熱成形鋼烘烤硬化性能研究

馮雪瑩　景財(cái)年　陳輝　張勇

摘要：通過(guò)在烘箱中對(duì)鋼板進(jìn)行加熱模擬實(shí)際生產(chǎn)中的烤漆過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板的烘烤硬化處理。結(jié)果顯示：隨著預(yù)變形量的增加，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率先增大后減小，經(jīng)4%預(yù)變形量+170℃，烘烤10min后，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到了最大值9.68%。試驗(yàn)鋼的烘烤硬化值（BH）逐漸增大，且在烘烤硬化溫度為170℃，預(yù)變形量為5%時(shí)，BH得到最大值112MPa，其遠(yuǎn)超一般烘烤硬化工藝下的烘烤硬化值（40MPa），此時(shí)材料的硬度變化不大。當(dāng)烘烤溫度為200℃時(shí)，材料的硬度先變小后變大。

關(guān)鍵詞：預(yù)變形；烘烤硬化；組織；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2016.28.099

1 實(shí)驗(yàn)材料及工藝

實(shí)驗(yàn)鋼采用的是鞍鋼生產(chǎn)的熱成形鋼。本實(shí)驗(yàn)首先將試驗(yàn)鋼加熱到930℃保溫180s，然后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行預(yù)變形，預(yù)變形量分別為2%，4%，5%，再將試驗(yàn)鋼在烘箱中進(jìn)行烘烤硬化處理，烘烤硬化溫度為170℃和200℃，時(shí)間為10min，最后將試驗(yàn)鋼水淬到室溫。

將經(jīng)過(guò)烘烤硬化工藝處理后的試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)粗磨、精磨和拋光，然后用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在Nikon3000光學(xué)顯微鏡（OM）下觀察金相組織。用HVS-1000顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試經(jīng)過(guò)熱處理后試驗(yàn)鋼的硬度值。將經(jīng)過(guò)烘烤硬化處理的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在WDW-100E拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

在烘烤硬化溫度為170℃和200℃，預(yù)變形量分別為2%、4%、5%時(shí)，試驗(yàn)鋼的主要組織為板條馬氏體，隨著預(yù)變形量的增加，馬氏體的板條束逐漸細(xì)化，主要是因?yàn)榇蟮淖冃瘟磕軌蛟谝欢ǔ潭壬掀扑閵W氏體晶粒，但是當(dāng)變形量過(guò)大時(shí)又會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，影響材料的性能。破碎的奧氏體晶粒在后續(xù)淬火過(guò)程中，轉(zhuǎn)變成較為細(xì)小的馬氏體組織。馬氏體組織越細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)越明顯，這也說(shuō)明在一定量的預(yù)變形范圍內(nèi)，預(yù)變形量的引入不僅不會(huì)破壞鋼板的性能，還有助于組織晶粒的細(xì)化，從而進(jìn)一步改善烘烤硬化鋼的綜合力學(xué)性能。

2.2 斷后伸長(zhǎng)率分析

烘烤硬化溫度為170℃和200℃時(shí)，隨著預(yù)變形量的增加，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)出了先增大后減小的變化規(guī)律，其原因主要與變形量引起的位錯(cuò)密度有關(guān)，在一定的烘烤溫度下，隨著預(yù)變形量的增大，鋼板中的位錯(cuò)密度會(huì)越來(lái)越大，位錯(cuò)密度的增大、固溶原子形成的cottrell氣團(tuán)，烘烤硬化過(guò)程中析出的第二相粒子對(duì)位錯(cuò)遷移的阻礙，能在一定程度上增強(qiáng)鋼板的變形抗力，延遲鋼板的斷裂，從而大幅度提高鋼板的斷后伸長(zhǎng)率，隨著變形量的進(jìn)一步增大，過(guò)高的位錯(cuò)密度在遷移過(guò)程中更容易聚集，形成微裂紋，這些微裂紋在應(yīng)力的作用下逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼板斷裂，從而降低了斷后伸長(zhǎng)率。

