高強(qiáng)馬氏體鋼MS1300在車型中的應(yīng)用研究

賈仕博，袁超，羅浩瑄，郭秋彥

吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

近年來，隨著國家對汽車安全性能和節(jié)能減排要求的不斷提高，在不增加重量的前提下提高車身材料強(qiáng)度是滿足這些要求的重要手段[1]。馬氏體鋼作為冷成型鋼中強(qiáng)度最高的鋼，在車身上的應(yīng)用比例不斷提高，如A柱、門檻梁、防撞梁和座椅橫梁等安全結(jié)構(gòu)件[2]。馬氏體鋼合金含量不高，其成分通常以C-Si-Mn為基礎(chǔ)，再添加少量的微合金元素以細(xì)化晶粒，進(jìn)而改善性能[3]，并依靠快速淬火獲得馬氏體組織和高強(qiáng)度。其性能特點(diǎn)是強(qiáng)度高、延伸率低，適用于輥壓成型[4]。而輥壓成型工藝與傳統(tǒng)的沖壓成型工藝相比，具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)勢[5]。本文對高強(qiáng)馬氏體鋼MS1300材料級性能進(jìn)行試驗(yàn)和分析，并選取門檻梁與高強(qiáng)度鋼DP1180進(jìn)行對比驗(yàn)證，驗(yàn)證馬氏體高強(qiáng)鋼在碰撞性能及車身減重方面更具優(yōu)勢。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)項(xiàng)目

本研究所使用的試驗(yàn)材料為首鋼生產(chǎn)的厚度為1.2 mm的MS1300高強(qiáng)鋼，材料的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能技術(shù)要求見表1。所進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目包括材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、焊接性能、延遲開裂及動靜態(tài)的三點(diǎn)彎曲對比試驗(yàn)。

表1 MS1300的化學(xué)成分和力學(xué)性能技術(shù)要求

1.2 試驗(yàn)方法

材料的化學(xué)成分采用直讀光譜儀按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進(jìn)行試驗(yàn)，力學(xué)性能采用Instron5982拉力試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。金相組織采用Imager.M2m金相顯微鏡按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。焊接性能測試采用OBARAst31 IT85點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，電阻點(diǎn)焊（RSW）工藝參數(shù)見表2。延遲開裂性能按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 155—2020《超高強(qiáng)度汽車鋼板氫致延遲斷裂敏感性U形恒彎曲載荷試驗(yàn)方法》，將試樣在0.1 mol/L HCl溶液中浸泡300 h。靜態(tài)和動態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：彎曲加載的沖頭半徑為152.4 mm，跨距為450 mm的兩個支承座，支承座上端圓柱直徑為40 mm，落錘重量為130 kg。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見表3，試驗(yàn)矩陣見表4。

表2 RSW工藝參數(shù)

表3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

表4 試驗(yàn)矩陣

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織

MS1300的斷后伸長率為7.3%，將近技術(shù)要求的1倍，P、S含量遠(yuǎn)小于技術(shù)要求，具體性能參數(shù)見表5，金相檢測顯示其組織全部為馬氏體，符合技術(shù)要求。MS1300金相組織如圖1所示。

圖1 MS1300金相組織

表5 MS1300的化學(xué)成分和力學(xué)性能

2.2 焊接性能

在表2的工藝參數(shù)下進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由此分析出焊接電流的左邊界是5.5 kA，焊接電流的右邊界是7.2 kA，焊接電流的窗口為1.7 kA。在最大焊接電流下，對焊點(diǎn)進(jìn)行剪切力拉伸試驗(yàn)，熔核直徑為5.8～6.0 mm，剪切力均值為21624 N，失效形式為熔核拔出（表6）。對板材按照母材—熱影響區(qū)—熔核—熱影響區(qū)—母材的順序進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)位置如圖3所示，顯微硬度曲線如圖4所示。從圖4可以看出，焊點(diǎn)部位顯微硬度的變化規(guī)律一致，均為先逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，再逐漸降低。熔核處硬度高于母材，均值為450 HV1，熱影響區(qū)硬度低于母材，為330 HV1，軟化率為17.5%。這是由于熔核處冷速較快，形成了馬氏體組織，熱影響區(qū)（軟化區(qū)）由于冷卻速度較慢，形成的組織相當(dāng)于回火馬氏體，導(dǎo)致其硬度較低。焊區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)嚴(yán)重脆化點(diǎn)。

圖2 焊接試驗(yàn)結(jié)果

圖3 顯微硬度試驗(yàn)位置

圖4 顯微硬度曲線

表6 不同焊點(diǎn)在最大電流力下的剪切力拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 MS1300與DP1180動靜態(tài)沖擊功

2.3 延遲開裂性能

按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 155—2020《超高強(qiáng)度汽車鋼板氫致延遲斷裂敏感性U形恒彎曲載荷試驗(yàn)方法》，對MS1300進(jìn)行延遲開裂性能測試，試樣在0.1 mol/L HCl溶液中浸泡300 h沒有出現(xiàn)微裂紋，樣品浸泡22 d（528 h），表面均未有微裂紋及銹蝕斷裂的跡象（圖5）。

圖5 延遲開裂照片

2.4 三點(diǎn)彎曲性能

通過對DP1180和 MS1300門檻梁進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測得載荷與位移曲線，如圖6和圖7所示。通過兩組材料的載荷與位移曲線，得知靜態(tài)和動態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)MS1300所吸收的能量均高于DP1180，說明在同等厚度情況下，MS1300的安全碰撞吸能大于DP1180，應(yīng)用于整車后會提升整車的安全性能。具體沖擊功見表8。

圖6 DP1180動靜態(tài)載荷與位移曲線

圖7 MS1300動靜態(tài)載荷與位移曲線

3 結(jié)論

（1） 高強(qiáng)度馬氏體鋼MS1300的化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織滿足相關(guān)技術(shù)要求，斷后延伸率將近是技術(shù)要求的1倍。

（2） 焊接工藝窗口為1.7 kA，最大電流下的剪切力為22544 N，其焊點(diǎn)部位顯微硬度的變化規(guī)律一致，均為先逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，再逐漸降低。焊區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)嚴(yán)重脆化點(diǎn)。

（3）試樣在0.1 mol/L HCl溶液浸泡300 h沒有出現(xiàn)微裂紋，試樣浸泡22 d（528 h）后，表面均未有微裂紋及銹蝕斷裂。

（4）通過對比動靜態(tài)的MS1300與DP1180三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得出MS1300的碰撞吸能效果優(yōu)于DP1180。