò)程中的重點(diǎn)。最后，展示了熱沖壓后零部件的一些工藝以及裁、修改特性。本文不僅包括了大量的實(shí)驗(yàn)還包括了熱沖壓領(lǐng)域的許多研究。

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Naderi對(duì)于超高強(qiáng)度鋼的研究顯示，使用水冷裝置進(jìn)行熱沖壓之后，只有22MnB5，27MnCrB5，37MnB4這樣的硼合金鋼（表1）是唯一能得到完全馬氏體組織的鋼種(Naderi, 2007)。

在這里，22MnB5是最常用于熱沖壓的鋼級(jí)。最初，該材料展示了能達(dá)到600MPa的鐵素體-珠光體組織。經(jīng)過(guò)熱沖壓工序后，零部件獲得馬氏體組織，并且其強(qiáng)度到到1500MPa（見圖3a）。為了獲得這樣的組織和硬度的轉(zhuǎn)變，坯料將被在950℃持續(xù)奧氏體化至少5min。然后坯料在成型的同時(shí)通過(guò)水冷模具淬火5~10s。由于熱的工件與冷的模具接觸，熱的工件在封閉的模具內(nèi)被淬火。如果冷卻速率超過(guò)最小的冷卻速率，大約為27K/s，溫度大約在400℃左右，就將導(dǎo)致非擴(kuò)散馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，這將最終產(chǎn)生高強(qiáng)度的部件（圖3b）(Merklein etal., 2008)。馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為425℃（馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)位Ms），并且在280℃結(jié)束（馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)位Mf）。

在淬火后鋼的機(jī)械性能變化將取決于碳含量和最終獲得的強(qiáng)度，該強(qiáng)度可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整碳含量來(lái)控制。我們知道Mn和Cr等合金元素對(duì)淬火后強(qiáng)度的影響較小。但是，自從發(fā)現(xiàn)這些元素對(duì)淬透性有影響之后，它們?cè)谠擃I(lǐng)域變得必不可少。因此，設(shè)計(jì)的相轉(zhuǎn)變和淬透性可以通過(guò)可行的冷卻速率開獲得。硼是對(duì)淬透性影響最大的元素，鑒于硼延緩了向軟組織轉(zhuǎn)變和導(dǎo)致馬氏體組織的產(chǎn)生。

在奧氏體化條件下，在鋼與空氣接觸時(shí)很快就形成氧化膜。為了避免表面氧化和脫碳，大量的金屬板會(huì)涂覆上一層保護(hù)層。在直接熱沖壓中應(yīng)用最為廣泛的是Al-Si涂層。Borsetto等研究了熱學(xué)參數(shù)對(duì)Al-Si涂層機(jī)械性能的影響。這些合金鍍層通常是持續(xù)熱浸電鍍工藝，溶液為10%Si和3%Fe和87%Al。在對(duì)含有涂覆層的工件熱處理的過(guò)程中，F(xiàn)e擴(kuò)散從表層-基體界面到表層是個(gè)熱激活過(guò)程。Al-Si涂層的熔點(diǎn)接近600℃。然而，由于基體中存在Fe，Al-Fe合金有著更高的熔點(diǎn)在界面生長(zhǎng)并很快達(dá)到表面。Al-Fe合金遷移到表面，它們有高的熔點(diǎn)防止了表層被氧化。對(duì)于一個(gè)典型950℃熱沖壓過(guò)程，次層組織為交替變化的Al-Fe含量。在直接熱沖壓過(guò)程中，這個(gè)保護(hù)層阻止了氧化層的的產(chǎn)生。相比與在室溫下的初始狀態(tài)基礎(chǔ)材料，由于Al - Si層較低形成的限制，熱浸鍍鋁板不能用于間接熱沖壓過(guò)程中，它們不適合冷成形。這種涂層不提供陰極保護(hù)，如鋅，但有高的柵欄保護(hù)。類似的冷成型件，陰極保護(hù)是適用于熱沖壓零件的。汽車行業(yè)中的這些要求可能通過(guò)陰極保護(hù)得到滿足，如鋅。在加熱和熱沖壓過(guò)程中，熱浸鍍鋅的鋅層基體材料與形成金屬間化物鋅-鐵相發(fā)生反應(yīng)。為了盡量減少涂層中的裂紋擴(kuò)展到基礎(chǔ)材料，熱浸鍍鋅22MnB5只能在間接熱沖壓中使用。在熱沖壓后，氧化層必須經(jīng)過(guò)噴丸移除，以避免不良的涂料附著。另一種22MnB5的保護(hù)涂層是X-tex。這相當(dāng)于給直接和間接的熱沖壓附加一層防腐層。根據(jù)sol–gel工序涂層以μm的氧化材料的結(jié)合為基礎(chǔ)。有機(jī)和無(wú)機(jī)材料混合Al粒子來(lái)形成保護(hù)層。這種7μm的厚保護(hù)層在冷成型過(guò)程中使得材料在不加潤(rùn)滑時(shí)候還能流動(dòng)。

最新的防止氧化層產(chǎn)生的方法是采用防護(hù)油，正如Moriand Ito (2009)中所描述的一樣。電爐中加熱的鋼板氧化能得到阻礙，并且研究了兩種不同的防護(hù)油。氧化防護(hù)油在成型和熱彎曲試驗(yàn)之外的冷卻試驗(yàn)中進(jìn)行了研究。鋼板的表面分析顯示潤(rùn)滑（四次）可以減少表面氧化。

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熱沖壓過(guò)程是從加熱到奧氏體化溫度的鋼板開始的。為了了解該過(guò)程，在熱沖壓過(guò)程中設(shè)置觀察窗口，熱處理工藝參考Lechler and Merklein (2008)的奧氏體溫度和時(shí)間。在這些測(cè)試中，試樣在兩端都是40MPa的壓力下淬火。為了評(píng)價(jià)相轉(zhuǎn)變以及淬火硬度，在維氏硬度計(jì)HV10上進(jìn)行硬度測(cè)試。最短的奧氏體化時(shí)間在不同的奧氏體化溫度和不同厚度的鋼板下火的最大的硬度為470HV，如圖4所示。

研究結(jié)果顯示可淬火的22MnB5，其同等的奧氏體化程度最短熱處理時(shí)間的關(guān)鍵因素是奧氏體化溫度圖4a和鋼板厚度圖4b，。研究發(fā)現(xiàn)，在爐溫為950℃下持續(xù)3min有利于獲得最大馬氏體含量，也是最大硬度約為470HV。隨著爐溫的下降，奧氏體化持續(xù)時(shí)間增加。在熱處理時(shí)隨著確定熱沖壓零部件足夠精確的焊接性能(Stopp et al.,2007)，Al–Si涂層的上限時(shí)間取決于三元合金Al–Si–Fe層的厚度(Austerhoff and Rostek, 2002)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)(Stopp etal., 2007)，在爐中不超過(guò)奧氏體化時(shí)覆層厚度大約為40um。

