熱鍍鋅烘烤硬化鋼板具有超低碳無間隙原子鋼的深沖性能和含磷鋼板的高強度以及抗凹陷性能,烘烤硬化值是烘烤硬化鋼最主要的特性值[1]。評估烘烤硬化值的測算方法有多種,采用同一試樣,不同的檢測條件及檢測方法會得出不同的烘烤硬化值,因此通過烘烤硬化值來評估材料抗凹陷性時,必須考慮烘烤條件的不同對檢測結果產生的影響。前期某鋼廠在生產牌號為HC180BD+Z的鋼板時,檢測的烘烤硬化值出現批量不合格,導致該牌號的鋼板停止生產,未能按時交付用戶。筆者一方面從過剩碳、爐箅子露點等一貫制工藝上著手改進,另一方面對烘烤硬化值檢測試驗條件進行研究,如試驗溫度、保溫時間、加熱裝置及預應變拉伸等,以分析HC180BD+Z鋼板出現烘烤硬化值批量不合格的原因[2]。 

1.   試驗方法

1.1   試驗材料

試驗材料為HC180BD+Z烘烤硬化鋼板,厚度為0.65 mm,該鋼板的化學成分如表1所示。 

1.2   試驗方法

1.2.1   檢測方法

檢測烘烤硬化值時,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的規定,首先對試樣進行總應變為2.0%的預應變拉伸,測得屈服強度Rp0.2,將預拉伸試樣進行規定的烘烤處理后,再次對試樣進行拉伸試驗,同時測得下屈服強度ReL或Rp0.2（無明顯屈服時）。為了更好地保持檢測結果的一致性,宜采用均勻一致的拉伸速率,并按照3 mm/min的橫梁位移速率進行試驗,從開始拉伸到測出上述指標的過程中不要切換拉伸速率。 

1.2.2   烘烤硬化值的計算方法

烘烤硬化值（BH2L）為試樣烘烤后的下屈服強度或規定塑性延伸率為0.2%時對應的應力（無明顯屈服時）與同一試樣烘烤前規定塑性延伸率為0.2%時應力的差值。烘烤前后的拉伸速率相同,BH2L如式（1）所示。 

式中：ReL,t為下屈服點的應力；RP0.2,t為塑性延伸率為0.2%時的應力。 

1.3   試驗條件及設備

試驗設備為 Zwick Z150型拉伸試驗機和電熱鼓風烘箱,加熱裝置A、B、C分別對應的設備型號為DHG-9145A、DHG-9146A、DHG-9147A。 

1.4   試驗項目及步驟

參照GB/T 24147—2022《可沖散水刺非織造材料及制品》的要求,以烘烤硬化值檢測的條件入手進行研究,以評估試驗溫度、保溫時間、加熱裝置、預應變拉伸對烘烤硬化值檢測的影響[3],為鋼板生產提供可靠的數據依據,也為其性能判定提供了可靠的依據。 

1.4.1   試驗溫度對烘烤硬化值檢測的影響試驗

為了觀察試驗溫度對烘烤硬化值檢測的影響,在板寬1/4處連續取15根橫向拉伸試樣,將這些試樣分成3組,通過拉伸試驗機對試樣進行總應變為2.0%的預應變拉伸,測試Rp0.2,試驗溫度分別為160,170,180 ℃,其中170 ℃為標準溫度,當加熱裝置內溫度達到設定值后開始計時,保溫時間為20 min。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應變為0.2%,測定ReL,t（烘烤后,無明顯屈服時取Rp0.2,t）。試驗溫度對烘烤硬化值檢測的影響試驗參數如表2所示。 