另外，在預(yù)變形量相同時(shí)，170℃烘烤硬化處理后鋼板的斷后伸長(zhǎng)率要比200℃的高，主要原因是過(guò)高的烘烤溫度減弱了cottrell氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)，同時(shí)使析出的碳化物第二相粒子更容易聚集長(zhǎng)大，降低了位錯(cuò)在遷移過(guò)程中受到的阻力，從而使鋼板的斷后伸長(zhǎng)率降低。

2.3 BH值分析

材料的BH值是衡量烘烤硬化性能的重要力學(xué)性能指標(biāo)，其計(jì)算方法：經(jīng)過(guò)烘烤硬化后的材料的屈服強(qiáng)度與沒(méi)有經(jīng)過(guò)烘烤硬化處理的材料的屈服強(qiáng)度之間的差值。烘烤硬化前材料的屈服強(qiáng)度較低，這有利于材料的沖壓變形，將變形后的沖壓件進(jìn)行烘烤硬化處理，使得其屈服強(qiáng)度得到提高，以滿足材料成形時(shí)的強(qiáng)度要求，因此，烘烤硬化技術(shù)能夠較好地解決強(qiáng)度越高，成形越難的問(wèn)題。

烘烤硬化溫度為170℃和200℃時(shí)，BH隨著預(yù)變形量的增加而增加，這種變化主要與預(yù)變形引入的位錯(cuò)密度的增大、固溶原子形成的cottrell氣團(tuán)以及烘烤硬化過(guò)程中析出的碳化物相有關(guān)，一方面，預(yù)變形引入了大量的位錯(cuò)，且聚集在位錯(cuò)線上的C、N等固溶原子形成的cottrell氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)起到釘扎的作用；另一方面，本實(shí)驗(yàn)材料中含有的強(qiáng)碳化物形成元素（Cr、Mo、Ti）在烘烤硬化過(guò)程中會(huì)逐漸析出大量的碳化物相，這些碳化物相以第二相粒子的形式分布在馬氏體基體上，在變形過(guò)程中阻礙位錯(cuò)的遷移，位錯(cuò)遷在移過(guò)程中，無(wú)論似切過(guò)機(jī)制還是繞過(guò)機(jī)制穿過(guò)第二相粒子，都需要消耗大量的能量，從而提高鋼板的強(qiáng)度，由BH的計(jì)算公式可知，強(qiáng)度的提高有助于BH的提高，因此，隨著變形量的增大，鋼板中的位錯(cuò)密度越高，在變形過(guò)程中受到第二相粒子的阻力越大，BH也就越大。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ泳鶆驈浬⒌姆植加诨w中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。第二相粒子的強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)為對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛椴豢勺冃瘟Ｗ訒r(shí)，位錯(cuò)與第二相粒子相遇時(shí)，將受到粒子的阻礙，使位錯(cuò)線繞著它發(fā)生彎曲。隨著外加應(yīng)力的增大，位錯(cuò)線受阻部分的彎曲加劇形成包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛榭勺冃挝⒘r(shí)，位錯(cuò)將切過(guò)粒子使之隨同基體一起變形。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛椴豢勺冃瘟Ｗ訒r(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力可由下式計(jì)算得到：

