高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定方法、系统

本发明涉及热冲压成形，特别是涉及一种高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定方法、系统。

背景技术：

1、随着节能减排要求的提高，车身轻量化设计已得到汽车工业的日益重视，车身设计过程中不仅需要整体结构具有较高的强度，同时还需要在局部位置具有良好的塑性和韧性，以达到抗撞吸能的作用。因此，相较传统的高强钢热冲压成形工艺得到强度较高但塑性和韧性差的马氏体零件，提出了梯度性能热冲压工艺，通过合理控制板料的冷却速度，使过冷奥氏体组织在不同的冷却速度下发生不同类型的转变，从而得到不同强度和硬度的钢板，使零件的不同区域产生不同的力学性能。

2、梯度性能热冲压成形过程中，高强钢材料的微观结构也会随之改变。在加热和保温过程中，微观组织由铁素体和珠光体转变为塑性较好的奥氏体组织。随后在成形、保压淬火过程中，由高强钢材料的连续冷却转变曲线可知，当过冷奥氏体的冷却速度达到临界冷却速度时转变为强度较高的马氏体组织，使材料具有良好的抗撞性；当其冷却速度在临界冷却速度以下时会转变为铁素体、珠光体及贝氏体等组织，使材料具有良好的吸能性。因此，在设计形状复杂的梯度性能热冲压高强钢零件时，为使零件符合使用条件，并且在设计零件冲压模具时节约生产成本，需要通过数值模拟准确地预测高强钢材料梯度性能热冲压工艺中组织转变及分布情况，现有的梯度性能热冲压组织转变分析通常只考虑变形对高强钢相变规律的影响或者只进行高强钢相变模拟分析。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定方法、系统，考虑变形对高强钢相变动力学的影响，并采用有限元方法对相变进行预测，能够准确模拟得到高强钢在梯度性能热冲压成形中组织转变及分布情况。

2、一种高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定方法，其包括：

3、s1，对高强度钢板进行热膨胀实验，得到膨胀曲线，根据膨胀曲线获得相变温度；相变温度包括铁素体和珠光体相变起始温度、贝氏体相变起始温度、铁素体和珠光体相变终止温度、贝氏体相变终止温度、马氏体相变起始温度和马氏体相变终止温度；

4、s2，结合热膨胀实验过程中高强度钢板的显微组织，得到相变时间，并以时间为横坐标，以温度为纵坐标绘制得到高强度钢板的等温转变曲线；相变时间包括铁素体和珠光体相变起始时间、贝氏体相变起始时间、铁素体和珠光体相变终止时间、贝氏体相变终止时间、马氏体相变起始时间和马氏体相变终止时间；

5、s3，建立高强度钢板的相变动力学模型；高强度钢板的相变动力学模型包括扩散型相变动力学模型和非扩散型相变动力学模型；扩散型相变动力学模型包括铁素体和珠光体相变动力学模型以及贝氏体相变动力学模型；非扩散型相变动力学模型为马氏体相变动力学模型；

6、s4，建立高强度钢板和模具的梯度热冲压三维模型，并对梯度热冲压三维模型中的高强度钢板和模具进行网格划分并赋予材料属性，得到第一模型；

7、s5，对第一模型中高强度钢板与模具之间的接触方式、高强度钢板的运动边界、分析步、高强度钢板与空气之间的传热、高强度钢板与模具之间的传热、高强度钢板的初始温度、模具的初始温度以及模具与高强度钢板成形阶段转角处的转角条件进行设置，得到梯度热冲压成形有限元模型；

8、s6，基于梯度热冲压成形有限元模型进行仿真冲压实验，得到冲压过程各高强度钢板网格的温度变化曲线；

9、s7，基于各高强度钢板网格的温度变化曲线，结合等温转变曲线、相变温度和相变动力学模型得到梯度热冲压成形中各高强度钢板网格的相变量；相变量包括铁素体和珠光体相变量、贝氏体相变量和马氏体相变量中任意一者或几者。