Lechler (2009)的研究中列出了鋼板熱處理工藝對(duì)零部件性能，處理時(shí)間，熱沖壓成本效率有著深遠(yuǎn)的影響。因此，均勻的坯料溫度和較短的加熱時(shí)間是加熱系統(tǒng)的主要要求。鋼板可以通過(guò)不同的加熱系統(tǒng)：加熱爐，電磁感應(yīng)，和熱傳導(dǎo)（圖5）。

3.1輥底式爐

在現(xiàn)存的行列中，毛坯通常在輥底爐或步進(jìn)爐中加熱。這些爐的大小和關(guān)聯(lián)負(fù)載取決于物料通過(guò)量和被加熱的材料。在特殊的加熱曲線下才能使Al–Si表層材料防止氧化皮形成。這是因?yàn)楸仨氃诨w材料和表層中產(chǎn)生擴(kuò)散(Suehiro et al., 2003)。

現(xiàn)有的熱沖壓線中熔爐的長(zhǎng)度已達(dá)30-40米長(zhǎng)。高的空間需求和日增的研究費(fèi)用使得加熱毛坯的方法力求轉(zhuǎn)變。

沖壓硬度零件的循環(huán)時(shí)間取決于合模時(shí)間和奧氏體化所需滯留在爐里的時(shí)間，在涂層的情況下，還需達(dá)到所需要的完全合金化。談到合模時(shí)間，模具的冷卻的可選擇性為減少循環(huán)時(shí)間提供了可能。減少滯留在爐內(nèi)的時(shí)間可以僅通過(guò)隨后徹底的加熱概念獲得(Lenzeet al., 2008a,b)。這些方法尚處于開發(fā)階段，實(shí)驗(yàn)室研究必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證以用于工業(yè)應(yīng)用。

3.2 傳導(dǎo)加熱

傳導(dǎo)加熱是一個(gè)可以替換的加熱系統(tǒng)。對(duì)于加熱工序，毛坯夾在兩個(gè)電極片之間（Mori et al., 2009）。電流經(jīng)過(guò)金屬板。材料的抗阻引起板的發(fā)熱。材料熱導(dǎo)率的實(shí)質(zhì)基于Joule定律，即電路循環(huán)中熱的產(chǎn)生與電流循環(huán)強(qiáng)度有關(guān)。電流損失的部分是因?yàn)殡娮枳陨戆l(fā)熱。在元件的表面有低的表面質(zhì)量和絕緣層可以增加阻抗，并因此能在接觸區(qū)域產(chǎn)生熱。這種接觸的設(shè)計(jì)以及接觸壓力的控制對(duì)于同等加熱的物質(zhì)非常重要（Kolleck et al.,2008）。

效能是使用傳導(dǎo)加熱的一個(gè)非常重要因素。這個(gè)因素直接取決于部件的阻抗。因?yàn)殚L(zhǎng)的部件比短的部件有更高的阻抗，傳導(dǎo)加熱主要用于具有良好長(zhǎng)徑比的部件，比如管材，棒材，線材，和帶材（Kolleck et al., 2008）。這種加熱方法的劣勢(shì)是沿著材料的長(zhǎng)度方向會(huì)有不均勻的溫度。工業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)問(wèn)題是這種加熱方法很難給復(fù)雜形狀的毛坯加熱(Behrens et al., 2008)。

3.3 感應(yīng)加熱

最后介紹的加熱系統(tǒng)是感應(yīng)加熱。原則上，所有的導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以作為感應(yīng)加熱體，因此該領(lǐng)域的應(yīng)用范圍很廣：金屬熔煉，塊狀，回火和組裝包裝工業(yè)。感應(yīng)器的幾何形狀決定了磁場(chǎng)區(qū)域的位置，這也決定工作的效率。感應(yīng)器和工件的距離也影響加熱系統(tǒng)的效率。一方面，感應(yīng)器和工件之間的絕緣要做好。另一方面，在加熱的時(shí)候工件的形狀會(huì)變化。感應(yīng)器一小段距離的誤差將導(dǎo)致加熱系統(tǒng)的損壞(Kolleck et al., 2009a,b)。相對(duì)輥底式加熱爐，感應(yīng)加熱的效率是其的兩倍，因?yàn)檩伒资郊訜釥t中大量的熱量將從輥軸和氣體中散發(fā)走。

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為了避免在成形前工件的冷卻，工件必須盡快在爐中沖壓成型。而且，成型必須在馬氏體相變之前完成。所有，迅速的閉模盒和成型工序是熱沖壓成功的關(guān)鍵。在成形之后，工件在封閉模內(nèi)淬火，冷卻系統(tǒng)是通過(guò)導(dǎo)管內(nèi)的冷卻水來(lái)將熱量帶走。為了避免在成形過(guò)程中，沖模和工件加劇之間部分的淬火，通常在熱沖壓系統(tǒng)中留一段空的距離（見圖6）。

熱沖壓中另一個(gè)工藝參數(shù)是工作介質(zhì)的方法。溫度作為熱成型工藝中的一個(gè)參數(shù)，其在淬火的時(shí)使得該創(chuàng)新技術(shù)成為可能(Neugebauer et al., 2009)。成型步驟是從調(diào)整側(cè)面或空白模具處開始的。在模具閉合后，成型步驟是在工作介質(zhì)中完成（見圖7）。

Neugebauer et al. (2009)和 Lindkvist et al. (2009)的研究中，氮?dú)夂涂諝夥謩e加壓到600bar作為工作介質(zhì)。相對(duì)于普通的熱沖壓，熱氣成形的優(yōu)勢(shì)是在成型過(guò)程開始時(shí)就可以自由成型零件。另外，由于在成形期間零件與工具之間的接觸時(shí)間較短，因此均勻的坯料溫度分布會(huì)導(dǎo)致坯料的均勻成形。另外，熱氣成形中另一個(gè)令人感興趣的領(lǐng)域是隔熱或不可壓縮工作介質(zhì)的應(yīng)用。

強(qiáng)的氣流可以使熱沖壓過(guò)程中的效率提高，因?yàn)檫@有利于縮短工序的時(shí)間。提高熱導(dǎo)率可以加速冷卻（Casaset al., 2008）和使冷卻系統(tǒng)更為有效。將熱導(dǎo)率提高到66W/mK，可以將保壓持續(xù)時(shí)間從10s減少到8s。

