通过高温拉伸和凸耳成形试验研究HC1000/1470DP先进高强度钢的超塑性变形机制

《Materials Chemistry and Physics》：Investigating Superplastic Deformation Mechanisms in HC1000/1470DP Advanced High-Strength Steel through High-Temperature Tensile and Bulge Forming Tests

本研究系统考察了HC1000/1470DP双相高强钢在700-775°C及0.0001-0.01 s?1条件下的超塑性变形行为与机制。通过高温拉伸与气体压力胀形实验，结合EBSD、SEM和TEM分析，发现750°C、0.0033 s?1时延伸率达345%，应变率敏感指数m=0.32，变形激活能152.6 kJ/mol，证实晶界滑动主导机制。基于动态材料模型构建热加工地图，成功制造20-30 mm深方框件，揭示动态再结晶导致底部性能下降及近80%薄厚率变化。

　　

李天民|王家辉|徐晓婷|杨庆波|王春旭|詹立强|周同旭|杨戴丽|张凯佳|王国峰

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001，中国

摘要

本文系统研究了HC1000/1470DP双相高强度钢的超塑性变形行为和机制。通过高温拉伸试验和气压凸形成形实验，并结合电子背散射衍射（EBSD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等微观结构分析方法，全面评估了该钢在700–775°C和0.0001-0.01 s^-1条件下的变形性能和微观结构演变。结果表明，在750°C和0.0033s^-1的条件下，该钢的最大伸长率为345%，应变率敏感性指数（m值）为0.32，变形激活能为约152.6 kJ/mol，这些特征参数与晶界滑移机制一致。基于动态材料模型构建了热加工图，并优化了工艺参数。在750°C和3.3×10^-3s^-1的条件下，成功制备了深度分别为20 mm和30 mm的箱形凸形零件。凸形成形后，底部发生了显著的动态再结晶，马氏体含量和位错密度降低，导致机械性能下降，其中30 mm零件的厚度减薄率接近80%。本研究阐明了这种钢的以晶界滑移为主的超塑性变形机制，为其在轻量化汽车部件中的热成形应用提供了理论基础。

引言

随着汽车轻量化技术的不断发展，铝镁合金和复合材料等轻质材料逐渐得到应用。然而，由于其优异的强度、韧性和成本优势，高强度钢在车身制造中仍占据重要地位。先进的高强度钢（AHSS）可以根据其发展代际进行分类：第一代AHSS（如双相钢、复相钢和TRIP钢）通常具有超过600 MPa的强度，但延展率通常低于20%，这限制了其在复杂形状部件中的应用[1]，[2]；第二代AHSS（如高Mn TRIP钢和孪晶诱导塑性钢）具有超过700 MPa的强度，并可实现超过50%的均匀伸长率，表现出优异的应变硬化特性[3]，[4]。它们的变形机制与位错滑移、孪晶形成和动态回复/再结晶之间的相互作用密切相关[5]。虽然先进钢的高强度有助于实现部件的轻量化，但也增加了成形难度，并可能导致工具磨损加速等问题[6]。

为了解决室温下成形高强度钢的难题，超塑性成形技术为制造复杂部件开辟了新途径[7]。一般来说，高强度钢在500-800°C的温度范围内和1×10^-4s^-1至1×10^-2s^-1的应变率范围内具有较好的成形性，伸长率在100%到350%之间，具体结果取决于成分和工艺参数[8]。Cheng等人[9]研究了一种超细晶粒双相钢，在650°C和0.001 s^-1的应变率下实现了122%的伸长率，而在热变形后期观察到了伸长的奥氏体晶粒。Hu等人[10]报道了一种纳米结构低碳钢（添加了V、N、Mn、Al、Si和Ni）的低温超塑性，在500°C和1×10^-4s^-1的应变率下实现了106%的伸长率。上述Hu和Cheng的研究中报道的伸长率均约为100%，远低于其他超塑性材料通常达到的≥300%的水平，这使得它们难以被归类为超塑性材料。Taleff等人[11]研究了一种Fe-9.60Al-1.22-2.46Cr-0.55Mn-0.27Ni（重量百分比）成分的钢，实现了最大350%的超塑性伸长率。Jeong等人[12]研究了Fe-Mn-Si-Ni高强度钢，在750°C下实现了最大302%的超塑性伸长率。Cao等人[13]指出，一种0.10C-5Mn-2Al钢在850°C下，在10^-2-10^-3s^-1的应变率下实现了900%–1200%的伸长率；这种优异的伸长率归因于动态变形产生的细晶粒微观结构以及由于动态晶粒生长受限而形成的高角度晶界（HAGBs）的高比例。然而，大多数上述研究集中在中锰钢或特殊合金钢上，这些钢的制造成本较高且加工复杂。对于汽车工业中广泛使用的商用高强度钢，特别是新开发的1500 MPa级钢（如HC系列），对其在高温下的超塑性行为、潜在的微观机制以及成形后性能的演变仍缺乏系统研究。特别是将基本拉伸特性与实际凸形成形过程相结合的深入分析，需要热加工图等理论工具来定义合适的工艺窗口[14]。

因此，为了研究高强度钢的超塑性特性，选择了新开发的HC1000/1470DP高强度钢，在不同的温度和应变率条件下进行了热拉伸试验。实验中实现了345%的最大伸长率，远高于大多数商用高强度钢。此外，还进行了气压凸形成形试验，在炉温条件下制备了深度分别为20 mm和30 mm的箱形零件。对成形后的箱形零件底部进行了室温拉伸试验，以评估其机械性能的下降情况。还在箱形零件底部的相同位置进行了电子背散射衍射（EBSD）分析和透射电子显微镜（TEM）分析，以研究涉及的变形机制。

实验部分

实验

所用原材料是由上海宝山钢铁有限公司提供的1 mm厚的冷轧HC1000/1470DP钢板，其具体化学成分见表1。考虑到INSTRON 3343R高温拉伸试验机的行程和最大载荷能力限制，设计了截面尺寸为1 mm × 4 mm、标距长度为15 mm的拉伸试样。试样沿轧制方向（RD）切割，用于热拉伸试验。

变形前的微观结构

图1展示了HC1000/1470DP钢的原始微观结构，其中相分布图通过颜色编码清晰区分了体心立方（BCC，红色）和面心立方（FCC，绿色）晶体结构。相应的晶界图标出了低角度晶界（LAGBs，2°< />

变形条件对微观结构演变的影响

为了研究不同变形条件对测试钢微观结构的影响，并结合拉伸试验结果，对在700-750°C和3.3×10^-4s^-1至3.3×10^-3s^-1应变率条件下变形的九个拉伸试样的标距部分进行了EBSD分析，如图10所示。为了表征晶粒尺寸的变化，对不同变形条件下的试样进行了晶粒尺寸的统计分析。

结论

本研究选择了一种新型先进高强度钢HC1000/1470DP，研究其超塑性特性。该钢在700-775°C的温度范围内表现出一定的超塑性，在750°C和3.3×10^-3s^-1的应变率下实现了345%的最佳伸长率。基于实验结果，建立了热加工图，并据此选择了750°C、3.3×10^-3s^-1的条件进行凸形成形实验。

作者贡献声明

杨戴丽：监督、正式分析。周同旭：验证、资源提供。王国峰：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。张凯佳：软件使用、正式分析。李天民：撰写 – 初稿撰写、方法论设计、数据管理、概念构思。徐晓婷：可视化处理、验证。王家辉：软件使用、实验研究。王春旭：验证、资源提供。杨庆波：可视化处理、监督。詹立强：方法论设计、实验研究

资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52375318）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。