汽车用BH340钢烘烤硬化性能的教学实验研究

刘 娟，鄂大辛，陈吉生

（北京理工大学材料学院，北京 100081）

汽车用BH340钢烘烤硬化性能的教学实验研究

刘 娟，鄂大辛，陈吉生

（北京理工大学材料学院，北京 100081）

在材料分析的实践教学环节中引入新型汽车用低碳钢板力学性能实验，实验研究BH340钢的烘烤硬化性能，结合实际生产中车身覆盖件大变形成形的特点，进行17%的预变形量及后续170℃、30min的烘烤处理，利用扫描电镜摄取了断口形貌并进行了硬度测试分析。结果表明，BH340钢经较大预变形并烘烤后显示出较强的应变时效效应，塑性与韧性明显下降，屈服强度及表面硬度均有所提高，而且在多次伸长类变形中存在破裂危险点转移的倾向。

BH340钢；烘烤硬化性能；破裂点转移

为了贯彻教育部关于在理工科大学开展工程教育的教学指导方针，并与先进制造技术相结合，在材料加工专业课程教学中引进新型高效汽车用烘烤硬化钢（BH钢）的介绍。BH钢是一种碳原子固溶于铁素体基体的低碳钢，具有较低的初始屈服强度，经冲压成形并喷漆烘烤后屈服强度可进一步提高，其强化条件与汽车外板冲压生产工艺过程完全吻合［1-6］。由于BH钢既可以提高板成形后的强度及抗凹陷性，同时又具有良好的成形性能，汽车工业发达国家已将其广泛用于制造汽车门外板、发动机盖板等外覆盖件［7-12］。我校在与某汽车企业合作研究的同时，在实验教学中引入BH钢板拉伸及烘烤硬化性能的基础实验，使本科生教学涉入工程实践内容并向实际生产提供参考。

1 实验材料与方法

实验材料为国产新型汽车用BH340烘烤硬化钢，原始厚度b0＝0.7mm，各元素质量分数w如表1所示。

表1 BH340的化学成分%

尽管有文献报道，过大预变形量可能降低烘烤硬化效果，但为符合汽车外覆盖件生产工艺过程，仅参照JIS G 3135烘烤条件进行非标准试验。按照GBT 228—2002［13］标准切割试样，在WDW-E100D万能试验机上进行拉伸，首次预拉伸变形量为17%；置入SX2-5-12箱式电阻炉高低温试验箱中，在170℃± 5℃恒温中烘烤30min；然后利用HR-150洛式硬度计检测试样表面硬度。试样变形条件分以下5种方式：a：预变形；b：预变形-拉断（无烘烤）；c：预变形-烘烤瞬时；d：预变形-烘烤、拉断瞬时；e：预变形-烘烤、拉断静置一段时间（约100h）。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能及烘烤硬化性

BH340钢板拉伸的工程应力-应变曲线如图1所示。通过放大可以看出，在初始屈服点附近略显超低碳钢的屈服伸长效应，一次拉断时的断后伸长率达39.84%。经过预拉伸（伸长率δ＝17%）卸载并静置720h后再次加载拉伸，卸载应力成为后继屈服点应力，加工硬化带来屈服强度增量WH＝116MPa，但并未呈现明显的应变时效倾向，且由于塑性降低而在δ≈22.57%时发生断裂。经过预拉伸（δ＝17%）卸载并在170℃±5℃恒温中烘烤约30min后再次加载拉伸，则在WH＝116MPa的基础之上，因烘烤硬化效应又进一步获得屈服强度增量BH＝57.4MPa。烘烤使C或N原子产生较高的热激活能，扩散在位错附近而形成钉扎作用而使试样二次强化；但随着继续变形，材料内部微裂纹或微孔洞的形核、生成及汇聚导致应变弱化，因此塑性急剧下降，在δ≈20.64%时即发生断裂。

图1 BH340拉伸工程应力应变曲线

由图2所示的拉断试样的实物照片可以看出，对试样进行17%预拉伸卸载，经过烘烤和未经烘烤而静置720h之后的试样再次拉伸时，断裂几乎全部产生在平行段与夹持端之间的圆弧过渡区，也就是说，经过预拉伸后的试样不仅塑性急剧降低，而且断裂点位置由一次拉断的平行段中部向夹持端一侧偏转。分析认为，17%的预拉伸量仅为总延伸率的一半左右，且均匀变形主要集中在平行段，而圆弧过渡区变形量较小，因此产生的加工硬化效果较弱。这样，经烘烤或自然时效后再次加载时，变形主要集中在初始变形小且硬化效果较弱的圆弧过渡区，变形硬化（变形硬化）导致该区域塑性降低迅速形成缩颈而发生断裂。

图2 不同变形条件下拉断试样的实物照片

2.2 断口形貌及分析

为了考察烘烤硬化对BH钢板微观组织的影响，在未烘烤及烘烤拉断试样上截取断口进行SEM试验，利用JSM-5600LV扫描电镜拍摄断口表面形貌示于图3。断口上分布的不同形状、大小、深浅的韧窝是材料微孔形核长大和聚合留下的痕迹。图3（a）未经烘烤断口上韧窝密度较大且分布相对均匀，韧性断裂特征较强；图3（b）烘烤后的拉断断口上韧窝密度明显降低，并向拉长韧窝或撕裂韧窝转变，韧性断裂特征明显弱化，脆性断裂倾向增强。这是因为烘烤硬化使基体内的间隙固溶原子达到发生向晶界处扩散的临界条件，但由于位错的阻碍而堆积形成柯氏气团而阻碍晶体变形，因而使强度和硬度提高。上述现象表明，BH340钢板经较大预变形并经烘烤处理后，具有断裂韧性降低的倾向。