4.1 冷卻管

熱沖壓操作中的淬火不僅影響經(jīng)濟(jì)成本還影響工件的性能。冷卻管的設(shè)計(jì)目標(biāo)是有效的給工件淬火和在馬氏體形成時(shí)至少達(dá)到27K/s的冷卻速率。如果流動(dòng)在冷卻管里的冷卻液是水，那么冷卻系統(tǒng)會(huì)變得更加經(jīng)濟(jì)。工件上的熱量依靠熱傳導(dǎo)從模具散發(fā)，因此模具的熱導(dǎo)率使得熱量又由冷卻管帶走。從工件到模具最適宜的熱交換式，接觸表面不存在氧化皮或裂縫。模具的熱導(dǎo)率是選擇模具材料的關(guān)鍵。另一個(gè)關(guān)鍵因素是為熱排除而設(shè)計(jì)的冷卻管，必須限定它的尺寸，位置和分布。使用較低溫度的冷卻管增加了模具和冷卻管之間的溫差，加速了熱排除的速度，從而導(dǎo)致熱量流動(dòng)。

可以在成形模具上鉆出冷卻孔。使用這種方法，在設(shè)計(jì)孔位置時(shí)候得考慮機(jī)械加工的限制。因此，僅考慮最佳熱轉(zhuǎn)換的冷卻系統(tǒng)是難以做到的。另一種方法是，在澆鑄時(shí)留好孔作為冷卻管(Kuhn and Kolleck, 2006)。這種方法的優(yōu)勢(shì)是冷卻系統(tǒng)不受限制。換句話說(shuō)，模具可以使用激光分段，然后通過(guò)螺栓加固成完整的冷卻孔洞(Freieck, 2007)。該方法很劃算，但是分層設(shè)計(jì)對(duì)于部件的表面和模具的熱轉(zhuǎn)換都不利。

4.2 模具的表面磨損

在Dessain etal. (2008)中描述了測(cè)試模具磨損的方法，文中適用于高溫測(cè)試的磨帶裝置。該設(shè)備采用電阻加熱，在22MnB5棒上涂覆Al–Si層。加熱帶以一定直徑滑行。測(cè)試中，接觸表面為磨損和粘著區(qū)域。主要是模具的磨損，而在空白區(qū)域觀察到Al–Si層的粘著。這些組合層在測(cè)試的早期階段形成，并在模具表面出現(xiàn)壓實(shí)層從而獲得較低的磨損程度。

在熱沖壓過(guò)程中模具暴露在高溫下，將使摩擦過(guò)程中出現(xiàn)大的變化導(dǎo)致表面形貌不一，移除氧化皮，出現(xiàn)過(guò)度磨損。使用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砘蛟诒砻嫱繉邮强朔砻婺Σ恋囊环N方法。Hardell and Prakash (2008)等人在室溫和400℃下研究了等離子處理模具和兩種PVD涂層（CrN 和 TiAlN）。結(jié)論是TiAlN涂層能獲得最好的抗磨損能力。

另一種涂層則不存在。在深入的研究過(guò)程中，奧氏體化溫度和表面組織的影響是必須考慮的。

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在奧氏體化溫度區(qū)域成形后，零部件在封閉的模具內(nèi)淬火知道完全馬氏體組織。22MnB5要獲得完全馬氏體組織需要的冷卻速度需要超過(guò)27K/s。馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致流變應(yīng)力的增加（圖8）。

從奧氏體的（fcc）向馬氏體的（bct）轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積的增加，從而影響淬火時(shí)候的應(yīng)力分布。只有在完全轉(zhuǎn)變行為下，才能預(yù)測(cè)最終得到的材料性能，各相的體積分?jǐn)?shù)，殘余應(yīng)力，和冷卻后工件的形變(Neubauer et al., 2008)。

對(duì)于有熱塑性轉(zhuǎn)變行為的模具材料，應(yīng)變的增加可通過(guò)彈性，塑性，熱，各向同性轉(zhuǎn)變和誘發(fā)應(yīng)力轉(zhuǎn)變的綜合效應(yīng)來(lái)描述（表2）。

由于奧氏體和鐵素體，珠光體，貝氏體和馬氏體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同，相變過(guò)程中發(fā)生的體積變化可以通過(guò)各向同性應(yīng)力來(lái)描述。結(jié)果只導(dǎo)致體積的變化，像增加的熱應(yīng)力。另外，這些組織的形態(tài)各異，隨后的機(jī)械性能也不一樣。因此，由于不斷有新相產(chǎn)生以及變形歷史必須考慮進(jìn)去，這樣使得研究材料的宏觀行為變?yōu)橐粋€(gè)難題。

如果相變?cè)跓o(wú)外加應(yīng)力下產(chǎn)生，那么材料只在母材和產(chǎn)品的壓實(shí)過(guò)程中觀察到純的體積和體積的增加。當(dāng)在外力下產(chǎn)生轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)型引起的塑性變形是不可逆的。Greenwood–Johnson機(jī)制（Greenwood and Johnson, 1965）描述了轉(zhuǎn)變塑性依靠奧氏體和結(jié)果相的體積分?jǐn)?shù)。因此，當(dāng)施加偏應(yīng)力時(shí)奧氏體中產(chǎn)生塑性應(yīng)力然后誘發(fā)微觀應(yīng)力。最常用的考慮塑性轉(zhuǎn)變的模型是由Leblond等人提出的，進(jìn)一步的應(yīng)用是?kerstr?m等人提出的數(shù)值模擬。

在不同的成形模型中，用分析流變行為模型是用持續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（CCT曲線）。為了確定FCCT曲線即形成CCT曲線，加熱的試樣直到達(dá)到成成形條件和隨后在預(yù)定的冷卻速率下成形。并測(cè)試成形的程度。

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熱沖壓成形是一個(gè)預(yù)定相轉(zhuǎn)變的熱機(jī)械成形工藝。取決于歷史溫度，機(jī)械變形，不同相和混合相的交互作用。熱釋放時(shí)固態(tài)相轉(zhuǎn)變的過(guò)程會(huì)影響熱場(chǎng)。此外，隨著微觀成分的不同，機(jī)械性能和熱性能都會(huì)根據(jù)溫度和變形的不同而變化。因此，一個(gè)可行的的有限元仿真模擬必須考慮機(jī)械，熱，和微觀組織的交互作用（見圖9）。這需要過(guò)程特性，例如熱轉(zhuǎn)變系數(shù)，材料的流變行為，和相關(guān)條件下的相轉(zhuǎn)變。由于在過(guò)程模擬中傳遞了微觀結(jié)構(gòu)演變數(shù)據(jù)，因此可以對(duì)最終屬性（例如硬度和拉伸強(qiáng)度）進(jìn)行適當(dāng)模擬。