1.4.2   保溫時間對烘烤硬化值檢測的影響試驗

為了觀察保溫時間對烘烤硬化值檢測的影響,在板寬1/4處連續取20根橫向拉伸試樣,將這些試樣均勻分成4組,通過拉伸試驗機對試樣進行總應變為2.0%的預應變拉伸,測試0.2%應變時的伸長應力Rp0.2,將試驗溫度設定為170 ℃,對試樣進行烘烤,加熱裝置內溫度達到設定值后開始計時,分別控制保溫時間為16,20,24,30 min,其中20 min為標準保溫時間。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應變為0.2%,測定ReL,t（烘烤后,無明顯屈服時取Rp0.2,t）。保溫時間對烘烤硬化值檢測的影響試驗參數如表3所示。 

1.4.3   加熱裝置對烘烤硬化值檢測的影響試驗

結合前期烘烤硬化值檢測的結果,考慮到不同加熱裝置對烘烤硬化值檢測的影響,在板寬1/4處連續取15根橫向拉伸試樣,將這些試樣分成3組,通過拉伸試驗機對試樣進行總應變為2.0%的預應變拉伸,檢測Rp0.2,然后分別放入A、B、C加熱裝置。設計試驗溫度170 ℃為標準溫度,控制保溫時間為20 min,當加熱裝置內溫度達到設計值時開始計時,同時記錄從放入試樣開始至到達設定值170 ℃的3個加熱裝置需要的時間。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應變為0.2%,檢測ReL,t。加熱裝置對烘烤硬化值檢測的影響試驗參數如表4所示。 

1.4.4   拉伸預應變對烘烤硬化值檢測的影響試驗

為了觀察拉伸預應變對烘烤硬化值檢測的影響,在板寬1/4處連續取15根橫向拉伸試樣,將這些試樣分成3組,在同一臺拉伸試驗機下,將拉伸預應變設計為1%,2%,3%,并檢測記錄相應拉伸預應變的應力,將試驗溫度設定為170 ℃,控制保溫時間為20 min。試樣烘烤完成并自然冷卻后,再次將試樣拉伸到應變為0.2%,檢測ReL,t。拉伸預應變對烘烤硬化值檢測的影響試驗參數如表5所示。 

2.   試驗結果

2.1   試驗溫度對烘烤硬化值檢測的影響試驗結果

采用拉伸試驗機（應變速率為3 mm/min）測試3組標準拉伸試樣的Rp0.2,然后將試樣放入加熱裝置中,分別采用160,170,180 ℃烘烤試樣,其中170 ℃為標準溫度,當加熱裝置內溫度達到設定值時開始計時,保溫時間為20 min。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應變為0.2%,檢測烘烤硬化值,結果如表6所示。 

由表6可知：隨著試驗溫度由160 ℃上升至180 ℃,烘烤硬化值一直處于上升的趨勢,試驗溫度的升高會提高碳、氮等固溶原子的擴散能力,故而提高其烘烤硬化值；但當溫度到達170 ℃時,碳、氮原子的擴散能力已經很強,再提高試驗溫度對烘烤硬化效果有幫助,但效果沒有低溫時明顯。 

2.2   保溫時間對烘烤硬化值檢測的影響試驗結果

通過拉伸試驗機對4組標準拉伸試樣進行拉伸試驗（應變速率為3 mm/min）,檢測Rp0.2,然后將試驗溫度設定為170 ℃,對試樣進行烘烤,溫度達到設定值后開始計時,分別將保溫時間控制為16,20,24,30 min。待試樣自然冷卻后,再次將試樣拉伸到應變為0.2%,檢測烘烤硬化值,結果如表7所示。 

由表7可知：在相同加熱裝置下,控制試驗溫度為170 ℃,當保溫時間由16 min延長至20 min時,烘烤硬化值隨時間的延長而增大,但當保溫時間由20 min延長至30 min時,烘烤硬化值無明顯變化。理論保溫時間越長,碳、氮原子向位錯中轉移的過程越充分,所以烘烤硬化效果越好；但烘烤溫度為170 ℃時,碳、氮原子的擴散能力已經很強,向位錯中轉移的過程很快完成,因此延長時間雖然有利于增強烘烤硬化效果,但效果不明顯。 

