热成形钢烘烤硬化性能研究

冯雪莹　景财年　陈辉　张勇

摘要：通过在烘箱中对钢板进行加热模拟实际生产中的烤漆过程，从而实现对钢板的烘烤硬化处理。结果显示：随着预变形量的增加，试验钢的断后伸长率先增大后减小，经4%预变形量+170℃，烘烤10min后，断后伸长率达到了最大值9.68%。试验钢的烘烤硬化值（BH）逐渐增大，且在烘烤硬化温度为170℃，预变形量为5%时，BH得到最大值112MPa，其远超一般烘烤硬化工艺下的烘烤硬化值（40MPa），此时材料的硬度变化不大。当烘烤温度为200℃时，材料的硬度先变小后变大。

关键词：预变形；烘烤硬化；组织；力学性能

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2016.28.099

1 实验材料及工艺

实验钢采用的是鞍钢生产的热成形钢。本实验首先将试验钢加热到930℃保温180s，然后在拉伸试验机上进行预变形，预变形量分别为2%，4%，5%，再将试验钢在烘箱中进行烘烤硬化处理，烘烤硬化温度为170℃和200℃，时间为10min，最后将试验钢水淬到室温。

将经过烘烤硬化工艺处理后的试验钢经过粗磨、精磨和抛光，然后用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，在Nikon3000光学显微镜（OM）下观察金相组织。用HVS-1000显微维氏硬度计测试经过热处理后试验钢的硬度值。将经过烘烤硬化处理的标准拉伸试样在WDW-100E拉伸机上进行拉伸试验。

2 实验结果及分析

2.1 显微组织分析

在烘烤硬化温度为170℃和200℃，预变形量分别为2%、4%、5%时，试验钢的主要组织为板条马氏体，随着预变形量的增加，马氏体的板条束逐渐细化，主要是因为大的变形量能够在一定程度上破碎奥氏体晶粒，但是当变形量过大时又会导致材料内部出现微裂纹，影响材料的性能。破碎的奥氏体晶粒在后续淬火过程中，转变成较为细小的马氏体组织。马氏体组织越细小，细晶强化效应越明显，这也说明在一定量的预变形范围内，预变形量的引入不仅不会破坏钢板的性能，还有助于组织晶粒的细化，从而进一步改善烘烤硬化钢的综合力学性能。

2.2 断后伸长率分析

烘烤硬化温度为170℃和200℃时，随着预变形量的增加，试验钢的断后伸长率均呈现出了先增大后减小的变化规律，其原因主要与变形量引起的位错密度有关，在一定的烘烤温度下，随着预变形量的增大，钢板中的位错密度会越来越大，位错密度的增大、固溶原子形成的cottrell气团，烘烤硬化过程中析出的第二相粒子对位错迁移的阻碍，能在一定程度上增强钢板的变形抗力，延迟钢板的断裂，从而大幅度提高钢板的断后伸长率，随着变形量的进一步增大，过高的位错密度在迁移过程中更容易聚集，形成微裂纹，这些微裂纹在应力的作用下逐渐扩展，最终导致钢板断裂，从而降低了断后伸长率。

另外，在预变形量相同时，170℃烘烤硬化处理后钢板的断后伸长率要比200℃的高，主要原因是过高的烘烤温度减弱了cottrell气团对位错的钉扎效应，同时使析出的碳化物第二相粒子更容易聚集长大，降低了位错在迁移过程中受到的阻力，从而使钢板的断后伸长率降低。

2.3 BH值分析

材料的BH值是衡量烘烤硬化性能的重要力学性能指标，其计算方法：经过烘烤硬化后的材料的屈服强度与没有经过烘烤硬化处理的材料的屈服强度之间的差值。烘烤硬化前材料的屈服强度较低，这有利于材料的冲压变形，将变形后的冲压件进行烘烤硬化处理，使得其屈服强度得到提高，以满足材料成形时的强度要求，因此，烘烤硬化技术能够较好地解决强度越高，成形越难的问题。

