烘烤時(shí)間對大晶粒低碳鋼烘烤硬化性能的影響

金曉龍 王 旭 劉仁東 李維娟

(1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

汽車用鋼的烘烤硬化現(xiàn)象在提高其抗凹陷性能的同時(shí)還可以減輕車身質(zhì)量，在安全性能和節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的今天，烘烤硬化鋼(BH鋼)得到了廣泛的關(guān)注，BH鋼成為近幾年來汽車用鋼重點(diǎn)研究的對象之一[1- 3]，其烘烤硬化機(jī)制的研究越來越受到重視[4- 7]。烘烤硬化的實(shí)質(zhì)是間隙原子和沖壓成型過程中形成的位錯(cuò)交互作用的結(jié)果。烘烤時(shí)間和晶粒尺寸對烘烤硬化性能有影響。劉鵬鵬等[8]研究認(rèn)為，影響B(tài)H值的主要因素為基體中固溶的碳含量，當(dāng)存在一定的位錯(cuò)密度時(shí)，固溶碳含量越多，BH值越大。Cottrell等[9]研究認(rèn)為，超低碳鋼烘烤硬化值與Cottrell氣團(tuán)的溶質(zhì)濃度有關(guān)，當(dāng)溶質(zhì)濃度為0.2時(shí)，烘烤硬化值最大，Cottrell氣團(tuán)的溶質(zhì)濃度繼續(xù)增大則不能產(chǎn)生更大的烘烤硬化效應(yīng)。De A K等[4]使用內(nèi)耗儀研究了超低碳烘烤硬化鋼的靜態(tài)烘烤硬化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在預(yù)變形量為5%、烘烤溫度為100 ℃時(shí)，柯氏氣團(tuán)所產(chǎn)生的烘烤硬化效果在20 min內(nèi)就達(dá)到了飽和，繼續(xù)延長烘烤時(shí)間對BH值影響不大。文獻(xiàn)[10]報(bào)道，晶粒尺寸變化可能會(huì)改變晶界的性質(zhì)，從而影響C原子的擴(kuò)散。文獻(xiàn)[11]報(bào)道，當(dāng)晶粒尺寸大于16 μm時(shí)，晶界幾乎沒有碳原子偏聚。因此本文采用內(nèi)耗方法研究了烘烤時(shí)間對大晶粒烘烤硬化鋼性能的影響，以期從原子層次上解析低碳鋼的烘烤硬化機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為冷軋低碳鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.21，Si 0.01，Mn 0.21，P 0.011，S 0.007 5，Al 0.019，N 0.002，F(xiàn)e余量。將試驗(yàn)鋼在箱式電阻爐內(nèi)退火，溫度為850 ℃，保溫30 min后空冷。采用線切割將熱處理后的試驗(yàn)鋼沿軋制方向加工成標(biāo)距為20 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在UTM5305拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行5%預(yù)變形的拉伸，拉伸速度為5 mm/min。然后在101- 1型烘烤箱內(nèi)進(jìn)行170 ℃烘烤，烘烤時(shí)間分別為10、20、100、500、1 000、2 500、5 000、7 000、10 000 min，并根據(jù)GB/T 24174—2009測試烘烤硬化(BH)值。利用ZEISS光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用MFP- 1000型多功能內(nèi)耗儀進(jìn)行內(nèi)耗試驗(yàn)，采用強(qiáng)迫振動(dòng)測量模式，升溫速率約為3 ℃/min，振幅為20×10-6，測量頻率分別為0.5、1、2、4 Hz。試樣尺寸為50 mm×1 mm×1 mm。采用相應(yīng)的擬合軟件扣除實(shí)測內(nèi)耗曲線的背景內(nèi)耗后得出實(shí)際內(nèi)耗。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖1所示，為單相鐵素體。經(jīng)測量，鐵素體平均晶粒尺寸約為160 μm，組織較均勻。

