烘烤时间对大晶粒低碳钢烘烤硬化性能的影响

金晓龙 王 旭 刘仁东 李维娟

(1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051)

汽车用钢的烘烤硬化现象在提高其抗凹陷性能的同时还可以减轻车身质量，在安全性能和节能减排标准不断提高的今天，烘烤硬化钢(BH钢)得到了广泛的关注，BH钢成为近几年来汽车用钢重点研究的对象之一[1- 3]，其烘烤硬化机制的研究越来越受到重视[4- 7]。烘烤硬化的实质是间隙原子和冲压成型过程中形成的位错交互作用的结果。烘烤时间和晶粒尺寸对烘烤硬化性能有影响。刘鹏鹏等[8]研究认为，影响BH值的主要因素为基体中固溶的碳含量，当存在一定的位错密度时，固溶碳含量越多，BH值越大。Cottrell等[9]研究认为，超低碳钢烘烤硬化值与Cottrell气团的溶质浓度有关，当溶质浓度为0.2时，烘烤硬化值最大，Cottrell气团的溶质浓度继续增大则不能产生更大的烘烤硬化效应。De A K等[4]使用内耗仪研究了超低碳烘烤硬化钢的静态烘烤硬化效应，发现在预变形量为5%、烘烤温度为100 ℃时，柯氏气团所产生的烘烤硬化效果在20 min内就达到了饱和，继续延长烘烤时间对BH值影响不大。文献[10]报道，晶粒尺寸变化可能会改变晶界的性质，从而影响C原子的扩散。文献[11]报道，当晶粒尺寸大于16 μm时，晶界几乎没有碳原子偏聚。因此本文采用内耗方法研究了烘烤时间对大晶粒烘烤硬化钢性能的影响，以期从原子层次上解析低碳钢的烘烤硬化机制。

1 试验材料与方法

试验材料为冷轧低碳钢，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.21，Si 0.01，Mn 0.21，P 0.011，S 0.007 5，Al 0.019，N 0.002，Fe余量。将试验钢在箱式电阻炉内退火，温度为850 ℃，保温30 min后空冷。采用线切割将热处理后的试验钢沿轧制方向加工成标距为20 mm的标准拉伸试样，在UTM5305拉伸试验机上进行5%预变形的拉伸，拉伸速度为5 mm/min。然后在101- 1型烘烤箱内进行170 ℃烘烤，烘烤时间分别为10、20、100、500、1 000、2 500、5 000、7 000、10 000 min，并根据GB/T 24174—2009测试烘烤硬化(BH)值。利用ZEISS光学显微镜观察试样的显微组织。采用MFP- 1000型多功能内耗仪进行内耗试验，采用强迫振动测量模式，升温速率约为3 ℃/min，振幅为20×10-6，测量频率分别为0.5、1、2、4 Hz。试样尺寸为50 mm×1 mm×1 mm。采用相应的拟合软件扣除实测内耗曲线的背景内耗后得出实际内耗。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

试验钢的显微组织如图1所示，为单相铁素体。经测量，铁素体平均晶粒尺寸约为160 μm，组织较均匀。

2.2 烘烤时间对BH值的影响

对经过5%预应变的拉伸试样在170 ℃烘烤不同时间，所测得的BH值与烘烤时间的关系如图2所示。

图1 试验钢退火后的显微组织Fig.1 Microstructure of the tested steel after annealing

图2 试验钢的BH值与烘烤时间之间的关系Fig.2 Relationship between BH value and baking time for the tested steel

从图2中可以看出，试验钢的BH值均为负值，随着烘烤时间的延长，BH值先迅速增加后基本保持不变，即从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 烘烤时间对内耗的影响

图3 是实际测量的烘烤不同时间的钢的内耗随温度的变化。图中的1、2、3、4分别表示频率为0.5、1、2、4 Hz的内耗谱。

图3中表明，每张图里4条曲线的变化情况几乎一致，都存在SKK峰。从SKK峰的峰温看，随着频率的增加，曲线右移，只有图3(a、d～e)中存在Snoek峰，即烘烤时间为10、500、1 000 min时，SKK峰和Snoek峰都存在。烘烤2 500、5 000、7 000、10 000 min的钢，仅存在SKK峰，Snoek峰消失，这说明随着烘烤时间的延长，碳原子发生了充分的扩散，在10～1 000 min时间段碳原子逐渐从基体的晶格中扩散出来，当烘烤时间为1 000 min时，晶格的碳原子基本都扩散出来，所以烘烤时间1 000 min是有无Snoek峰的分界线。结合图2可以发现，BH值在烘烤时间为1 000 min时也发生转折，在其之前，BH值随着烘烤时间的延长而增加，在其之后，BH值几乎不变。