10、可选地，马氏体相变动力学模型如下式：

11、vs＝1-exp[-α(ms-me)]；

12、式中：vs为马氏体相变量，α为马氏体相变常数，ms为马氏体相变起始温度，me为马氏体相变终止温度。

13、可选地，贝氏体相变动力学模型如下式：

14、

15、式中：vi+1为第i+1个分析步的贝氏体相变量，bi+1为第i+1个分析步的贝氏体相变第一常数，ni+1为第i+1个分析步的贝氏体相变第二常数，δt为贝氏体相变孕育率达到1所需的时间，贝氏体相变孕育率δ计算公式为q为贝氏体相变孕育率达到1所需的分析步的总数，p为贝氏体相变起始时间对应的分析步，δtj为第j个分析步的等温时间，τj为第j个分析步的孕育期，τj基于等温转变曲线得到，δt＝q×w，w为分析步的时间长度，为第i个分析步的贝氏体相变量转换成第i+1个分析步所需的时间，vi为第i个分析步的贝氏体相变量。

16、可选地，s7包括：

17、s71，令k＝1；k＝[1,2,…,k]；k为高强度钢板网格的总数量；

18、s72，基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合马氏体相变起始温度和马氏体相变终止温度进行判断是否存在马氏体相变，若存在则执行s75，否则执行s73；

19、s73，基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合铁素体和珠光体相变起始温度以及铁素体和珠光体相变终止温度进行判断是否存在铁素体和珠光体相变，若存在则执行s76，否则执行s74；

20、s74，基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合贝氏体相变起始温度和贝氏体相变终止温度进行判断是否存在贝氏体相变，若存在则执行s77，否则对k进行判断，若k≥k，则结束，得到各高强度钢板网格的相变量，若k小于k，则令k＝k+1并返回至s72；

21、s75，基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合马氏体相变起始温度和马氏体相变终止温度进行分析，得到马氏体相变实际起始温度和马氏体相变实际终止温度，带入马氏体相变动力学模型，得到马氏体相变量并返回至s73；

22、s76，基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合铁素体和珠光体相变起始温度以及铁素体和珠光体相变终止温度进行分析，得到铁素体和珠光体相变实际起始温度以及铁素体和珠光体相变实际终止温度，根据铁素体和珠光体相变实际起始温度以及铁素体和珠光体相变实际终止温度对应的时间步，结合铁素体和珠光体相变动力学模型进行计算，得到铁素体和珠光体相变量并返回至s74；

23、s77，基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合贝氏体相变起始温度和贝氏体相变终止温度进行分析，得到贝氏体相变实际起始温度和贝氏体相变实际终止温度，根据贝氏体相变实际起始温度和贝氏体相变实际终止温度对应的时间步，结合贝氏体相变动力学模型进行计算，得到贝氏体相变量。

24、本发明还提供了一种高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定系统，其包括：

25、热膨胀模块，用于对高强度钢板进行热膨胀实验，得到膨胀曲线，根据膨胀曲线获得相变温度；相变温度包括铁素体和珠光体相变起始温度、贝氏体相变起始温度、铁素体和珠光体相变终止温度、贝氏体相变终止温度、马氏体相变起始温度和马氏体相变终止温度；

26、等温转变模块，用于结合热膨胀实验过程中高强度钢板的显微组织，得到相变时间，并以时间为横坐标，以温度为纵坐标绘制得到高强度钢板的等温转变曲线；相变时间包括铁素体和珠光体相变起始时间、贝氏体相变起始时间、铁素体和珠光体相变终止时间、贝氏体相变终止时间、马氏体相变起始时间和马氏体相变终止时间；

27、相变模型模块，建立高强度钢板的相变动力学模型；高强度钢板的相变动力学模型包括扩散型相变动力学模型和非扩散型相变动力学模型；扩散型相变动力学模型包括铁素体和珠光体相变动力学模型以及贝氏体相变动力学模型；非扩散型相变动力学模型为马氏体相变动力学模型；

28、模型建立模块，用于建立高强度钢板和模具的梯度热冲压三维模型，并对梯度热冲压三维模型中的高强度钢板和模具进行网格划分并赋予材料属性，得到第一模型；

29、模型参数模块，用于对第一模型中高强度钢板与模具之间的接触方式、高强度钢板的运动边界、分析步、高强度钢板与空气之间的传热、高强度钢板与模具之间的传热、高强度钢板的初始温度、模具的初始温度以及模具与高强度钢板成形阶段转角处的转角条件进行设置，得到梯度热冲压成形有限元模型；

