鋁硅鍍層對(duì)淬火熱成形鋼疲勞性能的影響

趙 光，馮建昶，康 欣，許 曉

(1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016；2.辛集市澳森鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河北 辛集 052300)

隨著汽車(chē)碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)要求不斷加強(qiáng)，熱成形鋼這類(lèi)具有超高強(qiáng)度的汽車(chē)板材在車(chē)身結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用逐漸增加[1-2]。為預(yù)防熱成形鋼在加熱過(guò)程中的脫碳和氧化，常在熱成形鋼的表面添加鋁硅鍍層。盡管鋁硅鍍層能夠起到良好的防護(hù)作用，但其與帶鋼基體本質(zhì)上是兩種完全不同的材料，鍍層在加熱淬火過(guò)程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生微裂紋[3]。

疲勞耐久性能對(duì)于車(chē)輛安全來(lái)說(shuō)也是一項(xiàng)重要指標(biāo)，就帶鍍層的熱成形鋼而言，鍍層中的微裂紋是否會(huì)向基體擴(kuò)展導(dǎo)致材料提前失效有兩種意見(jiàn)，一種認(rèn)為鍍層與基體的材料屬性差別很大，鍍層中的微裂紋在應(yīng)力加載過(guò)程中難以越過(guò)基體向內(nèi)擴(kuò)展，因此不會(huì)對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生影響，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為盡管鍍層與基體差別大，但微裂紋仍會(huì)通過(guò)擴(kuò)散層向基體擴(kuò)展，從而形成裂紋源導(dǎo)致材料提前失效。目前表面添加鋁硅鍍層的熱成形鋼在車(chē)身制造中已廣泛應(yīng)用，而關(guān)于鍍層對(duì)材料疲勞性能的影響還存在爭(zhēng)論，因此有必要對(duì)此進(jìn)行相關(guān)研究。

本文以表面添加鋁硅鍍層的淬火T1500HS+AS熱成形鋼為研究對(duì)象，測(cè)試了其淬火后的組織及拉伸性能，采用磨拋法去除鍍層獲得裸板樣品，加工制備鋁硅鍍層板和裸板兩種疲勞樣品進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析鋁硅鍍層對(duì)淬火熱成形鋼疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板公司所生產(chǎn)的厚度1.2 mm鍍鋁硅熱成形鋼T1500HS+AS，鋁硅鍍層的成分為90%的鋁和10%的硅。基體鋼板的化學(xué)成分如表1所示，除常規(guī)C、Si、Mn等元素外，還添加了Cr、Ti及B元素。通過(guò)表1的分析可知，所取樣板成分符合公司標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼板的出廠狀態(tài)基體組織為鐵素體和珠光體混合組織，鍍層完整無(wú)裂紋。試樣鋼板經(jīng)950 ℃加熱，保溫5 min，隨后水淬處理。首先對(duì)淬火處理后板材的鍍層和組織做金相和掃描分析，確定鍍層的形貌、裂紋及元素分布情況、基體組織的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，然后測(cè)試淬火板材的拉伸性能，為疲勞試驗(yàn)的參數(shù)制定提供依據(jù)。為確定鋁硅鍍層對(duì)淬火板材疲勞性能的影響，采用磨拋法去除鍍層獲得裸板樣品，用于疲勞試驗(yàn)的對(duì)比，最后分析鍍層板和裸板疲勞試樣的斷口來(lái)確定二者疲勞性能差異的原因。

表1 鍍鋁硅熱成形鋼T1500HS+AS化學(xué)成分 單位：wt%

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鍍層及組織性能表征

初始板料經(jīng)淬火后的金相組織如圖1所示，從中可以看出基體組織為淬火形成的板條馬氏體，鋁硅鍍層整體厚度約36微米左右，過(guò)渡層厚度約10微米，淬火后鋁硅鍍層表面形成了大量的微裂紋，大部分裂紋終止在過(guò)渡層，也有部分裂紋穿過(guò)過(guò)渡層接近基體組織。