2.3 硬度测试分析

测试前述5种不同实验条件下试样的表面硬度，将所测硬度值相对于试样原始硬度的增幅曲线见图4。试样经a有17%预拉伸（未发生颈缩）时，除伸长变形较小的两端圆弧过渡区的点1mm和12mm外，变形导致的表面硬度增幅也相对均匀，约为25HRC；试样b为预变形-（无烘烤）拉断试样，在拉伸断口附近的圆弧过渡区，二次拉伸时局部颈缩变形使试样表面硬度明显上升，这与前述的强度变化规律一致；经预拉伸且烘烤的c试样，温度升高使原子热运动加剧导致其扩散能力增强，且由于原子间作用力减弱而使整体硬度降低，平行段较大伸长变形后晶格出现了滑移层而扭曲，对固溶元素的溶解能力下降，微量C、N元素扩散及析出在位错周围形成柯氏气团，钉扎部分位错并使该区域强度和硬度均高于两端小变形区；试样d经过预变形-烘烤-拉断瞬时，烘烤后的扩散间隙原子主要分布在位错密集的平行段与圆弧过渡区，使最高硬度集中在断口处；与试样d同样变形经历的试样e，由于静置约100h的自然时效，使析出的间隙原子扩散均匀化，因此平行段硬度略有降低，而断口附近的高硬度区域有所增大。

图3 BH340烘烤前后断口形貌（×1000）

图4 不同变形条件下的硬度增幅

3 结论

（1）BH340钢板初始屈服强度低且有较好的延展性，经预变形烘烤后显示出较强的应变时效效应，但静置720h的自然时效后塑性降低，而强化效果不明显。

（2）通过大量实验发现，BH340钢板经预变形后二次拉伸的断裂发生在标准试样的圆弧过渡区附近。因此，对BH钢板进行多道次伸长类成形时应注意，初始变形量较小区域在后续成形中转变为破裂危险区的倾向显著。

（3）BH340钢板经预应变-烘烤后具有表面硬度提高与初始变形量成正比的倾向，经多次伸长变形后的表面硬度提高更显著，因此有利于增强汽车外覆盖件局部抗凹陷性能。

结合当前汽车车身轻量化技术发展现状，将先进的BH钢板的烘烤硬化性能实验引入实验教学中，开阔了学生对现代汽车制造工程认识的视野，培养学生的自主思维和动手实践的能力，取得了良好的教学效果，同时加深了对BH钢板烘烤硬化性能的认识。

（References）

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［4］于燕，孙艳坤，刘相华，等.汽车用高强钢板BH340与普通冷轧钢板St13点焊性能对比分析［J］.电焊机，2006，68（8）：60-62.

［5］胥明，黄跃平，韩晓林.金属材料拉伸实验的标准化问题［J］.实验技术与管理，2007，24（10）：237-239.

［6］刘娟，鄂大辛，张敬文.小直径薄壁管直接拉伸方法研究［J］.实验技术与管理，2012，29（3）：56-58.

［7］武晋，毕大森.烘烤硬化钢板B180H1与冷轧板DC04性能对比研究［J］.装备制造技术，2010（7）：7-9.

［8］李东升，李雪峰，周贤宾.汽车板材烘烤硬化特性的研究［J］.金属成形工艺，2001，19（2）：14-17.

［9］李顺才，蔡瑜玮.材料力学实验教学若干思考［J］.实验技术与管理，2010，27（12）：158-160.

［10］鄂大辛，庞愉平.数控线切割加工的开放实验［J］.实验室研究与探索，2004，23（7）：64-66.

［11］鄂大辛，庞愉平.开放实验的研究与实践［J］.实验技术与管理，2003，20（2）：116-119.

［12］徐惟诚，徐卫星.测试条件对BH值影响程度的研究［J］.理化检验：物理分册，2004，40（3），114-116.

［13］梁新邦，李久林，陶立英，等.GB／T 228—2002金属材料室温拉伸试验方法［S］.北京：中国标准出版社，1996.

Study on teaching experiments by baking hardening performance of BH340steel for automobiles

Liu Juan，E Daxin，Chen Jisheng
（School of Materials and Science Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Mechanical properties tests of novel low-carbon steel for automobiles are brought into practical teaching on material analysis.Based on characteristics of large deformation in automobile panel forming，the study on baking hardening performance of BH340steel is performed.About 17%pre-deformation and subsequent the baking treatment at 170℃in 30min are carried out.The scanning electron microscope is utilized to observe fracture of the samples，and in the meantime，the hardness testing is carried out.The resulfs show that BH340steel displays relatively strong strain aging effect after relatively large deformation and subsequent baking treatment，and in the meanwhile，plasticity and toughness decrease while yield stress and hardness increase.What’s more，there exits the trend of crack point transfer in the repeatedly tensile-type of deformation.

BH340steel；baking hardening performance；crack point transfer

R642.0；TG142.1

A

1002-4956（2013）03-0062-03

2012-06-14 修改日期：2012-09-26

刘娟（1980—），女，河北邯郸，本科，实验员，主要研究方向：金属室温力学性能.

E-mail：mokodo＠bit.edu.cn