一种高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法与流程

本发明属于热模拟技术领域，特别涉及一种高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法。

背景技术：
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节能、环保和安全作为汽车领域的三大主题，一直备受重视。近年来，随着汽车碰撞安全等级和尾气排放标准的日趋严厉，在保证汽车安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染的汽车轻量化技术获得了快速发展。因此，先进高强钢、超高强钢在汽车白车身制造中应用的范围和比例快速增加。值得注意的是，材料的超高强度并不意味着碰撞安全性的必然提高，材料碰撞能量吸收能力可用强塑积(抗拉强度与延伸率的乘积，单位为MPa％或GPa％)指标来表征。以22MnB5热成形钢为例，其抗拉强度高达1500MPa以上，延伸率约为6％，强塑积在9GPa％左右。随着第三代先进高强钢的开发和Q&P(淬火-配分)工艺的提出，对钢铁材料的塑性、韧性研究越来越重视，尤其是对新一代高强塑积热成形钢开发而言。

热冲压成形是一种成形-淬火一体化工艺，即成形与淬火在同一水冷模具中完成，是一种新型汽车冲压件加工工艺，常应用于热成形钢制造汽车前/后保险杠、A柱、B柱、C柱等汽车安全件的生产过程中。

金属材料的断裂韧性可通过冲击试验测量冲击功、分析断口形貌来进行表征。目前对热成形钢冲击试样的制备，尤其是组织准备一般是在实验室利用加热炉将实验钢加热到Ac₃温度以上进行奥氏体化、再利用热轧实验轧机对其进行高温变形、随后利用冷却装置对其进行冷却温度控制来模拟热冲压成形工艺而实现的，获得的冲击试样组织和性能是均匀的。

上述的热成形钢冲击试样的制备过程尤其是形变热处理过程存在环节多、周期长、控制不稳定、实验重复性差等问题。对此，可以考虑直接利用热力模拟试验机按照给定的形变热处理工艺对冲击试样进行高精度的热力模拟。

现有的热力模拟试验机虽然可以开展诸如压缩试验或者动态CCT试验等相关的形变热处理试验，但其试样的尺寸和形状与冲击试样差异很大；虽然可以对类似于冲击试样的方形长试样进行热处理试验，但没有高温形变处理功能，这或许是由于试样过长，在进行高温压缩变形时易致试样形状产生畸形。

技术实现要素：
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针对现有热力模拟试验机难以完成对形如冲击试样的大尺寸试样进行高温形变热处理的问题，本发明提供一种高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法；该方法采用现有热力模拟试验机，对模拟试样的中部狭窄区域进行高温压缩变形及随后热处理，实现对冲击毛坯试样的热力模拟，是一种在现有热力模拟试验机上对高强度汽车钢冲击试样进行形变热处理的热力模拟方法。

本发明的高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法，首先根据压缩变形程度确定冲击毛坯试样的长度，并在其上焊接两组K型热电偶，随后通过夹具将冲击毛坯试样固定在热模拟试验机操作箱内的夹紧装置上，按照指定的加热方式、加热速度和加热温度对其进行低频电阻加热，在试样材料Ac₃温度以上保温一定时间，进行奥氏体均匀化处理，然后对试样中部的均温区按照给定的变形程度、变形速率等变形参数进行压缩变形，变形结束后再按照给定的冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间等冷却工艺参数对试样进行冷却直到室温；具体包括如下步骤：

步骤1，进行(A)和(B)，(A)和(B)无先后顺序：

(A)确定模拟试样尺寸：

以标准冲击试样的尺寸为基准，确定模拟试样尺寸：

标准冲击试样为长方体，设：长方体底面的长为H_长，长方体底面的宽为H_宽，长方体的高为H_高；

模拟试样的结构为一体式结构，模拟试样由模拟长方体、2个阶梯台和2个夹持端组成，在模拟长方体的两个底面的两侧分别设置有相同的阶梯台，阶梯台的两侧分别设置有相同的夹持端，阶梯台和夹持端均为长方体，设：

模拟长方体的长与标准冲击试样的长平行，模拟长方体的宽与标准冲击试样的宽平行，模拟长方体的高与标准冲击试样的高平行，模拟长方体的高成为自由跨度，阶梯台的长与模拟长方体的长平行，阶梯台的宽与模拟长方体的宽平行，阶梯台的高与模拟长方体的高平行，夹持端的长与模拟长方体的长平行，夹持端的宽与模拟长方体的宽平行，夹持端的高与模拟长方体的高平行；设：

