热镀锌烘烤硬化钢板具有超低碳无间隙原子钢的深冲性能和含磷钢板的高强度以及抗凹陷性能,烘烤硬化值是烘烤硬化钢最主要的特性值[1]。评估烘烤硬化值的测算方法有多种,采用同一试样,不同的检测条件及检测方法会得出不同的烘烤硬化值,因此通过烘烤硬化值来评估材料抗凹陷性时,必须考虑烘烤条件的不同对检测结果产生的影响。前期某钢厂在生产牌号为HC180BD+Z的钢板时,检测的烘烤硬化值出现批量不合格,导致该牌号的钢板停止生产,未能按时交付用户。笔者一方面从过剩碳、炉箅子露点等一贯制工艺上着手改进,另一方面对烘烤硬化值检测试验条件进行研究,如试验温度、保温时间、加热装置及预应变拉伸等,以分析HC180BD+Z钢板出现烘烤硬化值批量不合格的原因[2]。

1. 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为HC180BD+Z烘烤硬化钢板,厚度为0.65 mm,该钢板的化学成分如表1所示。

Table 1. HC180BD+Z烘烤硬化钢板的化学成分

1.2 试验方法

1.2.1 检测方法

检测烘烤硬化值时,按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的规定,首先对试样进行总应变为2.0%的预应变拉伸,测得屈服强度Rp0.2,将预拉伸试样进行规定的烘烤处理后,再次对试样进行拉伸试验,同时测得下屈服强度ReL或Rp0.2（无明显屈服时）。为了更好地保持检测结果的一致性,宜采用均匀一致的拉伸速率,并按照3 mm/min的横梁位移速率进行试验,从开始拉伸到测出上述指标的过程中不要切换拉伸速率。

1.2.2 烘烤硬化值的计算方法

烘烤硬化值（BH2L）为试样烘烤后的下屈服强度或规定塑性延伸率为0.2%时对应的应力（无明显屈服时）与同一试样烘烤前规定塑性延伸率为0.2%时应力的差值。烘烤前后的拉伸速率相同,BH2L如式（1）所示。

式中：ReL,t为下屈服点的应力；RP0.2,t为塑性延伸率为0.2%时的应力。

1.3 试验条件及设备

试验设备为 Zwick Z150型拉伸试验机和电热鼓风烘箱,加热装置A、B、C分别对应的设备型号为DHG-9145A、DHG-9146A、DHG-9147A。

1.4 试验项目及步骤

参照GB/T 24147—2022《可冲散水刺非织造材料及制品》的要求,以烘烤硬化值检测的条件入手进行研究,以评估试验温度、保温时间、加热装置、预应变拉伸对烘烤硬化值检测的影响[3],为钢板生产提供可靠的数据依据,也为其性能判定提供了可靠的依据。

1.4.1 试验温度对烘烤硬化值检测的影响试验

为了观察试验温度对烘烤硬化值检测的影响,在板宽1/4处连续取15根横向拉伸试样,将这些试样分成3组,通过拉伸试验机对试样进行总应变为2.0%的预应变拉伸,测试Rp0.2,试验温度分别为160,170,180 ℃,其中170 ℃为标准温度,当加热装置内温度达到设定值后开始计时,保温时间为20 min。待试样自然冷却后,再次拉伸到应变为0.2%,测定ReL,t（烘烤后,无明显屈服时取Rp0.2,t）。试验温度对烘烤硬化值检测的影响试验参数如表2所示。

Table 2. 试验温度对烘烤硬化值检测的影响试验参数

1.4.2 保温时间对烘烤硬化值检测的影响试验

为了观察保温时间对烘烤硬化值检测的影响,在板宽1/4处连续取20根横向拉伸试样,将这些试样均匀分成4组,通过拉伸试验机对试样进行总应变为2.0%的预应变拉伸,测试0.2%应变时的伸长应力Rp0.2,将试验温度设定为170 ℃,对试样进行烘烤,加热装置内温度达到设定值后开始计时,分别控制保温时间为16,20,24,30 min,其中20 min为标准保温时间。待试样自然冷却后,再次拉伸到应变为0.2%,测定ReL,t（烘烤后,无明显屈服时取Rp0.2,t）。保温时间对烘烤硬化值检测的影响试验参数如表3所示。

