时效时间对HC180BD+...烘烤硬化钢组织和性能的影响_宋青.pdf

2023年第1期时效时间对HC180BD+Z烘烤硬化钢组织和性能的影响宋青1，王立辉2，潘应君1，齐建军2，幸报1（1.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081；2.河钢材料技术研究院，河北 石家庄 050023）摘要：利用多功能金相显微镜、材料万能试验机、场发射扫描电子显微镜和电子背散射仪以及透射电镜对烘烤硬化钢HC180BD+Z在自然时效中金相组织、烘烤硬化性能、织构和第二相粒子进行了研究。结果表明，经过3个月、6个月、9个月、12个月自然时效期，HC180BD+Z钢平均晶粒尺寸逐渐增大，且晶粒尺寸的增大使 111 有利织构减少；在时效过程中存在 MnS、CuS、AlN、Ti（C、N）、NbC 等第二相粒子析出，且Ti（C、N）、NbC总是以伴随析出的形式出现，在六个月时效后逐渐减少；且该钢种在6个月时效期内拥有优异的烘烤硬化性能。关键词：烘烤硬化钢；力学性能；金相组织；织构中图分类号：TG156.92文献标识码：A文章编号：2095-5014（2023）01-0003-07Effect of Aging Time on Microstructure and Propertiesof HC180BD+Z SteelSONG Qing1，WANG Lihui2，PAN Yingjun1，QI Jianjun2，XING bao1（1.School of Materials and Metallurgy，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Hegang Materials Technology Research Institute，Shijiazhuang 050023，China）ABSTRACT：The metallographic structure，bake-hardening properties，texture and secondphase particles of bake-hardening steel HC180BD+Z during natural aging were studied bymultifunctional metallographic microscope，material universal testing machine，field emissionscanning electron microscope，electron backscatterer and transmission electron microscope.Theresults show that after 3 months，6 months，9 months and 12 months of natural aging period，theaverage grain size of HC180BD+Z steel gradually increases，and the increase of grain size reducesthe 111 favorable texture.In the aging process，there are MnS，CuS，AlN，Ti（C，N），NbC andother second-phase particles precipitation，and Ti（C，N）and NbC always appear in the form ofaccompanying precipitation，which gradually decreases after six months of aging.And the grade hasexcellent bake-hardening properties within the 6-month aging period.KEY WORDS：baked hardening steel；mechanical properties；metallographic structure；texture收稿日期：2022-10-26第一作者简介：宋青（1997），男，硕士研究生，主要研究方向为高性能钢铁材料。金 属 材 料 与 冶 金 工 程Metal Materials And Metallurgy Engineering第51卷第1期2023年2月Vol.51 No.1Feb.2023材料研究与开发金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期烘烤硬化钢（Bake-hardening Steel）简称 BH钢，是如今应用较多的汽车高强度用钢之一，它能很好地解决汽车钢板在加工制作过程中的冲压成型性能和使用强度之间的矛盾，使汽车面板的重量大幅度减少，能有效实现汽车轻量化，故在汽车制造业等方面得到了广泛的应用1。BH 钢主要是在无间隙原子钢基础上减少Nb、Ti以及P元素的含量。Nb、Ti元素是主要的碳、氮化合物的形成元素，C、N原子绝大部分会被固定成碳氮化物来保证其深冲性，同时基体内部还存有一定量固溶原子2，3，固溶原子会在烤漆温度下发生时效反应，使得钢在最后的过程中有一个固溶强化的过程，在成形后强度再有一个提高4-6。但BH钢存在一个缺点：时效速度快，在烘烤后一段时间，钢材会变得硬且脆7，8。为了确保BH钢在生产后能以最佳性能状态投入使用，研究时效时间对其组织和性能之间的关系就变得极为关键。1实验材料与实验方法1.1实验材料本次实验的原材料是由河钢集团有限公司提供的添加Nb、Ti微合金化，厚度为1.1 mm的HC180BD+Z钢板，终轧温度为920，再由试验冷轧机轧制成冷轧钢板后进行热浸镀锌。其中H代表高强钢，C代表冷轧基板，180代表规定的最小屈服强度（R0.2或ReL），B代表烘烤硬化，D代表热镀，后面为镀层代号，+Z代表纯锌镀层，HC180BD+Z钢具体的化学成分如表1所示。在HC180BD+Z钢板割取四部分在干燥的室内分别放置3、6、9、12个月得到四种不同时效时间的试样。