烘烤時間對大晶粒低碳鋼烘烤硬化性能的影響

金曉龍 王 旭 劉仁東 李維娟

(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.遼寧科技大學 材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051)

汽車用鋼的烘烤硬化現象在提高其抗凹陷性能的同時還可以減輕車身質量，在安全性能和節能減排標準不斷提高的今天，烘烤硬化鋼(BH鋼)得到了廣泛的關注，BH鋼成為近幾年來汽車用鋼重點研究的對象之一[1- 3]，其烘烤硬化機制的研究越來越受到重視[4- 7]。烘烤硬化的實質是間隙原子和沖壓成型過程中形成的位錯交互作用的結果。烘烤時間和晶粒尺寸對烘烤硬化性能有影響。劉鵬鵬等[8]研究認為，影響BH值的主要因素為基體中固溶的碳含量，當存在一定的位錯密度時，固溶碳含量越多，BH值越大。Cottrell等[9]研究認為，超低碳鋼烘烤硬化值與Cottrell氣團的溶質濃度有關，當溶質濃度為0.2時，烘烤硬化值最大，Cottrell氣團的溶質濃度繼續增大則不能產生更大的烘烤硬化效應。De A K等[4]使用內耗儀研究了超低碳烘烤硬化鋼的靜態烘烤硬化效應，發現在預變形量為5%、烘烤溫度為100 ℃時，柯氏氣團所產生的烘烤硬化效果在20 min內就達到了飽和，繼續延長烘烤時間對BH值影響不大。文獻[10]報道，晶粒尺寸變化可能會改變晶界的性質，從而影響C原子的擴散。文獻[11]報道，當晶粒尺寸大于16 μm時，晶界幾乎沒有碳原子偏聚。因此本文采用內耗方法研究了烘烤時間對大晶粒烘烤硬化鋼性能的影響，以期從原子層次上解析低碳鋼的烘烤硬化機制。

1 試驗材料與方法

試驗材料為冷軋低碳鋼，其化學成分(質量分數，%)為：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。將試驗鋼在箱式電阻爐內退火，溫度為850 ℃，保溫30 min后空冷。采用線切割將熱處理后的試驗鋼沿軋制方向加工成標距為20 mm的標準拉伸試樣，在UTM5305拉伸試驗機上進行5%預變形的拉伸，拉伸速度為5 mm/min。然后在101- 1型烘烤箱內進行170 ℃烘烤，烘烤時間分別為10、20、100、500、1 000、2 500、5 000、7 000、10 000 min，并根據GB/T 24174—2009測試烘烤硬化(BH)值。利用ZEISS光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用MFP- 1000型多功能內耗儀進行內耗試驗，采用強迫振動測量模式，升溫速率約為3 ℃/min，振幅為20×10-6，測量頻率分別為0.5、1、2、4 Hz。試樣尺寸為50 mm×1 mm×1 mm。采用相應的擬合軟件扣除實測內耗曲線的背景內耗后得出實際內耗。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

試驗鋼的顯微組織如圖1所示，為單相鐵素體。經測量，鐵素體平均晶粒尺寸約為160 μm，組織較均勻。

2.2 烘烤時間對BH值的影響

對經過5%預應變的拉伸試樣在170 ℃烘烤不同時間，所測得的BH值與烘烤時間的關系如圖2所示。

圖1 試驗鋼退火后的顯微組織Fig.1 Microstructure of the tested steel after annealing

圖2 試驗鋼的BH值與烘烤時間之間的關系Fig.2 Relationship between BH value and baking time for the tested steel

從圖2中可以看出，試驗鋼的BH值均為負值，隨著烘烤時間的延長，BH值先迅速增加后基本保持不變，即從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 烘烤時間對內耗的影響

圖3 是實際測量的烘烤不同時間的鋼的內耗隨溫度的變化。圖中的1、2、3、4分別表示頻率為0.5、1、2、4 Hz的內耗譜。

圖3中表明，每張圖里4條曲線的變化情況幾乎一致，都存在SKK峰。從SKK峰的峰溫看，隨著頻率的增加，曲線右移，只有圖3(a、d～e)中存在Snoek峰，即烘烤時間為10、500、1 000 min時，SKK峰和Snoek峰都存在。烘烤2 500、5 000、7 000、10 000 min的鋼，僅存在SKK峰，Snoek峰消失，這說明隨著烘烤時間的延長，碳原子發生了充分的擴散，在10～1 000 min時間段碳原子逐漸從基體的晶格中擴散出來，當烘烤時間為1 000 min時，晶格的碳原子基本都擴散出來，所以烘烤時間1 000 min是有無Snoek峰的分界線。結合圖2可以發現，BH值在烘烤時間為1 000 min時也發生轉折，在其之前，BH值隨著烘烤時間的延長而增加，在其之后，BH值幾乎不變。