模拟长方体的长为H_模拟长，模拟长方体的宽为H_模拟宽，模拟长方体的高为H_模拟高；

阶梯台的长为H_阶长，阶梯台的宽为H_阶宽，阶梯台的高为H_阶高；

夹持端的长为H_夹长，夹持端的宽为H_夹宽，夹持端的高为H_夹高；

则：

2×(H_夹高+H_阶高)+H_模拟高≤80mm；

H_模拟高≥10mm；

H_模拟长＝H_长+Δh_均；

H_模拟宽＝H_宽+Δh_均；

H_阶长＝H_长+Δh_阶；

H_阶宽＝H_宽+Δh_阶；

H_夹高满足热力模拟试验机夹具的夹持要求；

H_夹长＝H_长+Δh_夹；

H_夹宽＝H_宽+Δh_夹；

其中：Δh_均为模拟长方体长和宽的微调，Δh_阶为阶梯台长和宽的微调，Δh_夹为夹持端长和宽的微调，Δh_阶＞Δh_夹＞Δh_均；

(B)确定热力模拟过程中的高温形变及热处理工艺参数，包括加热方式、加热温度、加热速度、保温时间、变形温度、变形量、应变速率、冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间：

步骤2，在模拟试样的模拟长方体表面焊接热电偶：

(1)在模拟长方体侧表面，选定一个长和高构建的表面或宽和高构建的表面，确定2组K型热电偶的4个焊接点：该表面的中心点，为第一主热电偶焊接点；沿垂直于模拟长方体的高的方向上，距离中心点距离为D的点为第二主热电偶焊接点；沿平行于模拟长方体的高的方向上，第一主热电偶焊接点平移距离L的点，为第三辅助热电偶焊接点；沿平行于模拟长方体的高的方向上，第二主热电偶焊接点平移距离L的点，为第四辅助热电偶焊接点；其中，距离D为偶丝直径的4～10倍，距离L满足关系式，H_模拟高：L≥4；

(2)分别将两条主热电偶的偶丝的一端，焊接在第一主热电偶焊接点和第二主热电偶焊接点上；分别将两条辅助热电偶的偶丝的一端，焊接在第三辅助热电偶焊接点和第四辅助热电偶焊接点上；其中，焊接时，主热电偶的两条偶丝根部和辅助热电偶的两条偶丝的根部均与被焊接的模拟长方体侧表面垂直；

步骤3，将模拟试样安装到热力模拟机上：

(1)用两个夹具分别夹紧模拟试样的两个夹持端，并将夹具固定在热力模拟试验机操作箱内的试样夹紧装置上；

(2)分别将两条主热电偶的偶丝的另一端，连接到操作箱内的一组内接线柱的正极和负极上；分别将辅助热电偶的偶丝的另一端，连接到操作箱内的另一组内接线柱的正极和负极上；

步骤4，对模拟试样进行加热处理：

对热力模拟试验机操作箱抽真空，设定加热方式、加热速率、加热温度和保温时间，启动夹具的冷却装置，对模拟试样进行加热处理；在保温过程中，主热电偶实测温度为T_心，辅助热电偶实测温度为T_边，通过(a)或(b)的调控方法满足T_心-T_边≤5，具体的调控方法为：

(a)当T_心-T_边≤5不成立时，中止试验，更换夹具，选择具有低导热性能的夹具，重新开始步骤3；

(b)当T_心-T_边≤5不成立时，中止试验，重新调整辅助热电偶的焊接位置，缩小与主热电偶的距离L，重新开始步骤2；

当T_心-T_边≤5成立时，则在模拟长方体上确定模拟试样加热后的均温区：以第一主热电偶焊接点为对称中心，找到第三辅助热电偶焊接点的对称点，称为第五热电偶焊接点，那么在模拟长方体上，第三辅助热电偶焊接点所在横截面与第五热电偶焊接点所在横截面之间的区域，称为模拟试样加热后的均温区；即模拟试样加热后的均温区的高与模拟长方体的高平行且高为2L；

步骤5，对模拟试样进行压缩试验：

(1)模拟试样经加热和保温后，热力模拟试验机根据设定变形温度、变形量、应变速率，对模拟长方体进行压缩变形，压缩变形结束后在均温区域内产生镦粗区，设紧邻模拟长方体两侧的阶梯台台面之间的距离为H_压缩高，则：

实际变形量＝H_模拟高-H_压缩高

实际变形程度＝(H_模拟高-H_压缩高)/H_模拟高×100％；

(2)在模拟长方体上确定模拟试样压缩后的均温区，在压缩后的模拟长方体上，第三辅助热电偶焊接点所在横截面与第五热电偶焊接点所在横截面之间的区域，称为模拟试样压缩后的均温区；

步骤6，对模拟试样进行冷却处理：

模拟试样热压缩变形完成后，热力模拟试验机根据设定的冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间等冷却工艺参数，对模拟长方体进行热处理；