烘烤硬化温度为170℃和200℃时，BH随着预变形量的增加而增加，这种变化主要与预变形引入的位错密度的增大、固溶原子形成的cottrell气团以及烘烤硬化过程中析出的碳化物相有关，一方面，预变形引入了大量的位错，且聚集在位错线上的C、N等固溶原子形成的cottrell气团对位错起到钉扎的作用；另一方面，本实验材料中含有的强碳化物形成元素（Cr、Mo、Ti）在烘烤硬化过程中会逐渐析出大量的碳化物相，这些碳化物相以第二相粒子的形式分布在马氏体基体上，在变形过程中阻碍位错的迁移，位错迁在移过程中，无论似切过机制还是绕过机制穿过第二相粒子，都需要消耗大量的能量，从而提高钢板的强度，由BH的计算公式可知，强度的提高有助于BH的提高，因此，随着变形量的增大，钢板中的位错密度越高，在变形过程中受到第二相粒子的阻力越大，BH也就越大。当第二相粒子均匀弥散的分布于基体中时，将会产生显著的强化作用。第二相粒子的强化作用主要表现为对位错运动的阻碍，当第二相粒子为不可变形粒子时，位错与第二相粒子相遇时，将受到粒子的阻碍，使位错线绕着它发生弯曲。随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧形成包围着粒子的位错环。当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。当第二相粒子为不可变形粒子时，位错运动所受的阻力可由下式计算得到：

式中，G为剪切模量，Gpa；b为柏氏矢量模，nm；d为颗粒的直径，nm；K为常数（量纲为1），f为析出相的体积分数（%）。

另外，在变形量相同时，在170℃条件下进行烘烤硬化处理后得到BH要比200℃的平均高出了大约11MPa，虽然烘烤有助于提高钢板的强度，但温度对烘烤硬化性能也有很大的影响，当烘烤温度较低时，固溶在位错线上的C、N原子由于无法获得足够的能量而无法迁移出位错线，随着烘烤温度的升高，一部分固溶在位错线上的C、N原子逐渐获得足够的能量而挣脱了位错线的束缚，减弱了cottrell气团对位错的钉扎效应，从而降低了钢板的BH值；另一方面，随着温度的升高，析出的第二相粒子会逐渐聚集增大，当第二相粒子增大到一定程度时，位错穿过第二相粒子的方式会从切过机制转换为绕过机制，而绕过机制所需的能量要比切过机制小得多，从而降低了位错在迁移过程中受到的阻力，使钢板的BH值降低，另外，在烘烤的过程中，位错会发生滑移或者攀移，导致正负位错相互抵消最终消失，降低了位错密度，从而使钢板的BH值减小。本文中采用的热成形钢在5%预变形量+170烘烤10min时，得到的BH值为112MPa，要比一般的BH值高得多，因此，该热成形钢适合通过烘烤硬化工艺提高其力学性能。

2.4 显微硬度分析

当烘烤温度为170℃时较烘烤温度为200℃时，硬度值较高。这主要是因为随配分温度的逐渐升高时，马氏体发生了回火软化现象，并且可能伴有渗碳体的析出，从而降低了试验钢的硬度。当烘烤温度为170℃时，试验钢的显微硬度先下降后上升，但总体变化幅度较小，这说明预变形量对材料硬度的影响较小。当烘烤温度为170℃时，不会有马氏体回火现象的出现，仅有少量渗碳体析出，使得试验钢的硬度几乎保持不变。当烘烤温度为200℃时，试验钢的显微硬度先下降，然后上升。这说明当烘烤温度为200℃时，会有渗碳体的析出及回火马氏体的产生，渗碳体的析出降低了马氏体中的碳含量，使得材料发生脱碳软化，硬度降低。当进一步增加预变形量时，材料的硬度增加，这可能是因为材料发生加工硬化，使其硬度增大。

综上可以看出，当烘烤硬化温度为170℃时，预变形量对材料的硬度影响不大。经过烘烤硬化后，材料的屈服强度得到提高，且硬度几乎没有发生变化，提高了材料的综合力学性能。当烘烤温度为200℃时，材料的硬度出现了下降。这说明当烘烤温度过高时，会使材料析出碳化物，降低材料的组织性能。因此，在烘烤温度为170℃时材料能够获得较好的组织力学性能。

3 结论

（1）预变形量和烘烤温度的变化对钢板的组织与性能有很大的影响，经烘烤硬化处理后的组织主要为含有大量位错的板条马氏体，预变形引入的高密度的位错不仅能够在一定程度上细化组织，从而提高钢板的综合性能。

（2）随着预变形量的增加，试验钢的断后伸长率均先增大后减小。

（3）随着预变形量的增加，试验钢的烘烤硬化值逐渐增，说明该热成形钢适用于通过烘烤硬化工艺提高其性能。

（4）当进一步增大预变形量时，材料发生加工硬化作用，使得材料的硬度增加。