對(duì)于金屬的耦合熱機(jī)械變形一致的分析，Ghosh和Kikuchi（1988）開發(fā)了有限元方法，模擬了在高溫下的金屬流動(dòng)行為。該模型認(rèn)為，最初的各向異性和金屬的溫度特性取決于金屬大的形變形成過(guò)程。

近年來(lái)，兩種有限元分析中存在幾種耦合觀念，并因此開發(fā)了他們自己的相關(guān)領(lǐng)域來(lái)研究熱沖壓成形。在耦合系統(tǒng)考慮了熱和機(jī)械模式，都與實(shí)現(xiàn)幾何和物理數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。由于熱和機(jī)械分開單獨(dú)計(jì)算，耦合的概念在有限元模型中能有效和靈活的調(diào)整參數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)是兩種有限元模型之間的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)受到限制，它會(huì)影響的模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性（Hein，2005年; Tekkay，2007。）。另一種為熱沖壓有限元模擬方法是特殊用途的應(yīng)用程序：LS - DYNA的，自動(dòng)表格，和PamStamp。在現(xiàn)有的選項(xiàng)中不同的有限元模型的定義和描述物理過(guò)程。例如，用有限元軟件LS - DYNA的分析可以采用熱外殼，附加機(jī)械外殼金屬元素。隱式時(shí)間積分解決了熱的問(wèn)題，而顯式時(shí)間積分方法處理了機(jī)械故障。LS - DYNA的功能是，允許結(jié)合每個(gè)積分法則的優(yōu)勢(shì)，并在同一時(shí)間，克服接觸溶液穩(wěn)定性和熱收斂。這些工具可以為帶有熱行為的剛體建模(Karbasianet al., 2008a,b)。

在空白模塊上的溫度分布的預(yù)測(cè)并且工具在這個(gè)過(guò)程中起著非常重要的作用。隨溫度而變的硬化函數(shù)的特點(diǎn)，還需要考慮到塑性變形和工具與空白模塊之間由于對(duì)流和熱輻射而損失的熱。從奧氏體向馬氏體的相變也必須考慮，以模擬熱成形過(guò)程（?kerstr?m等。，2007）。在下面，描述了熱機(jī)械性能和熱沖壓的有限元模擬。

6.1 熱力參數(shù)

有限元模擬方法對(duì)熱沖壓件的力學(xué)性能的預(yù)測(cè)，需要對(duì)形成和淬火中的熱現(xiàn)象建立精確的模型。傳熱系數(shù)h影響整個(gè)成形過(guò)程中的冷卻和熱行為。?????????并且受接觸壓力和鋼板的溫度以及表面狀況的影響（規(guī)模厚度，表面粗糙度，涂層厚度等）（Forstner等，2007）。作為基礎(chǔ)材料22MnB5的力學(xué)性能強(qiáng)烈依賴于溫度，這是最重要的參數(shù)之一，是有限元建模熱輔助成形必須考慮的因素。

為了測(cè)定傳熱系數(shù)，Hoff?????????（2007年）開發(fā)了一個(gè)淬火的工具。被加熱的工件在設(shè)定了接觸壓力的兩塊水冷板中淬火。在測(cè)試過(guò)程中，記錄空白和兩個(gè)接觸板的溫度。在測(cè)量參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓冷卻定律分析傳熱系數(shù)：

T(t) = (T₀ - T_∞)e^(-h(A/CpV)t) + T_∞

?A：接觸面積，Cp：熱容量，h：熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，V：體積，t：?????????時(shí)間，T?₀：初始溫度，T?_∞：環(huán)境溫度，ρ：密度

熱轉(zhuǎn)化系數(shù)h作為接觸壓力增加的函數(shù)，顯示了對(duì)工件與模具之間的熱交換載荷重大影響力（圖10）。增加接觸壓力導(dǎo)致了傳熱增加。這種效果是通過(guò)增加兩個(gè)接觸部件的有效接觸面，增加潤(rùn)滑或者添加Al–Si涂層。因此，越來(lái)越多的金屬-金屬接觸區(qū)域產(chǎn)生直接熱傳導(dǎo)作用，通過(guò)它兩個(gè)接觸物體之間的熱能能夠得到轉(zhuǎn)換（Karbasian等，2008a，b）。

6.2 塑變行為

為確定與工藝相關(guān)條件下材料的熱機(jī)械性能，使用Merklein和Lechler（2006）的熱傳導(dǎo)拉伸試驗(yàn)對(duì)22MnB5鋼的流動(dòng)行為進(jìn)行了表征（圖11）。 

這項(xiàng)研究顯示，不僅應(yīng)變，而且溫度應(yīng)變速率和升溫速率都對(duì)在高溫奧氏體狀態(tài)下的22MnB5的流動(dòng)性有巨大影響。

熱導(dǎo)率拉伸試驗(yàn)中，除了溫度和應(yīng)變速率對(duì)熱機(jī)械性能有重大的影響外，還可檢測(cè)到溫度對(duì)塑性各向異性的依賴性（Merklein和Lechler，2008）。在約800~850℃時(shí)，金屬薄板表現(xiàn)出幾乎各向同性的塑性行為。由于奧氏體化，對(duì)各向異性的影響可以忽略（Merklein和Lechler，2008）。

6.3 材料模型

對(duì)于熱機(jī)械加工工藝，已經(jīng)提出了各種半經(jīng)驗(yàn)以及基于物理的流動(dòng)應(yīng)力模型。表3中的現(xiàn)有模型來(lái)自最近的出版物，顯示22MnB5有良好的流動(dòng)性能，與Hochholdinger等人（2009年）和Durrenberger（2009年）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。流變應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)墩粗測(cè)試獲得，它是在一個(gè)高速膨脹變形計(jì)中進(jìn)行（Hochholdinger等，2009）。表3中某些材料模型的參數(shù)估算未在引用的參考文獻(xiàn)中公布。但像Johnson–Cook和Norton–Hoff這樣的其他材料數(shù)據(jù)也可以在?kerstr?m（2006）和Lechler（2009）那里找到。

Hochholdinger等（2009年）表明，用Wahlen模型可以得到最佳擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖 12a諾頓-霍夫和Nemat納賽爾模型顯示在有效塑性值更高時(shí)應(yīng)變流動(dòng)應(yīng)力增加而失效。