步骤7：模拟试样表面观察：

模拟试样热处理结束后，取下模拟试样，将镦粗区放大20倍及以上倍数，观察其表面是否出现裂纹：

如有裂纹，更换模拟试样后，重新开始步骤2；

如无裂纹，进行步骤8；

步骤8，用标准冲击试样验证冲击过程是否有效：

(1)以模拟试样的第一主热电偶焊接点所在横截面对应标准冲击试样的中心截面，将模拟试样加工成标准冲击试样，在标准冲击试样的中部位置开V型口或U型口并标注其均温区的范围，其中，标准冲击试样的均温区确定方法：以模拟试样的第一主热电偶焊接点所在横截面对应标准冲击试样的中心截面，标准冲击试样对应模拟试样压缩后的均温区的部分，称为标准冲击试样的均温区。

(2)用摆锤冲击试验机或落锤冲击试验机对标准冲击试样进行冲击试验，将标准冲击试样冲断；

(3)将冲断的标准冲击试样拼接起来，观察断裂面是否在标准冲击试样均温区范围内；

如果断裂面处于标准冲击试样均温区范围内，则表明热力模拟过程成立，进而确定高强度汽车钢形变热处理参数：加热方式、加热温度、加热速率、保温时间、变形温度、变形量、应变速率、冷却方式、冷却温度、冷却速率和冷却等温时间工艺参数，即为热力模拟过程中模拟试样的对应参数；

如果断裂面超出标准冲击试样均温区范围，进行(c)或(d)后，重新开始步骤4，直至断裂面处于标准冲击试样均温区范围内；

(c)更换夹具，选择具有低导热性能的夹具，使得均温区增大，从而调整辅助热电偶的焊接位置，扩大与主热电偶的距离L；

(d)增大模拟长方体的高度，按照H_模拟高：L≥4关系式，相应调整辅助热电偶的焊接位置，扩大与主热电偶的距离L。

其中：

本发明中，试样压缩变形导致试样中部被压凸，压凸变形的部分称为镦粗区，设定镦粗区的高与试样的高平行。

所述的标准冲击试样，是指高强度汽车钢在做冲击试验时的试样，应符合国家标准GB/T229-2007金属材料的夏比摆锤冲击试验方法所规定。

所述的步骤1中，高强度汽车钢的抗拉强度大于等于1000MPa，表征冲击韧性的室温冲击功小于等于100J。

所述的步骤1中，标准冲击试样的长为10mm，标准冲击试样的宽为10mm、7.5mm、5.0mm或2.5mm，标准冲击试样的高为55mm，H_阶高≥1.5mm，Δh_均≥0.5mm。

所述的步骤1中(B)中，确定高强度汽车钢的加热方式、加热温度、加热速度和保温时间：加热方式为连续加热或阶梯分段加热，加热温度比高强度汽车钢的Ac₃温度高20～100℃，加热速度小于等于12℃/s，保温时间大于等于5min；确定高强度汽车钢的变形温度、变形量和应变速率：变形量以模拟长方体的高为标准，根据变形程度确定，应变速率小于等于10s^-1，变形温度小于或者等于加热温度；确定高强度汽车钢的冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间：冷却方式为连续冷却或Q&P淬火-配分型阶梯冷却；对于连续冷却工艺，没有冷却等温时间要求，冷却速度高于材料的临界冷却速度，冷却温度低于材料的M_s温度，以实现马氏体相变，在室温下获得马氏体微观组织；对于Q&P淬火-配分型阶梯冷却工艺，冷却参数包括淬火温度、淬火冷却速度、配分温度、配分时间和终冷温度，其中，淬火温度低于材料的M_s温度，配分温度大于等于淬火温度，冷却等温时间为配分时间，根据碳原子的配分，即马氏体相变过程中碳原子由马氏体向残余奥氏体的扩散迁移效果来确定，淬火冷却速度高于材料的临界冷却速度，以实现马氏体相变，最终在室温下获得由马氏体和具有较高体积分数的残余奥氏体组成的微观组织。

所述的步骤1中(B)中，变形量与变形程度相对应，应变速率即为变形速率。

所述的步骤2(1)中，中心点位置为长度方向中心线(称为垂直线)和高度方向中心线(称为水平线)的交点或者是宽度方向中心线(称为垂直线)和高度方向中心线(称为水平线)的交点。

所述的步骤2中，K型热电偶为镍铬K型热电偶；所述的镍铬K型热电偶的偶丝直径为0.25mm，D为1～2.5mm。

所述的步骤3中，夹具为梯形夹具。

所述的步骤4中，T_心即为模拟试样的均温区的中心温度，T_边即为模拟试样的均温区的边缘温度。

所述的步骤4中，对热力模拟试验机操作箱抽真空至真空度≤10Pa。

所述的步骤4中，加热过程对模拟试样进行低频电流加热，其电流频率为50～60Hz。

所述的步骤4中，对模拟试样进行低频电流加热，模拟试样横截面内通过上千安培的电流，电流均匀通过模拟试样横截面，通过改变电流大小可控制模拟试样加热速度和加热温度。

所述的步骤4中，电极两端的夹具为避免其温度过高导致相邻设备损坏，热力模拟试验机在夹具两端设置有水冷装置，当水冷装置启动后，试样被夹持段通过热传导将热量传递给夹具，夹具也通过热传导将热量传递给水冷装置以进行散热。在加热过程中，模拟试样沿长度方向自然地形成了对称的温度梯度分布，在模拟试样尺寸和自由跨度一定的情形下，可通过变更夹具的材质来改变热量散失的速率，从而间接调整模拟试样的均温区的范围大小。

