田慧玲, 徐惟誠

(寶山鋼鐵股份有限公司 制造管理部, 上海 201941)

鋼板在一定溫度下烘烤并保溫一段時間后其屈服強度會升高，這種現(xiàn)象稱為烘烤硬化現(xiàn)象。通常在汽車制造工藝流程中，車身結(jié)構(gòu)件會有沖壓成形、油漆烘烤等環(huán)節(jié)，所以具有烘烤硬化特性的鋼板就可緊密結(jié)合汽車制造工藝，廣泛應用在汽車零件上。

烘烤硬化值(Bake-Hardening-Index,簡稱BH值)是衡量烘烤硬化性能的重要性能指標，可通過單軸拉伸試驗得到，烘烤硬化值試驗原理示意圖見圖1。其中：Rp0.2,t為試樣經(jīng)2.0%應變并烘烤后,對應塑性應變?yōu)?.2%時的應力(無明顯屈服時);ReL,t為試樣經(jīng)2.0%應變并烘烤后測定的下屈服強度，Rt2.0為試樣變形至總應變2.0%時的應力。

圖1 烘烤硬化值試驗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of Bake-Hardening-Index test principle

各國標準對計算烘烤硬化值的定義和要求存在差異，如GB/T 24174—2009《鋼 烘烤硬化值(BH2)的測定方法》和ASTM A653/A653M：2019aStandardSpecificationforSteelSheet,Zinc-Coated(Galvanized)orZinc-IronAlloy-Coated(Galvannealed)bytheHot-DipProcess中規(guī)定同一拉伸試樣預拉伸應變2.0%后，170 ℃烘烤并保溫20 min，用第二次拉伸測得的下屈服強度ReL減去第一次拉伸測得的屈服強度Rt2.0就得到BH2值。而DIN EN 10325：2006Steel-DeterminationofYieldStrengthIncreasebytheEffectofHeatTreatment(Bake-Hardening-Index)中同樣的預拉伸應變量和烘烤溫度、保溫時間，但計算BH2值時第一次拉伸用的屈服類型是Rp2.0而不是Rt2.0，用的是第二次拉伸測得的下屈服強度ReL。在JIS G 3135：2018Cold-ReducedHighStrengthSteelSheetandStripwithImprovedFormabilityforAutomobileUses附錄A中，計算BH2值時第二次拉伸的屈服類型則改成了上屈服ReH。

對于烘烤溫度和保溫時間，曾有某汽車制造廠家提出采用175 ℃保溫30 min的烘烤條件，不同于EN,JIS等標準中要求的170 ℃并保溫20 min的烘烤條件。

對于預拉伸應變量，一般標準都選擇2.0%的預拉伸應變量，而SEW 094:1987《冷成型用較高屈服點含磷和烘烤硬化鋼》制定了一種不需要提前進行預拉伸應變的BH值測定方法。

GB/T 24174-2009自實施以來，對國內(nèi)鋼鐵行業(yè)汽車板烘烤硬化值的測定起到了積極的指導作用。但近年來，隨著烘烤硬化鋼產(chǎn)品的不斷開發(fā)和完善，烘烤硬化值的測定方法不再單一，一些汽車制造廠也在其產(chǎn)品標準中制定了烘烤硬化值的測定方法，因此有必要結(jié)合國外先進標準對現(xiàn)行標準進行修訂，以適應新形勢下烘烤硬化鋼板的發(fā)展需要。筆者闡述了GB/T 24174-2009的修訂內(nèi)容，并對新增的4種烘烤硬化值測定方法提出的目的和主要技術(shù)內(nèi)容的變化做了介紹，同時給出了相關(guān)驗證試驗結(jié)果，分析了不同試樣型號、拉伸試驗速率、烘烤條件(放置方式、加熱設備)、烘烤溫度、保溫時間和預拉伸應變量設置偏差等對烘烤硬化值測定結(jié)果的影響。