2.3   加熱裝置對烘烤硬化值檢測的影響試驗結果

采用同一拉伸試驗機對3組標準拉伸試樣施加2%的預變形（應變速率為3 mm/min）,測試應變為0.2%時的應力Rp0.2,然后分別將試樣放入A、B、C加熱裝置中。設計試驗溫度為170 ℃,控制保溫時間為20 min,當加熱裝置內溫度達到設計值時開始計時,同時記錄從放入試樣至到達設定值170 ℃的3個試驗裝置的時間,待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應變為0.2%,測定烘烤硬化值,結果如表8所示。 

由表8可知：在試驗溫度為170 ℃、保溫時間為20 min的條件下,烘烤硬化值檢測結果無明顯差異,其中裝置B的檢測值31.7 MPa不能作為參考。 

2.4   拉伸預應變對烘烤硬化值檢測的影響試驗結果

采用同一臺拉伸試驗機對3組標準拉伸試樣進行拉伸試驗,將拉伸預應變設計為1%,2%,3%,檢測并記錄相應拉伸預應變的應力,然后設計試驗溫度為170 ℃,控制保溫時間為20 min。烘烤結束,待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應變為0.2%,測定烘烤硬化值,結果如表9所示。 

由表9可知：拉伸預應變對烘烤硬化值有一定影響,當拉伸預應變由1%增大至2%時,烘烤硬化值變化趨勢與拉伸預應變同步,有上升趨勢,當拉伸預應變由2%增大至3%時,烘烤硬化值卻隨著拉伸預應變的增大呈下降趨勢。當拉伸預應變較小時,預變形會使鋼板中產生少量新位錯,位錯的增加會增強烘烤硬化效果,但當拉伸預應變增大到某一值時,新位錯的數量會明顯增加。新位錯的產生與舊位錯移動會使位錯交織在一起,反而減少了自由位錯的數量,也減弱了鋼板的烘烤硬化效果。 

3.   結論

（1）采用相同加熱裝置時,控制保溫時間為20 min,隨著烘烤溫度由160 ℃上升至180 ℃,烘烤硬化值一直處于增大的趨勢,但當試驗溫度為160~170 ℃時,烘烤硬化值的增大趨勢要比試驗溫度為170~180 ℃時明顯。試驗溫度的提高會提高碳、氮等固溶原子的擴散能力,故而能增大烘烤硬化值,但當溫度到達170 ℃時,碳、氮原子的擴散能力已經很強,再提高試驗溫度對烘烤硬化效果會有促進,但效果沒有低溫時明顯。 

（2）采用相同加熱裝置時,控制烘烤溫度為170 ℃,當烘烤時間由16 min延長至20 min時,烘烤硬化值隨烘烤時間的延長而增大,但當烘烤時間由20 min延長至30 min時,烘烤硬化值無明顯變化。在170 ℃烘烤時,碳、氮原子的擴散能力已經很強,延長保溫時間雖然有利于增強烘烤硬化效果,但效果不明顯。 

（3）采用相同的試驗溫度、保溫時間,不同的加熱裝置時,烘烤硬化值的檢測結果無明顯差異。 

（4）拉伸預應變對烘烤硬化值有一定影響,當拉伸預應變由1%增大至2%時,烘烤硬化值變化趨勢與拉伸預應變同步,有增大趨勢,當拉伸預應變由2%增大至3%時,烘烤硬化值卻隨著拉伸預應變的增大呈下降趨勢。當拉伸預應變較小時,拉伸預應變會使鋼板中產生少量新位錯,位錯的增加會增強烘烤硬化效果,但當拉伸預應變增大到某一值時,新位錯的數量明顯增加。新位錯的產生與舊位錯的移動會使位錯交織在一起,反而減少自由位錯的數量,也就在一定程度上減弱了鋼板的烘烤硬化效果。 

文章來源——材料與測試網