所述的步骤5中，热力模拟试验机主液压缸锤头在位置控制模式下按照设定的变形量和应变速率对模拟长方体进行压缩变形。

所述的步骤5中，用千分尺测量模拟试样上主热电偶和辅助热电偶的距离，确定压缩变形后均温区的位置和大小。

所述的步骤6中，热力模拟试验机设定冷却工艺曲线，通过调节电流大小和/或改变冷却介质的方式，保证模拟试样的冷却曲线与设定冷却工艺曲线一致。所述的冷却介质为水、气或热传导中的一种。

所述的步骤7中，采用放大镜将镦粗区放大。

所述的步骤7中，模拟试样如无裂纹，表明上述的形变热处理试验成功。

所述的步骤8中，按照国标GB/T 229-2007要求，将标准冲击试样的中部位置开V型口或U型口；所述的中部位置为标准冲击试样沿高方向上的中部位置。

所述的步骤8中，如果断裂面处于标准冲击试样均温区范围内，则表明对模拟试样的形变热处理过程是科学、有效的。

本发明的高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法的技术原理为：高强钢因其较低的韧性指标，经冲击试验后一般是沿试样V型或U型缺口附近的狭窄区域进行断裂的，断裂断面比较平整，冲击性能实质上表征的是冲击试样缺口狭窄区域抵抗断裂的性能。因此，对高强汽车钢冲击试样狭窄缺口区域的形变热处理完全可以代替对整个试样的形变热处理，而不改变其抵抗冲击断裂的效果。尽管经局部处理后的冲击试样沿长度方向组织和性能是不均匀的，但呈对称分布，并且在冲击试验时会首先在中部缺口处开裂，并沿缺口附近的狭窄区域进行断裂。如果该区域的组织性能均匀并符合拟定工艺要求，那么所测量的冲击性能指标完全可以等同于整体组织性能均匀并符合拟定工艺要求的试样。

对冲击试样中部缺口狭窄区域进行形变热处理的方式也符合热力模拟试验机的电阻加热特性，即在夹持试样的夹具两端受水冷装置冷却的影响下，试样在加热过程中沿长度方向两端存在对称的温度梯度分布，在试样中部自然地存在着一段均温区。由于该处温度最高，试样在压缩变形时会首先在该处进行形变。

本发明的高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法，所采用的热模拟试样是在国家标准GB/T 229-2007规定的标准冲击试样尺寸的基础上，基于变形需要及高温压缩镦粗变形特点而设计的阶梯式分段长方体方模拟试样。模拟试样两端和中部截面尺寸各异，中部截面尺寸略小于端部尺寸，利于中部均温区长度的扩展，而且在模拟试样总长度的约1/3和约2/3处还分别设置了一个截面尺寸更大的长方体阶梯台，以利于压缩变形。

本发明的高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法，是采用在试样高度方向某一表面中心部位焊上两组K型热电偶来检测均温区的温度，同时判断均温区的大小。布置在该表面长度中心线和宽度中心线交点处的热电偶为主热电偶，测量均温区表面中部的温度(T_心)，布置在宽度中心线上与主热电偶间距一定距离的另一组热电偶为辅助热电偶，测量均温区边缘的温度(T_边)。在材料加热到奥氏体化温度以上并且开始保温后，当中心温度和边缘温度差异较小，且满足T_心-5＜T_边＜T_心关系式时，可认为均温区选择合理；当中心温度和边缘温度差异较大时，中止实验，变更夹具，选择具有低导热性能的夹具，或者重新调整辅助热电偶的焊接位置，缩小与主热电偶的距离，再重新开始实验。

本发明的高强度汽车钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法，可采用不锈钢等具有低导热特性(相对于铜而言)的夹具来夹持试样，以保证在自由跨度较小情形下中部均温区的长度符合变形需要。

本发明的对高强度汽车钢冲击试样进行形变热处理的热力模拟方法是否科学有效，关键在于冲击试样经冲击试验后，断裂面是否在均温区变形范围内；可将断裂的冲击试样拼接起来通过肉眼观察并辅助千分尺测量，如果断口区域处于均温区范围内，则表明本发明的热力模拟方法是科学、有效的；如果断口区域临近均温区边缘，可适当扩大辅助热电偶与主热电偶的距离，再次开展试验进行验证。

本发明的对高强度汽车钢冲击试样进行形变热处理的热力模拟方法，改变了传统的冲击试样制备过程，实现了冲击试样组织准备的可重复性和工艺参数的高精度控制，能够明显降低试样制备过程系统误差和冲击性能的波动范围。