1 GB/T 24174-2009主要修訂內(nèi)容

(1) 增加了4種烘烤硬化值的測定方法。除了現(xiàn)行標準中規(guī)定的預拉伸應變量和規(guī)定的屈服強度計算類型外，增加了不同預拉伸應變量條件和其他屈服類型用于計算烘烤硬化值的測定方法。增加的測定方法有：試樣烘烤處理前采用Rt2.0,t，烘烤處理后采用ReL，t計算烘烤硬化值(BH0)；試樣烘烤處理前采用Rt2.0，烘烤處理后采用ReH，t計算烘烤硬化值(BH2H)；試樣烘烤處理前采用Rp2.0，烘烤處理后采用ReL,t或Rp0.2,t計算烘烤硬化值(BH2L)；不烘烤處理試樣采用ReL,或Rp0.2，烘烤處理后試樣采用ReL,t或Rp0.2,t計算烘烤硬化值(BH2P)。

(2) 明確了試樣類型編號。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的技術(shù)要求，結(jié)合具有烘烤硬化特性汽車板(厚度通常小于3 mm)的特點以及ISO，ASTM，JIS拉伸試驗標準常用的試樣類型(試樣編號)，明確了應采用GB/T 228.1-2010中附錄B的P5，P6，P7的帶頭試樣。對于P7試樣，結(jié)合ISO和JIS標準，提出了其平行長度可適當縮短但不應小于60 mm，以及當產(chǎn)品標準或合同未規(guī)定時應采用P7試樣的規(guī)定。

(3) 增加了試樣放置要求。由于烘烤保溫時間僅20 min，為避免試樣因疊放而影響測定結(jié)果，提出烘烤時，試樣不應疊放，應單個放置在擱架上。

(4) 增加了測定上屈服強度的推薦拉伸試驗速率。給出了測定上屈服強度ReH時的橫梁位移速率推薦值2.5%Lc·min-1(LC為啞鈴型試樣的平行長度)。

2 試驗材料及試驗設備

2.1 試樣制備

試驗選用符合GB/T 228.1-2010中附錄B要求的試樣，用于測定烘烤硬化值的試樣類型及尺寸見表1。

表1 試樣類型及尺寸Tab.1 Sample types and sizes

選取不同屈服等級的兩類性能穩(wěn)定的烘烤硬化鋼180BH鋼(抗拉強度大于等于300 MPa)和340BH鋼(抗拉強度大于等于340 MPa)，分別編號為1，2，制取若干數(shù)量的拉伸試樣。試樣均取自同一大樣板的相鄰部位，按照垂直于軋制方向取樣，并采用同一加工工藝加工。

2.2 試驗設備

試驗采用Zwick Z100型全自動拉伸試驗機(1級精度),縱向引伸計采用接觸式引伸計(1級精度),加熱設備有烘烤爐和油加熱爐，其中烘烤爐的溫度控制精度保持在±2 ℃，溫度測量裝置的分辨力為1 ℃，加熱介質(zhì)為空氣；油加熱爐的溫度控制精度保持在±2 ℃，溫度測量裝置的分辨力為1 ℃，加熱介質(zhì)為硅油。

3 烘烤硬化值測定試驗的影響因素

3.1 試樣類型

該次標準修訂重點是新增了4種不同的烘烤硬化值測定方法，同時明確了標準應用的3種試樣類型。筆者采用1號試樣對應的P5，P6，P7 3種試樣類型進行試驗，其結(jié)果見表2。

表2 1號試樣不同試樣類型的烘烤硬化值Tab.2 Bake-Hardening-Index of different types of sample 1 MPa

對于不同的烘烤硬化值測定方法，相同試樣類型得到的BH值結(jié)果不同且差距大；相同的烘烤硬化值測定方法，不同試樣類型得到的BH值極差多在6 MPa以內(nèi)，結(jié)果一致性好。新增的4種測定方法增加了與ASTM，JIS，EN等烘烤硬化值測定方法的對接，提供了更多的評價手段，可用于研究鋼板材料的BH值參數(shù)。