2.2 烘烤時(shí)間對BH值的影響

對經(jīng)過5%預(yù)應(yīng)變的拉伸試樣在170 ℃烘烤不同時(shí)間，所測得的BH值與烘烤時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)鋼退火后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the tested steel after annealing

圖2 試驗(yàn)鋼的BH值與烘烤時(shí)間之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between BH value and baking time for the tested steel

從圖2中可以看出，試驗(yàn)鋼的BH值均為負(fù)值，隨著烘烤時(shí)間的延長，BH值先迅速增加后基本保持不變，即從10～1 000 min段的-16.4 MPa增加到-11.5 MPa，然后在1 000～10 000 min段保持在-11.5 MPa左右。BH值在10～20 min段的增加幅度最大。

2.3 烘烤時(shí)間對內(nèi)耗的影響

圖3 是實(shí)際測量的烘烤不同時(shí)間的鋼的內(nèi)耗隨溫度的變化。圖中的1、2、3、4分別表示頻率為0.5、1、2、4 Hz的內(nèi)耗譜。

圖3中表明，每張圖里4條曲線的變化情況幾乎一致，都存在SKK峰。從SKK峰的峰溫看，隨著頻率的增加，曲線右移，只有圖3(a、d～e)中存在Snoek峰，即烘烤時(shí)間為10、500、1 000 min時(shí)，SKK峰和Snoek峰都存在。烘烤2 500、5 000、7 000、10 000 min的鋼，僅存在SKK峰，Snoek峰消失，這說明隨著烘烤時(shí)間的延長，碳原子發(fā)生了充分的擴(kuò)散，在10～1 000 min時(shí)間段碳原子逐漸從基體的晶格中擴(kuò)散出來，當(dāng)烘烤時(shí)間為1 000 min時(shí)，晶格的碳原子基本都擴(kuò)散出來，所以烘烤時(shí)間1 000 min是有無Snoek峰的分界線。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，BH值在烘烤時(shí)間為1 000 min時(shí)也發(fā)生轉(zhuǎn)折，在其之前，BH值隨著烘烤時(shí)間的延長而增加，在其之后，BH值幾乎不變。

圖3 烘烤不同時(shí)間的鋼的內(nèi)耗隨溫度的變化(沒有扣除內(nèi)耗背景)Fig.3 Dependence of internal friction on temperature for the steel baked for different times (not deducting friction background)

圖3(a～i)中，隨著頻率的增大，內(nèi)耗值(沒有扣除內(nèi)耗背景)也增大，而且內(nèi)耗值的增大幅度越來越大，這說明對于體心立方結(jié)構(gòu)的烘烤硬化鋼，經(jīng)過烘烤硬化后，隨著頻率的增加，背景內(nèi)耗越來越大。金屬中產(chǎn)生背景內(nèi)耗是在應(yīng)力的作用下，晶格中存在的各種缺陷移動(dòng)所導(dǎo)致的，所以實(shí)測內(nèi)耗值與頻率關(guān)系密切。

圖4是不同烘烤時(shí)間下頻率f=1時(shí)扣除背景內(nèi)耗的內(nèi)耗曲線，即真實(shí)內(nèi)耗曲線。

從圖4可以看出：當(dāng)頻率f=1時(shí)，烘烤不同時(shí)間的鋼的內(nèi)耗譜中都有SKK峰，說明即使在足夠長的烘烤時(shí)間內(nèi)，始終都有碳原子與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，也就是說碳原子與位錯(cuò)交互作用形成的Cotrrell氣團(tuán)是一直存在的。為了進(jìn)一步研究烘烤時(shí)間對BH值的影響機(jī)制，將有關(guān)信息統(tǒng)計(jì)成表1，并將烘烤不同時(shí)間的鋼的BH值與SKK峰值的關(guān)系繪制成圖5。