圖3 烘烤不同時間的鋼的內耗隨溫度的變化(沒有扣除內耗背景)Fig.3 Dependence of internal friction on temperature for the steel baked for different times (not deducting friction background)

圖3(a～i)中，隨著頻率的增大，內耗值(沒有扣除內耗背景)也增大，而且內耗值的增大幅度越來越大，這說明對于體心立方結構的烘烤硬化鋼，經過烘烤硬化后，隨著頻率的增加，背景內耗越來越大。金屬中產生背景內耗是在應力的作用下，晶格中存在的各種缺陷移動所導致的，所以實測內耗值與頻率關系密切。

圖4是不同烘烤時間下頻率f=1時扣除背景內耗的內耗曲線，即真實內耗曲線。

從圖4可以看出：當頻率f=1時，烘烤不同時間的鋼的內耗譜中都有SKK峰，說明即使在足夠長的烘烤時間內，始終都有碳原子與位錯發生交互作用，也就是說碳原子與位錯交互作用形成的Cotrrell氣團是一直存在的。為了進一步研究烘烤時間對BH值的影響機制，將有關信息統計成表1，并將烘烤不同時間的鋼的BH值與SKK峰值的關系繪制成圖5。

從圖5可以看出， SKK峰值隨烘烤時間的延長是先遞增后幾乎保持不變，但在20 min時出現了異常。從表1中可以看出，SKK峰值在烘烤20 min達到最大值，為3.644×10-3，在烘烤10～20 min SKK峰值迅速增加，從0.489×10-3增加到3.644×10-3，增加了約9倍。說明在10～20 min時間段碳原子處于釘扎位錯的狀態，而且從SKK峰值增加的幅度看，這10 min內碳原子與位錯間的交互作用達到了最大，即在20 min時，碳原子釘扎的位錯數量最多，形成的Cotrrell氣團密度最大。但從圖2可以看到，在烘烤時間為20 min時，BH值并不是最大。張繼成[12]認為，烘烤工藝對BH值的影響有兩個方面：一方面是烘烤導致Cotrrell氣團形成，使流變應力增大；另一方面是烘烤使內應力釋放，使流變應力減小。所以當烘烤時間為20 min時，烘烤使得Cotrrell氣團密度增加的幅度稍大于使內應力釋放的幅度，BH值雖增加，但幅度不大。在20～100 min時間段，SKK峰值大幅度降低，從3.644×10-3降低到0.558×10-3，大約降低了6.5倍，但100 min時的BH值仍大于20 min的。這是因為100 min時，烘烤使Cotrrell氣團密度增加的幅度遠大于使內應力釋放的幅度，所以BH值增加較多，因此烘烤時間為20 min時，內應力釋放得最多。在1 000～10 000 min時間段，SKK峰值變化不大，基本保持在(0.6～0.7)×10-3。從圖5也可以看出，此時間段內BH值和SKK峰值的變化規律保持一致，說明碳原子和位錯的交互作用達到了平衡。

圖4 烘烤不同時間的鋼的內耗與溫度的關系(扣除內耗背景)Fig.4 Relation of internal friction to temperature for the steel baked for different times (deducting friction background)

圖4(a、d～e)中有Snoek峰，即烘烤時間為10、500、1 000 min時，SKK峰和Snoek峰共存。說明在烘烤前1 000 min內，晶格的間隙固溶碳原子處于不穩定狀態，受烘烤提供的能量驅動，在晶格與基體之間徘徊，此時間段內的BH值變化不大，即說明碳原子在晶格間的固溶對BH值的貢獻不大。從表1中可以發現，在烘烤時間1 000 min內，hSnoek+hSKK的變化幅度很大，沒有固定規律；在1 000 min之后趨于穩定，保持在(0.6～0.7)×10-3。這說明烘烤時間1 000 min是碳原子穩定的時間。

圖5 鋼的SKK峰值和BH值隨烘烤時間的變化Fig.5 SKK peak and BH value of the steel as a function of baking times

表1 不同烘烤時間下的峰溫和峰高Table 1 Tm and Q1-1 during different baking times

3 結論

(1)大晶粒低碳鋼的烘烤硬化值均為負值，BH值隨著SKK峰的變化而變化，即BH值主要受Cottrell氣團強化作用的影響。

(2)BH值隨著烘烤時間的延長先增加后不變；當烘烤時間為1 000 min時BH值達到最大值，烘烤時間繼續延長，BH值變化不大。

(3)當烘烤時間為20 min時，SKK峰值最大；當烘烤時間超過1 000 min時，隨著烘烤時間的繼續延長，SKK峰高變化不大。