3.2 測定上屈服強度ReH時的拉伸試驗速率

該次標準修訂拉伸試驗速率仍推薦采用橫梁位移速率。對于新增的烘烤硬化值BH2H值測定方法，需用到上屈服強度參與BH值的計算。如采用現(xiàn)行標準推薦值5%Lc·min-1，將不滿足JIS Z 2241：2011MetallicMaterials—TensileTesting—MethodofTestatRoomTemperature規(guī)定的測定上屈服強度的速率，為兼容不同標準，提高不同標準間測定BH2H值的可比性，增加了測定上屈服強度的橫梁位移速率推薦值2.5%Lc·min-1。筆者取試驗速率為1.5%，2.5%，3.5%，5%Lc·min-1，在每個試驗速率下對3根平行試樣分別測定烘烤硬化值BH2H值，結(jié)果見圖2。

圖2 不同橫梁位移速率下的上屈服強度和烘烤硬化值(BH2H)Fig.2 Upper yield strength and Bake-Hardening-Index (BH2H)under different beam displacement rates

由圖2可知，該試驗中不同的橫梁位移速率獲得的上屈服強度ReH不同，上屈服強度隨速率的升高而增大，在1.5%，2.5%Lc·min-1速率下上屈服強度ReH增加不顯著，而當速率升高至3.5%Lc·min-1和5.0%Lc·min-1時，上屈服強度ReH結(jié)果差異增大。由于BH2H值測定方法是通過上屈服強度ReH計算BH2H值，故速率上升導致的上屈服強度升高也明顯影響B(tài)H2H值的結(jié)果。此外，由圖2可知，在1.5%，2.5%Lc·min-1速率下，BH2H值沒有明顯變化，且極差小于6 MPa；隨著速率升高至3.5%Lc·min-1和5.0%Lc·min-1時，BH2H值的平均值顯著升高，同時極差顯著增加?？梢姍M梁位移速率的變化對上屈服強度測定結(jié)果產(chǎn)生影響，進而影響B(tài)H2H值的測定結(jié)果。

3.3 烘烤時的試樣放置

該次標準修訂對烘烤時的試樣放置方式給出了建議，要求試樣不應疊放，宜單個放置在擱架上。分散放置定義為試樣等間隔放置在試樣擱架上，烘烤時加熱介質(zhì)能無阻礙地接觸每根試樣表面；重疊放置定義為試樣重疊捆綁成一摞，烘烤時加熱介質(zhì)不容易接觸每根試樣表面。為此設計了分散和重疊兩種試樣放置方式進行試驗。

按照以上兩種放置方式利用烘烤爐進行烘烤硬化值測定試驗，結(jié)果見表3。

表3 不同試樣放置方式的烘烤硬化值(BH2)Tab.3 BH2 with different sample placement methods (BH2)

試樣在烘烤箱中的加熱過程實質(zhì)是熱對流的過程，以空氣為流動介質(zhì)將熱量由空間的一處向另一處傳遞，而試樣作為熱的良導體接受了這部分的熱量傳遞。當試樣分散放置時，空氣在試樣間形成良好的對流，試樣受熱均勻，而當試樣被重疊放置后，空氣與試樣間缺少了自然對流，且試樣疊放造成導熱體厚度增加，進一步影響熱對流。由測定結(jié)果可知，重疊放置的烘烤硬化值BH2均低于分散放置的。為此，測定BH值時應避免試樣疊放。

3.4 加熱設備和加熱介質(zhì)

現(xiàn)行標準中未對加熱設備的類型和相應的加熱介質(zhì)進行規(guī)定，業(yè)內(nèi)常用的加熱介質(zhì)為空氣和油。現(xiàn)采用符合標準溫度控制精度和分辨力要求的兩種代表性的加熱設備，將試樣放置到目標溫度為170 ℃的空氣和油介質(zhì)中保溫20 min進行試驗，選擇具有代表性的BH2值和BH2H測定方法進行試驗，結(jié)果見表4。

由表4可見，采用不同的加熱設備和加熱介質(zhì)測得的BH2值和BH2H值結(jié)果一致性均很好，兩種測定方法的t檢驗結(jié)果顯示，不同加熱設備和加熱介質(zhì)的烘烤硬化值沒有顯著性差異。