在較大的應(yīng)變下的流變應(yīng)力值是Durrenberger等約翰遜庫(kù)克模型的主要缺點(diǎn)（2008，2009）（圖12b）。Voce- Kocks關(guān)系的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，該模型預(yù)測(cè)在應(yīng)變約為0.06下流變應(yīng)力達(dá)到飽和，而實(shí)驗(yàn)中仍可以觀察到輕微的應(yīng)變硬化。該Molinari- Ravichandran模型有能力重現(xiàn)歷史的效果，如加速應(yīng)變速率和溫度變化，這些都由內(nèi)部參數(shù)的演化規(guī)律而得。然而，對(duì)于材料22MnB5的研究分析中，Molinari - Ravichandran模型預(yù)測(cè)塑性應(yīng)變大于0.10之后，流變應(yīng)力早已飽和。塑性應(yīng)變?yōu)?.05時(shí)， Ghost模型的預(yù)測(cè)與22MnB5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。

模型的流動(dòng)特性，其中包括并介紹了相變到最后的馬氏體連續(xù)演化過(guò)程，由?kerstr?m等人（2007年）開發(fā)的有限元模擬。他們創(chuàng)建的模型在考慮實(shí)際相結(jié)構(gòu)，潛熱，體積變化和相變過(guò)程中的相變塑性的基礎(chǔ)上的（?kerstr?m等，2005）描述了材料的熱機(jī)械性質(zhì)。在材料模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，在奧氏體的條件22MnB5流動(dòng)行為的現(xiàn)實(shí)模型是可能的。

6.4 成形極限曲線

透過(guò)傳統(tǒng)的成形極限曲線FLC的方法來(lái)獲得該材料的成形性。這條曲線顯示了不同應(yīng)力狀態(tài)下頸縮和斷裂的變形表對(duì)板材樣品不同的純剪應(yīng)力。然而，在高溫下成形時(shí)，材料成形性不僅受到?jīng)_擊但也受溫度，應(yīng)變速率和變形過(guò)程中組織演變的影響（佩萊格里尼等，2009）。

為此進(jìn)行的幾次試驗(yàn)，但Marciniak和Nakajima測(cè)試是適用最普遍的一個(gè)。在這兩個(gè)測(cè)試中，板材處于亞穩(wěn)奧氏體相并經(jīng)歷了熱機(jī)械處理，它們?cè)诓煌臏囟龋S后是各種應(yīng)變和應(yīng)變速率下測(cè)試直到縮頸和斷裂失效（Bariani等，2008年）。這些測(cè)試之間的主要區(qū)別是沖壓形狀，這不是半球形或扁平形（(Dahan等，2007）。

在高溫下，材料22MnB5成形極限曲線在Nakajima測(cè)試中測(cè)得。在這里，為確定的溫度相關(guān)的成形極限曲線，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了修改。因此，特殊加熱器必須安裝在沖模上、模具上、壓邊上來(lái)控制溫度。

Pellegrini等（2009年）表明，相對(duì)于初始鐵素體-珠光體組織，奧氏體的滑移系數(shù)值越高和熱感應(yīng)越高。因此引起在熱沖壓時(shí)機(jī)械性能的演變（圖13）散射結(jié)果不一樣的主要原因是由于高溫下進(jìn)行的測(cè)試程序不同。Lechler（2009年）設(shè)計(jì)的加熱方法，確保了在爐內(nèi)加熱階段溫度均勻分布，但是這意味著冷卻過(guò)程中因手動(dòng)轉(zhuǎn)移而使得溫度更難以控制。佩萊格里尼等人（2009年）的感應(yīng)加熱導(dǎo)致的溫度均勻分布稍微交叉，但能獲得有一個(gè)良好的冷卻控制。

類似佩萊格里尼等人（2009年）和萊克勒（2009年），Chastel等（2008年）表明，溫度越高，初始毛坯或板材厚度越大，臨界平面應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

在現(xiàn)有的研究中，加熱和冷卻的空白過(guò)程是通過(guò)不同的方法完成。一方面，在萊克勒（2009年）的研究，加熱方式上在爐中加熱階段確保溫度均勻的分布。然而，這意味著在冷卻過(guò)程中因手工轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓時(shí)的溫度更難以控制。另一方面，由Bariani等（2008年）的感應(yīng)加熱，導(dǎo)致的溫度分布均勻較差，但控冷做的更好，保證了非常高的冷卻速度。因此，在真實(shí)的等溫條件下高的冷卻速率就難以確保避免相變的轉(zhuǎn)變了。評(píng)價(jià)高溫下金屬薄板成形性能問(wèn)題都可以通過(guò)另一種方法來(lái)完成，基于一個(gè)適當(dāng)?shù)氖?zhǔn)則，即找到一種應(yīng)變，應(yīng)變率，溫度和微觀結(jié)構(gòu)的演變的函數(shù)（佩萊格里尼等，2009）。

6.5 摩擦系數(shù)

在熱沖壓中涂層材料的摩擦特性，可用不同的測(cè)試方法（圖14）來(lái)評(píng)估。在不同的測(cè)試方法時(shí)工件和工具接觸不一樣，這對(duì)摩擦系數(shù)的確定非常重要，必須是類似于熱沖壓的接觸條件。

St?hr 等（2008）采用實(shí)驗(yàn)-分析-數(shù)值計(jì)算方法，來(lái)確定相關(guān)條件下的摩擦系數(shù)。在這里，杯狀深沖試驗(yàn)（圖14a），熱沖壓過(guò)程中的時(shí)間-溫度曲線是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。為了揭示實(shí)驗(yàn)過(guò)程與客觀實(shí)際中熱傳導(dǎo)速率的不同，工具的溫度是變化的。在這項(xiàng)工作中，鋁硅涂層22MnB5試樣的摩擦值可以用Siebel的方法（Siebel和Beissw?nger，1955年）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果（圖15）顯示，隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)從0.6降到0.3（St?hr et al.,2008）。

鞘盤測(cè)試（圖14b）是由Ghiotti等（2009a，b）和Hardell和Prakash（2008），探討界面參數(shù)（如溫度，壓力的滑動(dòng)速度和表面粗糙度）對(duì)在金屬板與模具空白上的摩擦的影響。分析表明，溫度和壓力的相互作用跟摩擦系數(shù)關(guān)系最為密切。這兩項(xiàng)研究表明，該接觸面的摩擦系數(shù)在正常壓力下隨溫度升高而降低。該原因可能是由金屬間化物Fe–Al，在壓力增加時(shí)使得摩擦系數(shù)降低了（Ghiotti等。2009a，b）。在鞘盤實(shí)驗(yàn)時(shí)候空白模局與工件接觸的條件，是跟金屬成形的條件不一樣的。因此，（圖15）最終數(shù)值高達(dá)0.8，此方法不適合測(cè)定對(duì)應(yīng)表面接觸條件下的板材成形。