附图说明：

图1本发明实施例1和2的为未开缺口的标准冲击试样外形尺寸；

图2本发明实施例1和2的模拟试样的俯视图和侧视图；其中，1-模拟试样的夹持端，2-模拟试样的阶梯台，3-模拟试样的模拟长方体；

图3本发明实施例1和2的模拟试样的两组K型热电偶的位置示意图；其中，4-辅助热电偶，5-主热电偶；

图4本发明实施例1和2的模拟试样经两对梯形夹具夹持后的示意图；其中，6-梯形夹具；

图5本发明实施例1和2的模拟试样的模拟长方体中部在高温变形过程中的镦粗区示意图；其中，7-镦粗区；

图6本发明实施例1的22MnB5热成形钢标准冲击试样经摆锤冲击断裂后的断裂面宏观图片；

图7本发明实施例1的22MnB5热成形钢标准冲击试样经摆锤冲击断裂后的断口SEM图；

图8本发明实施例2的高强塑积热成形实验钢标准冲击试样经落锤冲击断裂后的断裂面宏观图片；

图9本发明实施例2的高强塑积热成形实验钢标准冲击试样经落锤冲击断裂后的断口SEM图。

具体实施方式：

以下实施例1采用Gleeble 3500热力模拟试验机对冲击模拟试样进行形变热处理，进行低频电流加热时，电流频率为50～60Hz。

以下实施例2采用MMS-300热力模拟试验机对冲击模拟试样进行形变热处理，进行低频电流加热时，电流频率为50～60Hz。

以下实施例1和2的未开缺口的标准冲击试样外形尺寸如图1所示，符合国家标准GB/T229-2007金属材料的夏比摆锤冲击试验方法所规定的冲击试样未开缺口时的外形尺寸。

以下实施例1和2的模拟试样的俯视图和侧视图如图2所示。

以下实施例1和2的模拟试样的两组K型热电偶的位置示意图如图3所示。

以下实施例1和2的模拟试样经两对梯形夹具夹持后的示意图如图4所示。

以下实施例1和2的模拟试样的模拟长方体中部在高温变形过程中的镦粗区示意图如图5所示。

实施例1

一种材质为22MnB5热成形钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法，具体包括如下步骤：

步骤1，进行(A)和(B)，(A)和(B)无先后顺序：

(A)确定模拟试样尺寸：

以标准冲击试样的尺寸为基准，确定模拟试样尺寸：

标准冲击试样为长方体，具体尺寸如图1所示，设：长方体底面的长为H_长＝长方体底面的宽为H_宽＝10mm，长方体的高为H_高＝55mm。

模拟试样的结构为一体式结构，模拟试样由模拟长方体、2个阶梯台和2个夹持端组成，在模拟长方体的两个底面的两侧分别设置有相同的阶梯台，阶梯台的两侧分别设置有相同的夹持端，阶梯台和夹持端均为长方体，设：

模拟长方体的长与标准冲击试样的长平行，模拟长方体的宽与标准冲击试样的宽平行，模拟长方体的高与标准冲击试样的高平行，模拟长方体的高成为自由跨度，阶梯台的长与模拟长方体的长平行，阶梯台的宽与模拟长方体的宽平行，阶梯台的高与模拟长方体的高平行，夹持端的长与模拟长方体的长平行，夹持端的宽与模拟长方体的宽平行，夹持端的高与模拟长方体的高平行；设：

模拟长方体的长为H_模拟长＝模拟长方体的宽为H_模拟宽＝10.5mm，模拟长方体的高为H_模拟高＝10mm；

阶梯台的长为H_阶长＝阶梯台的宽为H_阶宽＝14mm，阶梯台的高为H_阶高＝2mm；

夹持端的长为H_夹长＝夹持端的宽为H_夹宽＝11mm，夹持端的高为H_夹高＝24mm；

于是，整个模拟试样的高为62mm。

(B)确定热模拟过程中的高温形变热处理工艺参数，包括加热方式、加热温度、加热速度、保温时间、变形温度、变形量、变形速率、冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间：

确定22MnB5热成形钢的加热方式、加热温度、加热速度和保温时间：加热方式为连续加热，加热温度为950℃，加热速度为10℃/s，保温时间为5min；

确定22MnB5热成形钢的变形温度、变形量和应变速率：变形量以模拟长方体的高为标准，根据变形程度确定为15％，即1.5mm，应变速率为10s^-1，变形温度为850℃；

确定22MnB5热成形钢的冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间：冷却方式采用连续冷却，没有冷却等温时间要求，冷却速度为40℃/s，高于材料的临界冷却速度(27℃/s)，直接冷却至室温，低于材料的Ms温度，以实现马氏体相变，并在室温下获得马氏体微观组织；