圖1 T1500HS+AS淬火組織

鋁硅鍍層的化學(xué)成分為90%的鋁和10%的硅。其EDS能譜分析如圖2所示，鋁在鍍層中含量最多，主要存在于鍍層上側(cè)，硅元素在鍍層的次表層和過(guò)渡層中最多。由于元素的擴(kuò)散作用，鍍層中也含有一部分鐵元素。從掃面圖像中可見(jiàn)明顯的島狀析出相，通過(guò)能譜分析，其成分主要是硅和鐵。

(a)鋁硅鍍層面掃描

靜態(tài)拉伸試驗(yàn)指標(biāo)是制定疲勞試驗(yàn)參數(shù)的重要依據(jù)，淬火板材的拉伸試樣尺寸及性能如圖3所示，可見(jiàn)T1500HS+AS淬火后強(qiáng)度達(dá)到了1.5 GPa的級(jí)別，同時(shí)具有較高的屈服強(qiáng)度1 087 MPa，斷后延伸率為5%左右，滿足淬火板材性能要求。

圖3 淬火T1500HS+AS拉伸曲線及性能

2.2 應(yīng)力疲勞分析

疲勞試驗(yàn)參照GB/T 3075-2008 金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法進(jìn)行，試樣尺寸如圖4所示，疲勞試驗(yàn)在INSTRON 8801型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載采用應(yīng)力控制模式，由于板材的厚度較小，為防止試驗(yàn)過(guò)程發(fā)生屈曲現(xiàn)象導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，加載采用拉-拉應(yīng)力模式，即最大應(yīng)力和最小應(yīng)力均為拉應(yīng)力。應(yīng)力比R=0.1，加載波形正弦波，加載頻率20 Hz，為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，本文只測(cè)試樣品的有限壽命段曲線，根據(jù)上述靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定試驗(yàn)的最大應(yīng)力為1 200 MPa、1 100 MPa、1 000 MPa和900 MPa四個(gè)應(yīng)力水平對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)應(yīng)力水平采用3個(gè)有效樣品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)磨拋去除鋁硅鍍層獲得裸板的疲勞試樣樣品(圖5)，用于對(duì)比分析鍍層板和裸板的疲勞性能差異。

圖4 疲勞試樣尺寸(單位mm)

圖5 淬火鍍鋁硅和裸板疲勞試樣

表2 鍍層板和裸板疲勞測(cè)試結(jié)果

圖6 鍍層板和裸板疲勞性能曲線(對(duì)數(shù)坐標(biāo))

Smax=σ′f×(2Nf)b

(1)

(2)

2.3 斷口掃描分析

為分析鍍層板和裸板疲勞性能差異，對(duì)二者在1 100 MPa應(yīng)力水平下的斷口進(jìn)行了掃描。圖7為淬火鍍鋁硅鋼板的斷口掃描圖像，可以看出，試樣疲勞破壞的裂紋源有兩種，一種為鍍層表面裂紋形成的裂紋源，其自鍍層開(kāi)始，逐漸向基體擴(kuò)展，斷口斷面具有明顯的放射性特征(圖7(a))，鍍層裂紋擴(kuò)展還會(huì)導(dǎo)致與其接近的基體在斷裂時(shí)剝落。另一種為基體內(nèi)部夾雜物形成的裂紋源(圖7(b))，這種裂紋源在整個(gè)基體內(nèi)部較均勻分布，特征為夾雜物脫落后會(huì)在斷口的斷面上形成較深的小坑，從圖7(b)中還可看出，基體的斷裂既存在韌窩狀的塑性斷口也存在解理斷口，其并非單一的韌性或脆性斷口，而是表現(xiàn)為混合斷裂的特征。