图3 烘烤不同时间的钢的内耗随温度的变化(没有扣除内耗背景)Fig.3 Dependence of internal friction on temperature for the steel baked for different times (not deducting friction background)

图3(a～i)中，随着频率的增大，内耗值(没有扣除内耗背景)也增大，而且内耗值的增大幅度越来越大，这说明对于体心立方结构的烘烤硬化钢，经过烘烤硬化后，随着频率的增加，背景内耗越来越大。金属中产生背景内耗是在应力的作用下，晶格中存在的各种缺陷移动所导致的，所以实测内耗值与频率关系密切。

图4是不同烘烤时间下频率f=1时扣除背景内耗的内耗曲线，即真实内耗曲线。

从图4可以看出：当频率f=1时，烘烤不同时间的钢的内耗谱中都有SKK峰，说明即使在足够长的烘烤时间内，始终都有碳原子与位错发生交互作用，也就是说碳原子与位错交互作用形成的Cotrrell气团是一直存在的。为了进一步研究烘烤时间对BH值的影响机制，将有关信息统计成表1，并将烘烤不同时间的钢的BH值与SKK峰值的关系绘制成图5。

从图5可以看出， SKK峰值随烘烤时间的延长是先递增后几乎保持不变，但在20 min时出现了异常。从表1中可以看出，SKK峰值在烘烤20 min达到最大值，为3.644×10-3，在烘烤10～20 min SKK峰值迅速增加，从0.489×10-3增加到3.644×10-3，增加了约9倍。说明在10～20 min时间段碳原子处于钉扎位错的状态，而且从SKK峰值增加的幅度看，这10 min内碳原子与位错间的交互作用达到了最大，即在20 min时，碳原子钉扎的位错数量最多，形成的Cotrrell气团密度最大。但从图2可以看到，在烘烤时间为20 min时，BH值并不是最大。张继成[12]认为，烘烤工艺对BH值的影响有两个方面：一方面是烘烤导致Cotrrell气团形成，使流变应力增大；另一方面是烘烤使内应力释放，使流变应力减小。所以当烘烤时间为20 min时，烘烤使得Cotrrell气团密度增加的幅度稍大于使内应力释放的幅度，BH值虽增加，但幅度不大。在20～100 min时间段，SKK峰值大幅度降低，从3.644×10-3降低到0.558×10-3，大约降低了6.5倍，但100 min时的BH值仍大于20 min的。这是因为100 min时，烘烤使Cotrrell气团密度增加的幅度远大于使内应力释放的幅度，所以BH值增加较多，因此烘烤时间为20 min时，内应力释放得最多。在1 000～10 000 min时间段，SKK峰值变化不大，基本保持在(0.6～0.7)×10-3。从图5也可以看出，此时间段内BH值和SKK峰值的变化规律保持一致，说明碳原子和位错的交互作用达到了平衡。

图4 烘烤不同时间的钢的内耗与温度的关系(扣除内耗背景)Fig.4 Relation of internal friction to temperature for the steel baked for different times (deducting friction background)

图4(a、d～e)中有Snoek峰，即烘烤时间为10、500、1 000 min时，SKK峰和Snoek峰共存。说明在烘烤前1 000 min内，晶格的间隙固溶碳原子处于不稳定状态，受烘烤提供的能量驱动，在晶格与基体之间徘徊，此时间段内的BH值变化不大，即说明碳原子在晶格间的固溶对BH值的贡献不大。从表1中可以发现，在烘烤时间1 000 min内，hSnoek+hSKK的变化幅度很大，没有固定规律；在1 000 min之后趋于稳定，保持在(0.6～0.7)×10-3。这说明烘烤时间1 000 min是碳原子稳定的时间。

图5 钢的SKK峰值和BH值随烘烤时间的变化Fig.5 SKK peak and BH value of the steel as a function of baking times

表1 不同烘烤时间下的峰温和峰高Table 1 Tm and Q1-1 during different baking times

3 结论

(1)大晶粒低碳钢的烘烤硬化值均为负值，BH值随着SKK峰的变化而变化，即BH值主要受Cottrell气团强化作用的影响。

(2)BH值随着烘烤时间的延长先增加后不变；当烘烤时间为1 000 min时BH值达到最大值，烘烤时间继续延长，BH值变化不大。

(3)当烘烤时间为20 min时，SKK峰值最大；当烘烤时间超过1 000 min时，随着烘烤时间的继续延长，SKK峰高变化不大。