步骤2，在模拟试样的模拟长方体表面焊接热电偶：

(1)在模拟长方体侧表面，选定一个长和高构建的表面或宽和高构建的表面，确定2组镍铬K型热电偶的4个焊接点，镍铬K型热电偶的偶丝直径为0.25mm：该表面的中心点，为第一主热电偶焊接点；沿垂直于模拟长方体的高的方向上，距离中心点距离为D的点为第二主热电偶焊接点(D＝1mm)；沿平行于模拟长方体的高的方向上，第一主热电偶焊接点平移距离L的点(L＝2.5mm)，为第三辅助热电偶焊接点；沿平行于模拟长方体的高的方向上，第二主热电偶焊接点平移距离2.5mm的点，为第四辅助热电偶焊接点；

(2)利用热电偶焊接机分别将两条主热电偶的偶丝的一端，焊接在第一主热电偶焊接点和第二主热电偶焊接点上；分别将两条辅助热电偶的偶丝的一端，焊接在第三辅助热电偶焊接点和第四辅助热电偶焊接点上；其中，焊接时，主热电偶的两条偶丝根部和辅助热电偶的两条偶丝的根部均与被焊接的模拟长方体侧表面垂直；

步骤3，将模拟试样安装到热力模拟机上：

(1)用两个材质为不锈钢的梯形夹具分别夹紧模拟试样的两个夹持端，并将夹具固定在热力模拟试验机操作箱内的试样夹紧装置上；

(2)分别将两条主热电偶的偶丝的另一端，连接到操作箱内的一组内接线柱的正极和负极上；分别将辅助热电偶的偶丝的另一端，连接到操作箱内的另一组内接线柱的正极和负极上；

步骤4，对模拟试样进行加热处理：

对热力模拟试验机操作箱抽真空至≤10Pa，设定加热方式为连续加热，加热速率为10℃/s，加热温度为950℃和保温时间为5min，启动夹具的冷却装置，对模拟试样进行加热处理；在保温过程中，对比主、辅两组热电偶的温度曲线发现，最大温度偏差T_心-T_边＝3.5℃≤5℃；

当T_心-T_边≤5成立时，则在模拟长方体上确定模拟试样加热后的均温区：以第一主热电偶焊接点为对称中心，找到第三辅助热电偶焊接点的对称点，称为第五热电偶焊接点，那么在模拟长方体上，第三辅助热电偶焊接点所在横截面与第五热电偶焊接点所在横截面之间的区域，称为模拟试样加热后的均温区；即模拟试样加热后的均温区的高与沿模拟长方体的高平行且高为2L＝5mm；

步骤5，对模拟试样进行压缩试验：

(1)模拟试样经加热和保温后，热力模拟试验机根据设定变形温度为850℃，变形量为1.5mm和应变速率为10s^-1，对模拟长方体进行压缩变形，压缩变形结束后在均温区域内产生镦粗区，设紧邻模拟长方体两侧的阶梯台台面之间的距离为H_压缩高，则：

实际变形量＝H_模拟高-H_压缩高＝10-8.50＝1.5mm；

实际变形程度＝(H_模拟高-H_压缩高)/H_模拟高×100％＝1.5/10×100％＝15％；

(2)在模拟长方体上确定模拟试样压缩后的均温区，在压缩后的模拟长方体上，第三辅助热电偶焊接点所在横截面与第五热电偶焊接点所在横截面之间的区域，称为模拟试样压缩后的均温区；

步骤6，对模拟试样进行冷却处理：

模拟试样热压缩变形完成后，热力模拟试验机根据设定的冷却工艺参数：冷却方式采用连续冷却，冷却速率为40℃/s，将模拟长方体冷却至室温；

步骤7：模拟试样表面观察：

模拟试样冷却处理结束后，取下模拟试样，将镦粗区放大30倍，观察其表面发现无裂纹：

步骤8，用22MnB5热成形钢标准冲击试样验证冲击过程是否有效：

(1)以模拟试样的第一主热电偶焊接点所在横截面对应22MnB5热成形钢标准冲击试样的中心截面，将模拟试样加工成标准冲击试样，在标准冲击试样的中部位置开V型口并标注其均温区的范围，其中，标准冲击试样的均温区确定方法：以模拟试样的第一主热电偶焊接点所在横截面对应标准冲击试样的中心截面，标准冲击试样对应模拟试样压缩后的均温区的部分，称为标准冲击试样的均温区；

(2)用摆锤冲击试验机对22MnB5热成形钢标准冲击试样进行冲击试验，将标准冲击试样冲断；

(3)将冲断的22MnB5热成形钢标准冲击试样拼接起来，测得断口影响宽度为2.53mm，小于模拟试样均温区经压缩变形后实测的宽度4.05mm，确定断裂面在标准冲击试样均温区范围内，测得冲击吸收功为34.9J，断裂后的断裂面宏观图片如图6所示，断裂后的断裂面的SEM图如图7所示；

