Boyer A, Demazel N, Coër J, et al. A novel hydraulic bulge test in hot forming conditions[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2023, 316: 117917.
Boyer, Adrien, et al. "A novel hydraulic bulge test in hot forming conditions." Journal of Materials Processing Technology 316 (2023): 117917.
Boyer, A., Demazel, N., Coër, J., Carin, M., Laurent, H., & Oliveira, M. C. (2023). A novel hydraulic bulge test in hot forming conditions. Journal of Materials Processing Technology, 316, 117917.
背景简介
为了为高应变水平的热钢金属成形模拟提供流动应力曲线和成形极限，了解材料的热机械行为至关重要。现阶段，已有众多研究人员对硼合金钢在高温下成形后的机械性能展开了研究。然而，在双轴应力状态下，利用液压胀形试验获得此类材料高温下的性能信息非常有限。主要原因在于高温下基于液压胀形试验获取双轴应力-应变曲线存在三个挑战，包括需要确保圆顶区域均匀温度场的加热方法；能够测量极点处的曲率和厚度（或主应变）演变的程序以及确保在鼓胀期间圆顶区域中的恒定应变率的程序。
因此本研究开发了一种新型液压胀形试验装置，用于评估可淬火硼钢板的高温双轴应力-应变曲线。研究主要集中于电阻加热的设计，以确保在圆坯的圆顶区域具有均匀的温度场。并且重现实际的热冲压条件（包括加热和冷却步骤），通过900℃下的奥氏体化步骤后，在700-900℃的温度范围内对Usibor®1500P钢进行液压鼓胀试验。最后利用激光轮廓仪提取鼓胀试验中获得的应力-应变曲线。
成果介绍
（1）本研究通过使用三对电极，在试样中心获得均匀温度场，电极彼此定向为60°（图1a）。通过切换与试样接触的电极对交替激活每对电极，一对电极在一段时间𝑡𝑎𝑝𝑝内处于活动状态后即被停用，而另一对电极激活供电。图1b为总加热时间为50 s的电流演变，在保温阶段，电流保持恒定在4400 A，施加时间𝑡𝑎𝑝𝑝减少到0.7 s，以实现在毛坯中心恒定均匀的温度。图1c显示了加热循环结束时的温度场，表明在毛坯中心达到900°C的温度时避免了热点。图1d显示了试样中心温度以及电极附近的最高温度的演变。
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图1 (a) 三对电极中电流旋转的示意图；(b) 在50 s的加热循环内，施加在每对电极上的电流强度𝐼的演变；(c) 由(b)所示的电循环产生的温度场，以及电极的旋转运动；(d) 试样中心温度和靠近电极的试样最高温度随时间演变
（2）为分析加热和鼓胀过程中温度的分布和演变（图2），在距离中心10、30和40 mm处设置三个𝐾型热电偶，并标记为𝑇10、𝑇30和𝑇40，试样从中心到外缘呈现渐变的颜色变化提供了试样不同位置的热历史信息，并表明其中心温度均匀。图3结果表明数值模型的结果与实验结果一致，因此电阻加热方法的优点得到了证明，这种方法可以用于鼓胀试验中试样温度的控制，以再现热冲压条件的所有过程。
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图2 700°C下进行初步试验后的试样，以及三个热电偶𝑇10 、𝑇30、 𝑇40设置位置示意图
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图3 700℃鼓胀试验中三种热电偶在加热、保温和鼓胀阶段温度演变的实验与仿真结果比较
（3）图4展示了在高温鼓胀试验的加热期间试样的表面演变，其中试样凸起圆顶的表面几何形状通常采用数字图像相关法（DIC）进行监测（图4）。试验结果表明，热鼓胀导致试样上升，通过观察图4b中试样表面的亮点可以观察到这种运动。此外，当试样上升至750℃后涂层熔化，试样表面呈现镜子一样的反射性（图4c）。在涂层与钢的合金化过程中，试样的表面转变为深色和粗糙的表面（图4d）。然而在高温范围内观察到的剧烈的颜色转变导致无法得到可靠的DIC测量结果，后续研究将采用激光轮廓仪进行监测。
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图4 鼓胀试验的加热期间，具有Al-Si涂层的Usibor®1500P试样的演变。(a) 初始条件；(b) 400℃；(c) 750℃；(d) 900℃
（4）鼓胀和单轴试验过程中采用了不同的热循环。拉伸试验的加热时间在开始时非常长，通过控制试验的总时间来避免DIC图像衰减，而低加热速率避免了Al-Si涂层在其熔化过程中的位移。此外，730-900℃时的加热速率在拉伸试验和鼓胀试验过程中相同，以便在保温步骤之前两种类型的试验获得相同的微观结构（如晶粒尺寸）。而保温时间选择10 s以确保试样的完全奥氏体化（图5）。
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图5 (a) 拉伸和 (b) 鼓胀试验期间的温度分布和加载条件，以获得800°C温度下的应力-应变曲线。1.加热；2.保温；3.冷却；4. 均化；5.加载
（5）图6a显示了应变率为0.02 s−1的条件下，三种温度下进行的单轴拉伸试验和两种升压速率鼓胀试验的应变速率演变过程。其中最大应变范围在900℃时为0.10，800℃时为0.17，700℃时为0.096。单轴拉伸试验结果表明，温度升高导致应力整体降低。并且所有拉伸试验的应变速率几乎不变，直至试验结束时略有增加。鼓胀试验期间应变速率的演变如图6b所示，鼓胀应变率从一开始就呈现出上升的趋势，然而上升趋势与温度或升压速率无关。
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图6 0.06和0.12 MPa s−1升压速率和700、800和900°C下的鼓胀试验结果，以及0.02 s−1初始应变率下的单轴拉伸试验的比较。(a) 真应力演变过程 ；(b) 应变率演变过程
致谢
本研究是ANR PRICECAT项目的一部分，该项目由国家研究机构（ANR）提供支持。这项研究还得到了法国高等教育部和葡萄牙科学技术基金会（FCT）的支持。感谢法国SREM Technologies协会对设备的设计和构思提供的支持。此外，感谢安赛乐米塔尔（法国蒙塔泰尔）的R. Canivenc，J. Favero，H. Salmon-Legagneur和G. Brun的研究支持以及A. Jegat（IRDL）在实验活动期间提供的技术支持。本文通讯作者：H. Laurent（Univ. Bretagne Sud, UMR CNRS 6027, IRDL, F-56100 Lorient, France）。
本期小编：王家兴（整理）
王永杰（校对）
程 航（审核）
闵 琳（发布）