另一個(gè)的摩擦測(cè)定方法是繪圖測(cè)試（圖14C），這是由Dessain等人（2008年）發(fā)明的。加熱后的工件通過(guò)制定工具的凸接觸面積與不同方向的力量進(jìn)行同步測(cè)量。摩擦系數(shù)的計(jì)算方法從根據(jù)Pawelski（1964）獲得。在持續(xù)壓強(qiáng)為10MPa和持續(xù)奧氏體化時(shí)間為390s時(shí)候?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)的結(jié)果，結(jié)果表明不同的溫度對(duì)摩擦行為影響很小（圖15）。同樣的結(jié)果在壓強(qiáng)為250Mpa時(shí)候也得到驗(yàn)證(Dessain et al.,2008)。

最后介紹的一種測(cè)試摩擦系數(shù)的方法見圖14d，Yanagida and Azushima (2009)等人提出。測(cè)試的儀器由加熱爐和畫圖裝置組成。摩擦系數(shù)由支撐力和彈性力計(jì)算。跟其他的測(cè)試方法對(duì)比，計(jì)算的隨著溫度升高和壓強(qiáng)為10MPa摩擦系數(shù)從0.5升到0.6（圖15）。壓強(qiáng)在7和14MPa中變化顯示摩擦系數(shù)以來(lái)與相關(guān)的壓力范圍（(Yanagida and Azushima,2009).）

Al–Si涂層的22MnB5材料上得到不同的摩擦系數(shù)，表明接觸條件對(duì)于計(jì)算的值影響很大。在真實(shí)的熱沖壓過(guò)程中，接觸條件類似于深拉伸類似于圖14a和14e的條帶拉伸彎曲。條帶的拉伸彎曲不能用于確定摩擦系數(shù)。

?

淬火過(guò)程中馬氏體組織的演變使得抗拉強(qiáng)度達(dá)到1500MPa，這已在彈性測(cè)試和硬度測(cè)試中得到了驗(yàn)證。隨后的微觀組織分析，顯示完全馬氏體組織可以增加材料的機(jī)械性能。由于冷卻速率和相轉(zhuǎn)變結(jié)果，最終的機(jī)械性能取決于工序的控制。

在持續(xù)冷卻工序中，冷卻速率和硬度是相關(guān)的參數(shù)。在實(shí)際的操作中，ErhardtandBoke(2008)用的冷卻速率用于熱沖壓模擬中，以確定硬度值和其他的機(jī)械性能。機(jī)械性能依賴于熱和成形的歷史。

在不同溫度和應(yīng)變速率下22MnB5的流變曲線顯示這些工藝參數(shù)強(qiáng)烈影響材料的流變行為。盡管溫度和應(yīng)變速率在變化，Yanagimoto和Oyamada(2007)以及Kusumiet等人(2009)的研究中熱沖壓時(shí)高的形變能使工件得到最小的回彈。

描述熱沖壓中的熱機(jī)械現(xiàn)象，必須分析其中的殘余應(yīng)力。在更進(jìn)一步的研究中，分析應(yīng)力部分就可以應(yīng)歸因于熱機(jī)械和顯微結(jié)構(gòu)在相關(guān)的參數(shù)中占主導(dǎo)地位。這方面的知識(shí)也對(duì)熱沖壓件翹曲變形的特性密切相關(guān)。

7.1腐蝕

冷成型中陰極保護(hù)同樣適用于熱沖壓。在熱處理后熱浸鍍鋁的Fe–Al合金相表面是粗糙不平的，由于表面固定的結(jié)果，涂覆性能在沒有化學(xué)處理的情況下也很好。在沒有表面處理的條件下，F(xiàn)e–Al合金相展示了比基體更好的抗腐蝕能力(Suehiroetal.,2003)。Al–Si涂層并沒有像鋅一樣的陰極保護(hù)效應(yīng)，但它卻有高的防護(hù)的屏障功能。

帶x-tex涂層的腐蝕測(cè)試，證明腐蝕并不是來(lái)源于基體鋼而是由退火時(shí)鐵擴(kuò)散到表層引起的(Goedickeetal.,2008)。為了測(cè)定焊接性能和涂覆性能，該技術(shù)在噴丸硬化后進(jìn)行移除。

Zn–Fe層的沖孔腐蝕顯示Zn–Fe層能比傳統(tǒng)的鋅涂層具備更好的保護(hù)性能。這是由于在表層會(huì)有稍高的電極保護(hù)和穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物(Faderletal.,2008)。同樣，Zn–Fe層比傳統(tǒng)的鍍鋅具備更好的剝離方式。紅色腐蝕產(chǎn)物是（黃色產(chǎn)物）可能導(dǎo)致在保護(hù)層出現(xiàn)鐵。交互區(qū)域的腐蝕試樣很清晰的表面基體并沒有長(zhǎng)時(shí)間受到侵蝕(Faderletal.,2009)。

研究電流的目標(biāo)是持續(xù)改善涂層和提高新的或者修復(fù)較容易腐蝕的金屬涂層。在直接或間接熱沖壓中，結(jié)合Al–Si涂層高的熱穩(wěn)定性和鋅涂層的陰極保護(hù)性能。另一個(gè)目的是在熱沖壓時(shí)用鋅涂層來(lái)預(yù)防晶粒間的破裂。

因?yàn)樵嚇犹厥獾臋C(jī)械性能，熱沖壓件的后續(xù)加工需要進(jìn)行分析和合適的觀察窗。其中，切割，焊接是對(duì)于熱沖壓件最為重要的步驟。下面將描述它們的應(yīng)用。

8.1 切割

類似于傳統(tǒng)的金屬成形，切割或者鉆孔時(shí)熱沖壓成形后的一個(gè)步驟，如果有必要，還可進(jìn)行噴丸。我們回顧下熱沖壓件切割的不同方法。

8.1.1 激光切割

應(yīng)為在熱沖壓后材料具有高度強(qiáng)度，激光切割是熱沖壓件最為常用的方法。由于是無(wú)接觸的激光修編，相對(duì)于其他切割方法，它不會(huì)引起任何工件的磨損或者再切割邊緣的失效。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，使用激光切割對(duì)于部件的形狀沒有任何限制。獲得的公差受激光器的剛度和夾具的影響。激光切割的時(shí)間取決于部件幾何形狀和激光器移動(dòng)速度。(Kolleck et al., 2009a,b)。