断裂面在标准冲击试样均温区范围内，所测得的冲击韧性指标是有效的，以冲击试样缺口区域的形变热处理代替对整个试样的形变热处理方法是科学的，表明热力模拟过程成立，进而确定22MnB5热成形钢冲击形变热处理参数：

加热处理参数为：加热方式为连续加热，加热温度为950℃，加热速率为10℃/s，保温时间为5min；压缩变形的参数为：变形温度为850℃，变形量为1.5mm，变形程度为15％，应变速率为10s^-1；冷却过程的参数为：冷却方式采用连续冷却，冷却至室温、冷却速率为40℃/s。

实施例2

一种高强塑积热成形实验钢冲击试样形变热处理的热力模拟方法，所述的高强塑积热成形实验钢的成分及其质量百分含量为，C：0.19，Si：1.55，Mn：1.53，Ni：0.95，Cr：1.01，Cu：1.01，B：0.0027，Al：0.025，Ti：0.033，Mo：0.45，S：0.004，P∶0.008，余量为Fe，具体包括如下步骤：

步骤1，进行(A)和(B)，(A)和(B)无先后顺序：

(A)确定模拟试样尺寸：

以标准冲击试样的尺寸为基准，确定模拟试样尺寸：

标准冲击试样为长方体，具体尺寸如图1所示，设：长方体底面的长为H_长＝长方体底面的宽为H_宽＝10mm，长方体的高为H_高＝55mm。

模拟试样的结构为一体式结构，模拟试样由模拟长方体、2个阶梯台和2个夹持端组成，在模拟长方体的两个底面的两侧分别设置有相同的阶梯台，阶梯台的两侧分别设置有相同的夹持端，阶梯台和夹持端均为长方体，设：

模拟长方体的长与标准冲击试样的长平行，模拟长方体的宽与标准冲击试样的宽平行，模拟长方体的高与标准冲击试样的高平行，模拟长方体的高成为自由跨度，阶梯台的长与模拟长方体的长平行，阶梯台的宽与模拟长方体的宽平行，阶梯台的高与模拟长方体的高平行，夹持端的长与模拟长方体的长平行，夹持端的宽与模拟长方体的宽平行，夹持端的高与模拟长方体的高平行；设：

模拟长方体的长为H_模拟长＝模拟长方体的宽为H_模拟宽＝10.5mm，模拟长方体的高为H_模拟高＝15mm；

阶梯台的长为H_阶长＝阶梯台的宽为H_阶宽＝14mm，阶梯台的高为H_阶高＝2.5mm；

夹持端的长为H_夹长＝夹持端的宽为H_夹宽＝11mm，夹持端的高为H_夹高＝24mm；

于是整个模拟试样的高为68mm。

(B)确定热模拟过程中的高温形变热处理工艺参数，包括加热方式、加热温度、加热速度、保温时间、变形温度、变形量、应变速率、冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间：

确定高强塑积热成形实验钢的加热方式、加热温度、加热速度和保温时间：加热方式为阶梯分段加热，以2℃/s的速度从室温加热到500℃，再以10℃/s的速度加热到950℃，随后保温5min；

确定高强塑积热成形实验钢的变形温度、变形量和应变速率：变形量以模拟长方体的高为标准，根据变形程度确定为20％，即3mm，应变速率为2s^-1，变形温度为850℃；

确定高强塑积热成形实验钢的冷却方式、冷却温度、冷却速度和冷却等温时间：冷却方式采用Q&P淬火-配分型阶梯冷却：以10℃/s的速度冷却到淬火温度280℃，等温5min，随后再以10℃/s的速度冷却到室温；对于该冷却工艺，冷却温度包括淬火温度、配分温度和终冷温度，其中，淬火温度和配分温度低于材料的M_s温度为280℃，冷却等温时间为配分时间为5min，根据碳原子的配分，即马氏体相变过程中碳原子由马氏体向残余奥氏体的扩散迁移效果来确定，冷却速度高于材料的临界冷却速度(0.5℃/s)，以实现马氏体相变及碳配分，在室温下获得由马氏体和较高体积分数的残余奥氏体组成的微观组织；

步骤2，在模拟试样的模拟长方体表面焊接热电偶：

(1)在模拟长方体侧表面，选定一个长和高构建的表面或宽和高构建的表面，确定2组镍铬K型热电偶的4个焊接点，镍铬K型热电偶的偶丝直径为0.25mm：该表面的中心点，为第一主热电偶焊接点；沿垂直于模拟长方体的高的方向上，距离中心点距离为D的点为第二主热电偶焊接点(D＝1mm)；沿平行于模拟长方体的高的方向上，第一主热电偶焊接点平移距离L的点(L＝2.5mm)，为第三辅助热电偶焊接点；沿平行于模拟长方体的高的方向上，第二主热电偶焊接点平移距离2.5mm的点，为第四辅助热电偶焊接点；