30、仿真实验模块，用于基于梯度热冲压成形有限元模型进行仿真冲压实验，得到冲压过程各高强度钢板网格的温度变化曲线；

31、相变确定模块，用于基于各高强度钢板网格的温度变化曲线，结合等温转变曲线、相变温度和相变动力学模型得到梯度热冲压成形中各高强度钢板网格的相变量；相变量包括铁素体和珠光体相变量、贝氏体相变量和马氏体相变量中任意一者或几者。

32、可选地，马氏体相变动力学模型如下式：

33、vs＝1-exp[-α(ms-me)]；

34、式中：vs为马氏体相变量，α为马氏体相变常数，ms为马氏体相变起始温度，me为马氏体相变终止温度。

35、可选地，贝氏体相变动力学模型如下式：

36、

37、式中：vi+1为第i+1个分析步的贝氏体相变量，bi+1为第i+1个分析步的贝氏体相变第一常数，ni+1为第i+1个分析步的贝氏体相变第二常数，δt为贝氏体相变孕育率达到1所需的时间，贝氏体相变孕育率δ计算公式为q为贝氏体相变孕育率达到1所需的分析步的总数，p为贝氏体相变起始时间对应的分析步，δtj为第j个分析步的等温时间，τj为第j个分析步的孕育期，τj基于等温转变曲线得到，δt＝q×w，w为分析步的时间长度，为第i个分析步的贝氏体相变量转换成第i+1个分析步所需的时间，vi为第i个分析步的贝氏体相变量。

38、可选地，所述相变确定模块包括：

39、指令单元，用于令k＝1；k＝[1,2,…,k]；k为高强度钢板网格的总数量；

40、第一判断单元，用于基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合马氏体相变起始温度和马氏体相变终止温度进行判断是否存在马氏体相变，若存在则执行马氏体相变单元，否则执行第二判断单元；

41、第二判断单元，用于基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合铁素体和珠光体相变起始温度以及铁素体和珠光体相变终止温度进行判断是否存在铁素体和珠光体相变，若存在则执行铁素体和珠光体相变单元，否则执行第三判断单元；

42、第三判断单元，用于基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合贝氏体相变起始温度和贝氏体相变终止温度进行判断是否存在贝氏体相变，若存在则执行贝氏体相变单元，否则对k进行判断，若k≥k，则结束，得到各高强度钢板网格的相变量，若k小于k，则令k＝k+1并返回至第一判断单元；

43、马氏体相变单元，用于基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合马氏体相变起始温度和马氏体相变终止温度进行分析，得到马氏体相变实际起始温度和马氏体相变实际终止温度，带入马氏体相变动力学模型，得到马氏体相变量并返回至第二判断单元；

44、铁素体和珠光体相变单元，用于基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合铁素体和珠光体相变起始温度以及铁素体和珠光体相变终止温度进行分析，得到铁素体和珠光体相变实际起始温度以及铁素体和珠光体相变实际终止温度，根据铁素体和珠光体相变实际起始温度以及铁素体和珠光体相变实际终止温度对应的时间步，结合铁素体和珠光体相变动力学模型进行计算，得到铁素体和珠光体相变量并返回至第三判断单元；

45、贝氏体相变单元，用于基于第k个高强度钢板网格的温度变化曲线，结合贝氏体相变起始温度和贝氏体相变终止温度进行分析，得到贝氏体相变实际起始温度和贝氏体相变实际终止温度，根据贝氏体相变实际起始温度和贝氏体相变实际终止温度对应的时间步，结合贝氏体相变动力学模型进行计算，得到贝氏体相变量。

46、本发明的效果如下：

47、本发明高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定方法，利用scheil叠加法则解决数值模拟中扩散型相变的孕育期及组织转变量的计算问题。

48、本发明高强度钢板梯度冲压时组织转变及分布确定方法，可准确地预测高强钢材料梯度性能热冲压工艺中组织转变及分布情况，优化零件冲压模具工艺参数，使零件符合使用条件，节约模具生产成本。