8.1.2 硬切割

沖壓硬化后的部件由于具有高強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致一些空白模具的磨損，或者有時(shí)候一些模具提前失效。So 等人(2009)提出一個(gè)空白模具工序，剪切表面的質(zhì)量和尺寸精度主要受某些工序參數(shù)，諸如沖壓速度，落料角度，沖壓模間隙，剪切模具邊緣幾何形狀和材料的性能的影響。在該項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，沖壓速度對(duì)于剪切幾何形狀以及空白模具的壓力是沒有關(guān)系的。對(duì)于所有的落料角度，隨著沖壓模具間隙的增加飛邊增加。此外，事實(shí)顯示隨著間隙增加光澤度也增加，直到產(chǎn)生了毛刺，但是毛刺產(chǎn)生后隨著間隙增加而光澤度下降(So et al., 2009)。

Picas 等人 (2008)進(jìn)行了另一種硬切割的研究，顯示沖壓后高的硬度導(dǎo)致低的剪切邊緣的磨損，但是這使得在高負(fù)荷下的應(yīng)用變得更加敏感，因?yàn)榭紤]到微觀裂紋會(huì)沿著剪切邊緣產(chǎn)生。在高韌度沖壓下，在切割邊緣抗磨損能力稍微下降，但是這在高硬度和抗疲勞性能方面得到了補(bǔ)償。因此，必須找到最佳的韌度-硬度配合來(lái)提高模具的機(jī)械性能，特別是沖壓硬化部件的切割Picas et al. (2008)。

8.1.3 熱切割

熱沖壓件可選擇的切割方過(guò)小的法是在高溫下淬火時(shí)候進(jìn)行切割。熱切割的優(yōu)勢(shì)是減少了切割力和得到最佳的切割邊緣。

最新的工序是選擇了工件在高溫淬火時(shí)候切割。這避免而來(lái)馬氏體組織的產(chǎn)生，在切割區(qū)域的冷卻速率必須降低。熱沖壓中局部不同的熱處理為后續(xù)的切割做好了鋪墊，并且這還和材料不同的熱導(dǎo)率有關(guān)(Maikranz-Valentin等人，2008)。

最為有效的切割方法是之前發(fā)展的空白法。這種方法需要一定的毛坯設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到所需部件的外形(Kolleck et al., 2009a,b).。熱沖壓后的切割可獲得更小的公差。

8.2 焊接

由于低的成形性，成形方法中的焊接不能被應(yīng)用于熱沖壓部件。因此，熱沖壓件的可焊接性能在現(xiàn)實(shí)中是應(yīng)用的先決條件。涂覆層及其化學(xué)成分可能引起焊接時(shí)候的失效。在后續(xù)中，我們回顧下22MnB5在不同涂層下電阻焊，激光和氣體金屬基電弧焊方面的研究。

在加熱到被壓成型前的時(shí)段內(nèi)，工件的鋁鍍層會(huì)轉(zhuǎn)變成Fe-Al相合金，這種合金含有高的金屬熔點(diǎn)，這就使得點(diǎn)焊接性能不受之前的圖層影響(Suehiroet al., 2003)

第一代的氧化皮等不具有點(diǎn)焊接性能，因此在后續(xù)加工之前必須用噴砂處理移除氧化皮。原因是氧化皮的電阻太大而使焊接電流不能充分流動(dòng)。第二和第三代x-tec測(cè)試技術(shù)通過(guò)添加鎂成分阻礙了氧化皮的產(chǎn)生，結(jié)果顯示涂層適用于電阻焊(Goedicke et al., 2008).。電阻點(diǎn)焊(RSW)的x-tec涂層顯示爐內(nèi)的氣氛在加熱時(shí)對(duì)點(diǎn)焊接性能有很大的影響。在這里，氧氣的含量是影響最大的。在空氣中加熱導(dǎo)致氧化層的形成，從而點(diǎn)焊難以實(shí)施。氮?dú)夥諊ＷC在涂層中含較低量的氧化皮，因此能適用于點(diǎn)焊(Braun and Fritzsche,2009)。

Zn-Fe涂層，最好的電阻點(diǎn)焊導(dǎo)致雙脈沖技術(shù)和直流電源的結(jié)合。另外一些焊接的方法也是可行的，比如SG焊接，SG釬焊，激光焊和螺栓焊接(Faderl et al., 2009)。

對(duì)于激光焊和氣體金屬電弧焊，其接頭處的交叉區(qū)域的測(cè)試顯示x-tec涂層對(duì)于焊接性能沒有影響。在重疊和沒重疊的接頭處都沒有發(fā)現(xiàn)氣孔或者其他的缺陷。這種涂層可以順利的使用，也可以結(jié)合不同的底層，比如H430LA來(lái)焊接焊縫(Braun and Fritzsche, 2009)。為了避免Al和Si進(jìn)入到焊縫中，當(dāng)使用熱浸鍍鋁時(shí)，涂層必須沿著焊縫移出2mm。

熱沖壓件的完全馬氏體組織導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度高達(dá)1500MPa，并且延伸率低到5%。但是為了提高車輛的結(jié)構(gòu)零部件（比如B-柱）的抗破裂能力，可以通過(guò)增加延伸率來(lái)提高吸收能量的能力。B-柱見圖16，在交高區(qū)域有良好的侵人控制而在較低區(qū)域有很好的能量吸收能力。

需要裁制性能的單獨(dú)區(qū)域可以用不同的工序來(lái)控制或使用焊接平板見圖17。

換句話說(shuō)，熱工序會(huì)受到冷卻速率的影響，冷卻速率低于27K/s時(shí)可以避免完全馬氏體組織，或者降低回火溫度至Ac3溫以下，這都能導(dǎo)致不完全的奧氏體組織。兩種方法都含有較低的強(qiáng)度而因此獲得高的延展性。其它區(qū)域按通常的沖壓硬化時(shí)間-溫度圖來(lái)淬火(Stohr et al., 2009)。

9.1 模具的溫度

減小淬火速率可以通過(guò)增加模具的溫度來(lái)獲得，這也可以通過(guò)平板和模具表面之間的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模具具有不同的冷熱區(qū)域，這也將導(dǎo)致一些區(qū)域有較高的強(qiáng)度（馬氏體組織）而其它區(qū)域有高的延展性（混合相）。Lenze 等人. (2008a,b)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬顯示，可能有一些區(qū)域有很高的強(qiáng)度，而其它區(qū)域具有延展性并且有吸收能量的能力。模具溫度的選擇影響著淬火時(shí)的冷卻速率和材料的最終相組成。因此，材料的性能必須選擇能適用于各種不同溫度的模具（圖18）。