從圖5可以看出， SKK峰值隨烘烤時(shí)間的延長是先遞增后幾乎保持不變，但在20 min時(shí)出現(xiàn)了異常。從表1中可以看出，SKK峰值在烘烤20 min達(dá)到最大值，為3.644×10-3，在烘烤10～20 min SKK峰值迅速增加，從0.489×10-3增加到3.644×10-3，增加了約9倍。說明在10～20 min時(shí)間段碳原子處于釘扎位錯(cuò)的狀態(tài)，而且從SKK峰值增加的幅度看，這10 min內(nèi)碳原子與位錯(cuò)間的交互作用達(dá)到了最大，即在20 min時(shí)，碳原子釘扎的位錯(cuò)數(shù)量最多，形成的Cotrrell氣團(tuán)密度最大。但從圖2可以看到，在烘烤時(shí)間為20 min時(shí)，BH值并不是最大。張繼成[12]認(rèn)為，烘烤工藝對BH值的影響有兩個(gè)方面：一方面是烘烤導(dǎo)致Cotrrell氣團(tuán)形成，使流變應(yīng)力增大；另一方面是烘烤使內(nèi)應(yīng)力釋放，使流變應(yīng)力減小。所以當(dāng)烘烤時(shí)間為20 min時(shí)，烘烤使得Cotrrell氣團(tuán)密度增加的幅度稍大于使內(nèi)應(yīng)力釋放的幅度，BH值雖增加，但幅度不大。在20～100 min時(shí)間段，SKK峰值大幅度降低，從3.644×10-3降低到0.558×10-3，大約降低了6.5倍，但100 min時(shí)的BH值仍大于20 min的。這是因?yàn)?00 min時(shí)，烘烤使Cotrrell氣團(tuán)密度增加的幅度遠(yuǎn)大于使內(nèi)應(yīng)力釋放的幅度，所以BH值增加較多，因此烘烤時(shí)間為20 min時(shí)，內(nèi)應(yīng)力釋放得最多。在1 000～10 000 min時(shí)間段，SKK峰值變化不大，基本保持在(0.6～0.7)×10-3。從圖5也可以看出，此時(shí)間段內(nèi)BH值和SKK峰值的變化規(guī)律保持一致，說明碳原子和位錯(cuò)的交互作用達(dá)到了平衡。

圖4 烘烤不同時(shí)間的鋼的內(nèi)耗與溫度的關(guān)系(扣除內(nèi)耗背景)Fig.4 Relation of internal friction to temperature for the steel baked for different times (deducting friction background)

圖4(a、d～e)中有Snoek峰，即烘烤時(shí)間為10、500、1 000 min時(shí)，SKK峰和Snoek峰共存。說明在烘烤前1 000 min內(nèi)，晶格的間隙固溶碳原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受烘烤提供的能量驅(qū)動(dòng)，在晶格與基體之間徘徊，此時(shí)間段內(nèi)的BH值變化不大，即說明碳原子在晶格間的固溶對BH值的貢獻(xiàn)不大。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在烘烤時(shí)間1 000 min內(nèi)，hSnoek+hSKK的變化幅度很大，沒有固定規(guī)律；在1 000 min之后趨于穩(wěn)定，保持在(0.6～0.7)×10-3。這說明烘烤時(shí)間1 000 min是碳原子穩(wěn)定的時(shí)間。

圖5 鋼的SKK峰值和BH值隨烘烤時(shí)間的變化Fig.5 SKK peak and BH value of the steel as a function of baking times

表1 不同烘烤時(shí)間下的峰溫和峰高Table 1 Tm and Q1-1 during different baking times

3 結(jié)論

(1)大晶粒低碳鋼的烘烤硬化值均為負(fù)值，BH值隨著SKK峰的變化而變化，即BH值主要受Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化作用的影響。

(2)BH值隨著烘烤時(shí)間的延長先增加后不變；當(dāng)烘烤時(shí)間為1 000 min時(shí)BH值達(dá)到最大值，烘烤時(shí)間繼續(xù)延長，BH值變化不大。

(3)當(dāng)烘烤時(shí)間為20 min時(shí)，SKK峰值最大；當(dāng)烘烤時(shí)間超過1 000 min時(shí)，隨著烘烤時(shí)間的繼續(xù)延長，SKK峰高變化不大。