表4 不同加熱設備和加熱介質(zhì)的烘烤硬化值(BH2，BH2H)Tab.4 Bake-Hardening-Index (BH2，BH2H) of different heatingequipment and heating medium

3.5 烘烤溫度和保溫時間

烘烤硬化測定時烘烤溫度和保溫時間對烘烤硬化效果有很大的影響，隨烘烤溫度的升高和保溫時間的延長，BH值會增大[1]。有文獻[2]表明，在一定烘烤溫度下，剛開始烘烤的時間延長則烘烤硬化值(BH2)也隨著升高，但當烘烤硬化值升高到最大值后，烘烤硬化值不再升高，趨于平穩(wěn)。

筆者以標準規(guī)定的烘烤溫度和保溫時間為基準，討論烘烤溫度和保溫時間偏差對BH值的影響，烘烤溫度設置為165，170，175 ℃，保溫時間設置為15，20，25 min，熱處理采用油加熱爐進行，其烘烤硬化值測定結(jié)果見表5。

表5 不同烘烤溫度和保溫時間的烘烤硬化值(BH2，BH0)Tab.5 Bake-Hardening-Index (BH2，BH0) of different bakingtemperature and holding time MPa

由表5可見，隨著烘烤溫度的升高，無論哪種烘烤硬化值測定方法，其BH值均是增大的，而在相同烘烤溫度下，保溫時間延長也導致BH值增大?？梢?，烘烤溫度和保溫時間都會對BH值測定結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此在執(zhí)行標準的烘烤條件時，應把握好加熱設備的精度和保溫時間的精確度。

3.6 預拉伸應變量

有文獻[2]表明,預拉伸應變量小于4%時，BH值隨預拉伸應變量增加而迅速增大，而大于4%時，BH值隨預拉伸應變量增加而緩慢降低。過去在進行該類試驗研究時通常采用的是BH2測定方法，故筆者采用BH2測定方法，分別在預拉伸應變量1.8%，2.0%，2.2%下進行試驗，并分析兩者之間的關(guān)系，烘烤硬化值測定結(jié)果見表6。

表6 不同預拉伸應變量的烘烤硬化值(BH2)Tab.6 Bake-Hardening-Index (BH2) of differentpre-tensile strain MPa

由表6可見，BH值均隨預拉伸應變量的增加而增大，與相關(guān)文獻研究的結(jié)論一致。因此，執(zhí)行標準時，不能忽視引伸計的精度，須滿足標準規(guī)定引伸計的精度應不小于1級的要求，同時保證當預拉伸達到規(guī)定的應變量時，試驗設備能立即停止拉伸。

4 結(jié)論

該次標準修訂過程中，參考了很多國外涉及烘烤硬化值測定方法的相關(guān)產(chǎn)品標準，增加了標準適用的試樣尺寸要求、拉伸試驗速率要求、預拉伸應變量要求和不同類型的屈服類型參與計算烘烤硬化值的要求，拓寬了標準的應用范圍。

采用相同的烘烤硬化值測定方法，GB/T 228.1—2010中的P5，P6，P7類型試樣測得的BH值無明顯差異；測定BH2H值時，拉伸試驗速率的大小對上屈服強度影響較明顯，需嚴格按照標準的推薦值設置拉伸試驗速率；試樣疊放烘烤，會降低烘烤硬化值，應避免疊放；采用空氣和油兩種加熱介質(zhì)，測定結(jié)果沒有明顯差異，因此滿足標準精度規(guī)定的設備均可使用；試樣加熱溫度偏離標準規(guī)定值5 ℃，或試樣保溫時間偏離標準規(guī)定值5 min，對BH值均有一定影響，測定時應控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)；預拉伸應變量偏離標準規(guī)定值0.2%時略有影響，測定時應按照標準規(guī)定值設置應變量，同時試驗設備的精度應符合標準規(guī)定；筆者該次進行的驗證試驗，未考慮加熱設備的加熱速率，存在不足。