9.2 模具材料

通過(guò)使用不同熱導(dǎo)率的模具材料，可以使得模具系統(tǒng)在不同的區(qū)域進(jìn)行的有區(qū)別的熱處理。模塊模具系統(tǒng)由不同熱導(dǎo)率材料的模塊依次組成，熱導(dǎo)率從7W/mK到66W/mK。用這種方法，可以控制好熱轉(zhuǎn)換沿著模塊表面散發(fā)。因?yàn)橄到y(tǒng)中不同的熱邊界條件，順序化模塊通過(guò)敲打獲得熱穩(wěn)定狀態(tài)。這種熱現(xiàn)象及其作用有待進(jìn)一步的研究。

9.3 模具表面

淬火時(shí)的熱轉(zhuǎn)換受部件和模具的接觸條件影響。George 等人(2009)的數(shù)值模擬，在系統(tǒng)模具的熱行為方面研究了模塊間的空隙。顯示，不同模塊區(qū)域的空氣間隙，在馬氏體轉(zhuǎn)變的臨近速率以下部件的冷卻速率將會(huì)減低。該方法的劣勢(shì)是，部件的自由成形跟接觸空隙有關(guān)，接觸空隙會(huì)減少部件的形狀精確度。對(duì)表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化石另一種減低局部熱轉(zhuǎn)換的方法。表面結(jié)構(gòu)化有效的減少了接觸區(qū)域。表面結(jié)構(gòu)化對(duì)熱轉(zhuǎn)換系數(shù)的研究是具有可裁熱沖壓件制造革新的關(guān)注點(diǎn)。

9.4 毛坯的回火

將毛坯的部分區(qū)域加熱到Ac3溫度以上，這樣或許可獲得馬氏體組織。這種方法，奧氏體的完全熱循環(huán)可以應(yīng)用到這些區(qū)域，而其它區(qū)域保留為原始的鐵素體-珠光體組織。Ghiotti 等人 (2009a,b)指出使用能保持不同溫度的爐和使用電阻加熱這兩種方法，看似最為合適的。然而，必須考慮不同材料的兩種區(qū)域分別收到加工成形的影響。較低溫度的區(qū)域的成形性會(huì)降低，通常，會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象(Erhardt and Boke, 2008).。Stohr等人(2009)在不同的回火溫度下研究材料的熱機(jī)械性能，指出低的回火溫度可以使具有裁制性能的部件獲得較低的延展性，選擇低于825℃的溫度，來(lái)獲得比通常熱沖壓金屬件更低的強(qiáng)度和硬度（圖19）。

9.5 修剪焊接工件

汽車工業(yè)中在室溫下裁制焊接工件或者加工工件是一項(xiàng)成熟的工藝。與此類似，裁制熱沖壓的焊接件需要工件具有裁制性能。這里，熱處理工件和未熱處理工件鋼將進(jìn)行熱沖壓。因?yàn)椋阡摰臒崽幚頃r(shí)進(jìn)行了馬氏體轉(zhuǎn)變，相對(duì)于沒進(jìn)行熱處理的部件它的最終強(qiáng)度會(huì)增加。工件是進(jìn)行激光焊的。在此之前，焊接區(qū)域的涂層必須去除。熱沖壓中焊縫和成形的位置受到限制，這是需要在其他工藝中所需要考慮的。

?成形和硬化相結(jié)合使得22MnB5鋼在汽車行業(yè)成為理想的結(jié)構(gòu)，尤其是在需要穿透性保護(hù)的機(jī)窗或者汽車上。一些汽車的A-柱和B-柱，邊緣沖擊保護(hù)，底梁，車架，保險(xiǎn)桿，保險(xiǎn)架，加固門柱，車頂框架，管道，后部和前部邊緣交叉部分（見圖20）。這些板的厚度變化在1.0和2.5mm之間。

綜上來(lái)看，最近的高強(qiáng)度鋼的熱沖壓研究成果已經(jīng)概括在不同的研究結(jié)果里面了。從概括的調(diào)查顯示，熱沖壓中的一些現(xiàn)象還存在知識(shí)的空白。此外，一些熱沖壓的創(chuàng)新性研究還有待鑒定。

熱沖壓的應(yīng)用和后續(xù)工序，取決于切割系統(tǒng)以及部件的可焊接性能和表面組織結(jié)構(gòu)。為了避免在奧氏體化過(guò)程中形成氧化皮，大多熱沖壓件都進(jìn)行預(yù)涂層處理。這樣處理的目的是為了獲得一般的涂層材料來(lái)對(duì)直接或間接熱沖壓的陰極進(jìn)行附加的保護(hù)。

部件沖壓-硬化的循環(huán)時(shí)間主要取決于閉模時(shí)間和停留在爐內(nèi)奧氏體化的時(shí)間，以便涂層獲得滲透的合金。關(guān)于閉模時(shí)間，最優(yōu)化模的冷卻或者使用可以減少循環(huán)時(shí)間的模具鋼。停留在爐內(nèi)的時(shí)間僅僅能通過(guò)較快的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如熱傳導(dǎo)或者感應(yīng)加熱。因此，不同的加熱系統(tǒng)（熱傳導(dǎo)和感應(yīng)加熱）在未來(lái)具有較大的潛力。

熱沖壓是獲得預(yù)定相轉(zhuǎn)變的熱-機(jī)械成型方法。因此，需采用接近現(xiàn)實(shí)的FE模型來(lái)模擬機(jī)械，熱，微觀組織的交互作用。比如，熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，材料的流變行為，和相轉(zhuǎn)變條件。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與材料模型的對(duì)比現(xiàn)實(shí)，在奧氏體化條件下對(duì)22MnB5流變行為的模型模擬是可能的。持續(xù)的流變行為必須考慮材料的熱-機(jī)械性能，得基于相變潛熱，體積變化，相轉(zhuǎn)變后馬氏體的塑性等條件。此外，在高溫下鋼的可formability成形性可以通過(guò)適當(dāng)?shù)氖?zhǔn)則來(lái)獲取，比如建立應(yīng)變，應(yīng)變速率，溫度，和組織演變的函數(shù)關(guān)系。

在不同溫度下和應(yīng)變速率下22MnB5流變曲線，這些工藝參數(shù)強(qiáng)烈的影響材料的流變行為。一些研究表明，在最優(yōu)化的熱沖壓工序中熱沖壓件高的成形精度具有最小的回彈。但是，具有裁制性能的熱沖壓件的自由翹曲受不同的相變化工序的影響，并受工件的幾何形狀和機(jī)械性能。

現(xiàn)存的研究工作詳盡顯示，使用熱沖壓生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的具有很大的應(yīng)用潛力。此外，想獲得最佳的沖壓工藝設(shè)計(jì)物理現(xiàn)象的基本知識(shí)是至關(guān)重要的。

原文：A review on hot stamping

作者：H. Karbasian , A.E. Tekkaya

高強(qiáng)度常溫可成形鋼成汽車制造新寵

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