(2)利用热电偶焊接机分别将两条主热电偶的偶丝的一端，焊接在第一主热电偶焊接点和第二主热电偶焊接点上；分别将两条辅助热电偶的偶丝的一端，焊接在第三辅助热电偶焊接点和第四辅助热电偶焊接点上；其中，焊接时，主热电偶的两条偶丝根部和辅助热电偶的两条偶丝的根部均与被焊接的模拟长方体侧表面垂直；

步骤3，将模拟试样安装到热力模拟机上：

(1)用两个材质为不锈钢的梯形夹具分别夹紧模拟试样的两个夹持端，并将夹具固定在热力模拟试验机操作箱内的试样夹紧装置上；

(2)分别将两条主热电偶的偶丝的另一端，连接到操作箱内的一组内接线柱的正极和负极上；分别将辅助热电偶的偶丝的另一端，连接到操作箱内的另一组内接线柱的正极和负极上；

步骤4，对模拟试样进行加热处理：

对热力模拟试验机操作箱抽真空至≤10Pa，设定加热方式为分段阶梯加热、加热速率先以2℃/s，加热到500℃，再以10℃/s的速度加热到950℃，随后保温5min，启动夹具的冷却装置，对模拟试样进行加热处理；在保温过程中，对比主、辅两组热电偶的温度曲线发现，最大温度偏差T_心-T_边＝4.8℃≤5℃；

当T_心-T_边≤5成立时，则在模拟长方体上确定模拟试样加热后的均温区：以第一主热电偶焊接点为对称中心，找到第三辅助热电偶焊接点的对称点，称为第五热电偶焊接点，那么在模拟长方体上，第三辅助热电偶焊接点所在横截面与第五热电偶焊接点所在横截面之间的区域，称为模拟试样加热后的均温区；即模拟试样加热后的均温区的高与沿模拟长方体的高平行且高为2L＝5mm；

步骤5，对模拟试样进行压缩试验：

(1)模拟试样经加热和保温后，热力模拟试验机根据设定变形温度为850℃、变形量为3mm和应变速率为2s^-1，对模拟长方体进行压缩变形，压缩变形结束后在均温区域内产生镦粗区，设紧邻模拟长方体两侧的阶梯台台面之间的距离为H_压缩高，则：

实际变形量＝H_模拟高-H_压缩高＝15-12＝3mm；

实际变形程度＝(H_模拟高-H_压缩高)/H_模拟高×100％＝3/15×100％＝20％；

(2)在模拟长方体上确定模拟试样压缩后的均温区，在压缩后的模拟长方体上，第三辅助热电偶焊接点所在横截面与第五热电偶焊接点所在横截面之间的区域，称为模拟试样压缩后的均温区；

步骤6，对模拟试样进行冷却处理：

模拟试样热压缩变形完成后，热力模拟试验机根据设定的冷却工艺参数：冷却方式采用Q&P淬火-配分型阶梯冷却，以10℃/s的速度冷却到280℃，保温5min，随后再以10℃/s的速度冷却到室温；

步骤7：模拟试样表面观察：

模拟试样冷却处理结束后，取下模拟试样，将镦粗区放大30倍，观察其表面发现无裂纹：

步骤8，用高强塑积热成形实验钢标准冲击试样验证冲击过程是否有效：

(1)以模拟试样的第一主热电偶焊接点所在横截面对应高强塑积热成形实验钢标准冲击试样的中心截面，将模拟试样加工成标准冲击试样，在标准冲击试样的中部位置开V型口并标注其均温区的范围，其中，标准冲击试样的均温区确定方法：以模拟试样的第一主热电偶焊接点所在横截面对应标准冲击试样的中心截面，标准冲击试样对应模拟试样压缩后的均温区的部分，称为标准冲击试样的均温区；

(2)用Instron 9250HV落锤冲击试验机对高强塑积热成形实验钢标准冲击试样进行冲击试验，将标准冲击试样冲断；

(3)将冲断的高强塑积热成形实验钢标准冲击试样拼接起来，测得断口影响宽度为3.58mm，小于模拟试样均温区经压缩变形后实测的宽度3.85mm，确定断裂面在标准冲击试样均温区范围内，测得冲击吸收功为42.5J，断裂后的断裂面宏观图片如图8所示，断裂后的断裂面的SEM图如图9所示；

断裂面在标准冲击试样均温区范围内，所测得的冲击韧性指标是有效的，以冲击试样缺口区域的形变热处理代替对整个试样的形变热处理方法是科学的，表明热力模拟过程成立，进而确定高强塑积热成形实验钢形变热处理的参数：

加热处理参数为：采用分段阶梯加热方式，以2℃/s的速度从室温加热到500℃，再以10℃/s的速度加热到950℃，随后保温5min；压缩变形的参数为：变形温度为850℃，变形量为3mm，变形程度为20％，应变速率为2s^-1；冷却过程的参数为：冷却方式为Q&P淬火-配分型阶梯冷却：以10℃/s的速度冷却到280℃，保温5min，随后再以10℃/s的速度冷却到室温。