由于国内外烘烤硬化钢各标准指明时效期保证 3 个月，故本次实验的时效时间在3个月及以上。表1 实验用钢板的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of steel plate for experiment（wt%）C0.005Si0.100Mn0.500P0.0100.050S0.020Nb0.030Ti0.0301.2实验方法HC180BD+Z钢的性能测试在意大利 CesareGALDABINI 公司的 GALDABINI SUN10 材料万能试验机上进行，试样加工和测试条件均按GB/T228-2002标准执行，同时烘烤硬化值（BH）的测定严格按照 GB/T24174-2022 标准进行测定，由预应变为 2%时对应的流变应力与随后经 170 20 min 烘烤处理后再次拉伸时屈服应力的差值而定。采用德国 Carl Zeiss 公司生产的 ZEISS 多功能金相显微镜观察钢板的金相显微组织；使用Apreo S HiVac场发射扫描电子显微镜和电子背散射仪观测织构及晶粒。观察织构所需的试样只需要进行轻腐蚀即可，就和金相组织试样制备一样。首先将钢板试样切割成10 mm10 mm1.1 mm的小块以便镶样，再将镶嵌后试样磨成适合扫描电子显微镜载物台大小的长方体试样，最后对试样进行一系列的粗磨、精磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀处理，确保晶界完全显现。利用日本电子株式会社生产的JEM-F200透射电镜观察钢板中析出相的形貌、组成、尺寸和钢内位错分布情况。为了更清楚观测到钢内析出相特征，首先采用二次复型法制备碳膜实验样，然后在丙酮溶液中浸泡便于溶解 AC 纸（醋酸纤维纸），捞出转移至清水中，再利用Ni网捞出放在加速电压为200 kV的JEM-F200透射电镜下进行观察。2实验结果与分析2.1时效时间对HC180BD+Z钢金相组织的影响晶粒尺寸是影响钢材性能的一个重要因素，试样的金相组织图片可以很好的反映出晶粒尺寸信息。本实验所得不同时效时间的金相图片如图1所示。分析其中HC180BD+Z钢试样的晶42023年第1期宋青，等：时效时间对HC180BD+Z烘烤硬化钢组织和性能的影响粒变化可知，本次实验试样的基体均为等轴的铁素体晶粒，且其中大多为细小等轴晶粒，没有十分粗大的晶粒，随着时效时间的增加，粗大的晶粒逐渐增多。为了更直观地了解晶粒的变化，使用MATLAB软件测量试样的平均晶粒，平均晶粒尺寸数据如表 2 所示，具体晶粒分布曲线如图 2 所示。由表2可知，随着时效时间的增加，试样的平均晶粒尺寸也随之增加，但是变化程度不大。由图2可知，时效3、6个月试样的晶粒主要集中在 510 m 之间，但是时效 6 个月的试样中1025 m之间的晶粒较多；在时效9、12个月的试样中 510 m之间的晶粒逐渐减少，晶粒大小在515 m之间逐渐分布均匀，大于15 m的晶粒数量也在不断增多。随着时效时间的延长，HC180BD+Z钢退火组织的平均晶粒尺寸也随之增加，但是变化程度不大。2.2时效时间对HC180BD+Z钢力学性能的影响对试样进行时效处理，在同一环境放置312个月，取3个月、6个月、9个月和12个月的试样进行对比分析，采用材料万能试验机分别测定试样的拉伸性能、应变硬化指数（n值）与塑性应变比（r值），不同时效时间试样的力学性能如表3、图3和图4所示。对于HC180BD+Z钢板样，相较于时效3个月的样品，随着时效时间的延长，试样的屈服强度呈上升趋势，时效6、9、12个月的样品屈服强度分别增大 6%、11%、17%左右；时效 6个月的样品抗拉强度先略微下降，时效9、12个月的样品抗拉强度呈弱上升趋势，分别增大2%、5%左右；试样的延伸率呈下降趋势，时效6、9、12 个 月 的 样 品 延 伸 率 分 别 下 降 4%、（a）3个月；（b）6个月；（c）9个月；（d）12个月图1 不同时效时间试样的金相组织Fig.1 Metallographic structure of samples with different aging times表2 不同时效时间试样的平均晶粒尺寸Table 2 Average grain size of samples with different aging times时效时间平均晶粒尺寸/m3个月7.096个月7.219个月8.9512个月10.255金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期23%、30%左右；试样的r值相较于时效3个月的样品总体无明显变化；试样的 n值呈下降趋势，时效6、9、12个月的样品n值分别下降19%、23%、33%左右；试样的BH值无明显变化。n 值与 r值作为辅助判断冲压性能的指标。当n值越大，材料的均匀变形能力越强，冲压性能越好；r值则影响的是钢板的成形能力，r值（a）3个月；（b）6个月；（c）9个月；（d）12个月图2 不同时效时间试样的晶粒尺寸分布曲线Fig.2 Grain size distribution curves of samples with different aging times表3 不同时效时间试样的力学性能Table 3 Mechanical properties of samples with different aging timesHC180BD+Z时效时间/月36912屈服强度R0.2/MPa206218229241抗拉强度Rm/MPa319316324335延伸率A80 mm/%43413330应变硬化指数（r值）2.502.562.572.52塑性应变比（n值）0.210.170.160.14烘烤硬化值BH2/MPa46454447试样图3 时效时间对强度和延伸率的影响Fig.3 Effect of aging time on strengthand elongation图4 时效时间对n、r值的影响Fig.4 Effect of aging ti