Table 3. 保温时间对烘烤硬化值检测的影响试验参数

1.4.3 加热装置对烘烤硬化值检测的影响试验

结合前期烘烤硬化值检测的结果,考虑到不同加热装置对烘烤硬化值检测的影响,在板宽1/4处连续取15根横向拉伸试样,将这些试样分成3组,通过拉伸试验机对试样进行总应变为2.0%的预应变拉伸,检测Rp0.2,然后分别放入A、B、C加热装置。设计试验温度170 ℃为标准温度,控制保温时间为20 min,当加热装置内温度达到设计值时开始计时,同时记录从放入试样开始至到达设定值170 ℃的3个加热装置需要的时间。待试样自然冷却后,再次拉伸到应变为0.2%,检测ReL,t。加热装置对烘烤硬化值检测的影响试验参数如表4所示。

Table 4. 加热装置对烘烤硬化值检测的影响试验参数

1.4.4 拉伸预应变对烘烤硬化值检测的影响试验

为了观察拉伸预应变对烘烤硬化值检测的影响,在板宽1/4处连续取15根横向拉伸试样,将这些试样分成3组,在同一台拉伸试验机下,将拉伸预应变设计为1%,2%,3%,并检测记录相应拉伸预应变的应力,将试验温度设定为170 ℃,控制保温时间为20 min。试样烘烤完成并自然冷却后,再次将试样拉伸到应变为0.2%,检测ReL,t。拉伸预应变对烘烤硬化值检测的影响试验参数如表5所示。

Table 5. 拉伸预应变对烘烤硬化值检测的影响试验参数

2. 试验结果

2.1 试验温度对烘烤硬化值检测的影响试验结果

采用拉伸试验机（应变速率为3 mm/min）测试3组标准拉伸试样的Rp0.2,然后将试样放入加热装置中,分别采用160,170,180 ℃烘烤试样,其中170 ℃为标准温度,当加热装置内温度达到设定值时开始计时,保温时间为20 min。待试样自然冷却后,再次拉伸到应变为0.2%,检测烘烤硬化值,结果如表6所示。

Table 6. 不同试验温度下检测的烘烤硬化值

由表6可知：随着试验温度由160 ℃上升至180 ℃,烘烤硬化值一直处于上升的趋势,试验温度的升高会提高碳、氮等固溶原子的扩散能力,故而提高其烘烤硬化值；但当温度到达170 ℃时,碳、氮原子的扩散能力已经很强,再提高试验温度对烘烤硬化效果有帮助,但效果没有低温时明显。

2.2 保温时间对烘烤硬化值检测的影响试验结果

通过拉伸试验机对4组标准拉伸试样进行拉伸试验（应变速率为3 mm/min）,检测Rp0.2,然后将试验温度设定为170 ℃,对试样进行烘烤,温度达到设定值后开始计时,分别将保温时间控制为16,20,24,30 min。待试样自然冷却后,再次将试样拉伸到应变为0.2%,检测烘烤硬化值,结果如表7所示。

Table 7. 不同保温时间下检测的烘烤硬化值

由表7可知：在相同加热装置下,控制试验温度为170 ℃,当保温时间由16 min延长至20 min时,烘烤硬化值随时间的延长而增大,但当保温时间由20 min延长至30 min时,烘烤硬化值无明显变化。理论保温时间越长,碳、氮原子向位错中转移的过程越充分,所以烘烤硬化效果越好；但烘烤温度为170 ℃时,碳、氮原子的扩散能力已经很强,向位错中转移的过程很快完成,因此延长时间虽然有利于增强烘烤硬化效果,但效果不明显。