疲勞破壞的過(guò)程分為疲勞裂紋產(chǎn)生和疲勞裂紋傳播兩個(gè)階段。疲勞裂紋的產(chǎn)生和傳播首先從材料局部應(yīng)力集中的位置開(kāi)始[5]。對(duì)于鍍層板而言，鍍層中的裂紋在拉應(yīng)力作用下穿過(guò)過(guò)渡層擴(kuò)展至基體，在基體的裂紋尖端便會(huì)造成局部的應(yīng)力集中，外加載荷的循環(huán)作用下應(yīng)力集中部位將會(huì)成為裂紋源繼續(xù)向基體內(nèi)部擴(kuò)展。此外鋼材內(nèi)部難免會(huì)存在夾雜物，試樣未受外部載荷作用時(shí)，基體與夾雜物的結(jié)合是比較緊密的，而樣品一旦受到循環(huán)載荷的作用，由于夾雜物和基體的彈性模量差別較大，在其交界部位也會(huì)引起應(yīng)力集中，使裂紋在夾雜物的周邊產(chǎn)生，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，夾雜物與基體逐漸發(fā)生脫離，在夾雜物的周邊形成孔洞成為裂紋源。裂紋源產(chǎn)生后在外力加載下會(huì)不斷擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸后試樣便會(huì)迅速失穩(wěn)斷裂。從圖7中可看出鍍層處裂紋源存在明顯的擴(kuò)展放射性特征，而基體內(nèi)部裂紋源則不明顯，說(shuō)明鍍層處裂紋擴(kuò)展更快，是試樣疲勞失效的主要原因。

(a)鍍層表面裂紋形成的裂紋源

圖8為鋁硅鍍層在疲勞試驗(yàn)前后的形貌對(duì)比。試驗(yàn)前鋁硅鍍層表面由于淬火作用已形成大量微裂紋，但鍍層并未出現(xiàn)剝落特征。試驗(yàn)中裂紋擴(kuò)展有兩個(gè)方向，一方面沿著鍍層內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致鍍層的剝落，一方面從鍍層向基體擴(kuò)展，形成疲勞的裂紋源。

(a)試驗(yàn)前

淬火裸板的疲勞斷口形貌如圖9所示。去除鋁硅鍍層后，在試樣表面未觀察到裂紋源的產(chǎn)生，其裂紋源只有一種，就是基體內(nèi)部夾雜物在交變載荷作用下形成的裂紋源。由于裂紋源只有一種，其臨界裂紋尺寸的形成速度遠(yuǎn)低于鍍層板，因此裸板具有更高的疲勞性能。

圖9 淬火裸板斷口掃描圖像

二者的裂紋萌生機(jī)理可用圖10表示，鍍層板具有雙重裂紋源，而裸板僅有一種，而且鍍層板存在容易達(dá)到臨界裂紋尺寸的鍍層裂紋源，因此其疲勞性能低于裸板。

圖10 疲勞裂紋形成機(jī)理

3 結(jié)論

本文對(duì)淬火后的鍍鋁硅熱成形鋼T1500HS+AS的組織及拉伸性能進(jìn)行了表征，同時(shí)采用磨拋法去除鍍層獲得熱成形后的裸板，對(duì)鍍層板和裸板的疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)論如下：

(1)淬火鍍鋁硅板T1500HS+AS的基體組織為板條馬氏體，鍍層厚度約36微米，鍍層由于淬火作用形成了大量微裂紋，鍍層中鋁元素主要存在于鍍層上側(cè)，硅元素主要存在于次表層和過(guò)渡層，鍍層中由于擴(kuò)散作用也存在一部分鐵元素，此外鍍層中存在明顯的島狀析出相，其主要成分為硅和鐵。淬火后的板材拉伸測(cè)試表明其抗拉達(dá)到1 500 MPa級(jí)別，屈服高于1 000 MPa，延伸率在5%左右。

(2)采用應(yīng)力控制方法的高周疲勞試驗(yàn)中，鍍層板的疲勞性能低于裸板，對(duì)疲勞樣品的斷口分析發(fā)現(xiàn)鍍層板的裂紋源存在兩處，一處為鍍層表面裂紋形成的裂紋源，其自鍍層開(kāi)始，逐漸向基體擴(kuò)展，斷口斷面具有明顯的放射性特征，另一處為基體內(nèi)部夾雜物形成的裂紋源，而裸板的裂紋源則僅為基體內(nèi)部夾雜物形成的裂紋源。鍍層中的裂紋會(huì)向基體內(nèi)部擴(kuò)展，增加了裂紋源的數(shù)量，使得鍍層板的疲勞性能變差。