式中，G為剪切模量，Gpa；b為柏氏矢量模，nm；d為顆粒的直徑，nm；K為常數(shù)（量綱為1），f為析出相的體積分?jǐn)?shù)（%）。

另外，在變形量相同時(shí)，在170℃條件下進(jìn)行烘烤硬化處理后得到BH要比200℃的平均高出了大約11MPa，雖然烘烤有助于提高鋼板的強(qiáng)度，但溫度對(duì)烘烤硬化性能也有很大的影響，當(dāng)烘烤溫度較低時(shí)，固溶在位錯(cuò)線上的C、N原子由于無(wú)法獲得足夠的能量而無(wú)法遷移出位錯(cuò)線，隨著烘烤溫度的升高，一部分固溶在位錯(cuò)線上的C、N原子逐漸獲得足夠的能量而掙脫了位錯(cuò)線的束縛，減弱了cottrell氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)，從而降低了鋼板的BH值；另一方面，隨著溫度的升高，析出的第二相粒子會(huì)逐漸聚集增大，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ釉龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，位錯(cuò)穿過(guò)第二相粒子的方式會(huì)從切過(guò)機(jī)制轉(zhuǎn)換為繞過(guò)機(jī)制，而繞過(guò)機(jī)制所需的能量要比切過(guò)機(jī)制小得多，從而降低了位錯(cuò)在遷移過(guò)程中受到的阻力，使鋼板的BH值降低，另外，在烘烤的過(guò)程中，位錯(cuò)會(huì)發(fā)生滑移或者攀移，導(dǎo)致正負(fù)位錯(cuò)相互抵消最終消失，降低了位錯(cuò)密度，從而使鋼板的BH值減小。本文中采用的熱成形鋼在5%預(yù)變形量+170烘烤10min時(shí)，得到的BH值為112MPa，要比一般的BH值高得多，因此，該熱成形鋼適合通過(guò)烘烤硬化工藝提高其力學(xué)性能。

2.4 顯微硬度分析

當(dāng)烘烤溫度為170℃時(shí)較烘烤溫度為200℃時(shí)，硬度值較高。這主要是因?yàn)殡S配分溫度的逐漸升高時(shí)，馬氏體發(fā)生了回火軟化現(xiàn)象，并且可能伴有滲碳體的析出，從而降低了試驗(yàn)鋼的硬度。當(dāng)烘烤溫度為170℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微硬度先下降后上升，但總體變化幅度較小，這說(shuō)明預(yù)變形量對(duì)材料硬度的影響較小。當(dāng)烘烤溫度為170℃時(shí)，不會(huì)有馬氏體回火現(xiàn)象的出現(xiàn)，僅有少量滲碳體析出，使得試驗(yàn)鋼的硬度幾乎保持不變。當(dāng)烘烤溫度為200℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微硬度先下降，然后上升。這說(shuō)明當(dāng)烘烤溫度為200℃時(shí)，會(huì)有滲碳體的析出及回火馬氏體的產(chǎn)生，滲碳體的析出降低了馬氏體中的碳含量，使得材料發(fā)生脫碳軟化，硬度降低。當(dāng)進(jìn)一步增加預(yù)變形量時(shí)，材料的硬度增加，這可能是因?yàn)椴牧习l(fā)生加工硬化，使其硬度增大。

綜上可以看出，當(dāng)烘烤硬化溫度為170℃時(shí)，預(yù)變形量對(duì)材料的硬度影響不大。經(jīng)過(guò)烘烤硬化后，材料的屈服強(qiáng)度得到提高，且硬度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，提高了材料的綜合力學(xué)性能。當(dāng)烘烤溫度為200℃時(shí)，材料的硬度出現(xiàn)了下降。這說(shuō)明當(dāng)烘烤溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使材料析出碳化物，降低材料的組織性能。因此，在烘烤溫度為170℃時(shí)材料能夠獲得較好的組織力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）預(yù)變形量和烘烤溫度的變化對(duì)鋼板的組織與性能有很大的影響，經(jīng)烘烤硬化處理后的組織主要為含有大量位錯(cuò)的板條馬氏體，預(yù)變形引入的高密度的位錯(cuò)不僅能夠在一定程度上細(xì)化組織，從而提高鋼板的綜合性能。

（2）隨著預(yù)變形量的增加，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率均先增大后減小。

（3）隨著預(yù)變形量的增加，試驗(yàn)鋼的烘烤硬化值逐漸增，說(shuō)明該熱成形鋼適用于通過(guò)烘烤硬化工藝提高其性能。

（4）當(dāng)進(jìn)一步增大預(yù)變形量時(shí)，材料發(fā)生加工硬化作用，使得材料的硬度增加。