2.3 加热装置对烘烤硬化值检测的影响试验结果

采用同一拉伸试验机对3组标准拉伸试样施加2%的预变形（应变速率为3 mm/min）,测试应变为0.2%时的应力Rp0.2,然后分别将试样放入A、B、C加热装置中。设计试验温度为170 ℃,控制保温时间为20 min,当加热装置内温度达到设计值时开始计时,同时记录从放入试样至到达设定值170 ℃的3个试验装置的时间,待试样自然冷却后,再次拉伸到应变为0.2%,测定烘烤硬化值,结果如表8所示。

Table 8. 3个加热装置的烘烤硬化值检测结果

由表8可知：在试验温度为170 ℃、保温时间为20 min的条件下,烘烤硬化值检测结果无明显差异,其中装置B的检测值31.7 MPa不能作为参考。

2.4 拉伸预应变对烘烤硬化值检测的影响试验结果

采用同一台拉伸试验机对3组标准拉伸试样进行拉伸试验,将拉伸预应变设计为1%,2%,3%,检测并记录相应拉伸预应变的应力,然后设计试验温度为170 ℃,控制保温时间为20 min。烘烤结束,待试样自然冷却后,再次拉伸到应变为0.2%,测定烘烤硬化值,结果如表9所示。

Table 9. 不同拉伸预应变的烘烤硬化值检测结果

由表9可知：拉伸预应变对烘烤硬化值有一定影响,当拉伸预应变由1%增大至2%时,烘烤硬化值变化趋势与拉伸预应变同步,有上升趋势,当拉伸预应变由2%增大至3%时,烘烤硬化值却随着拉伸预应变的增大呈下降趋势。当拉伸预应变较小时,预变形会使钢板中产生少量新位错,位错的增加会增强烘烤硬化效果,但当拉伸预应变增大到某一值时,新位错的数量会明显增加。新位错的产生与旧位错移动会使位错交织在一起,反而减少了自由位错的数量,也减弱了钢板的烘烤硬化效果。

3. 结论

（1）采用相同加热装置时,控制保温时间为20 min,随着烘烤温度由160 ℃上升至180 ℃,烘烤硬化值一直处于增大的趋势,但当试验温度为160~170 ℃时,烘烤硬化值的增大趋势要比试验温度为170~180 ℃时明显。试验温度的提高会提高碳、氮等固溶原子的扩散能力,故而能增大烘烤硬化值,但当温度到达170 ℃时,碳、氮原子的扩散能力已经很强,再提高试验温度对烘烤硬化效果会有促进,但效果没有低温时明显。

（2）采用相同加热装置时,控制烘烤温度为170 ℃,当烘烤时间由16 min延长至20 min时,烘烤硬化值随烘烤时间的延长而增大,但当烘烤时间由20 min延长至30 min时,烘烤硬化值无明显变化。在170 ℃烘烤时,碳、氮原子的扩散能力已经很强,延长保温时间虽然有利于增强烘烤硬化效果,但效果不明显。

（3）采用相同的试验温度、保温时间,不同的加热装置时,烘烤硬化值的检测结果无明显差异。

（4）拉伸预应变对烘烤硬化值有一定影响,当拉伸预应变由1%增大至2%时,烘烤硬化值变化趋势与拉伸预应变同步,有增大趋势,当拉伸预应变由2%增大至3%时,烘烤硬化值却随着拉伸预应变的增大呈下降趋势。当拉伸预应变较小时,拉伸预应变会使钢板中产生少量新位错,位错的增加会增强烘烤硬化效果,但当拉伸预应变增大到某一值时,新位错的数量明显增加。新位错的产生与旧位错的移动会使位错交织在一起,反而减少自由位错的数量,也就在一定程度上减弱了钢板的烘烤硬化效果。

文章来源——材料与测试网