熱鍍鋅烘烤硬化鋼板具有超低碳無(wú)間隙原子鋼的深沖性能和含磷鋼板的高強(qiáng)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(píng)估烘烤硬化值的測(cè)算方法有多種,采用同一試樣,不同的檢測(cè)條件及檢測(cè)方法會(huì)得出不同的烘烤硬化值,因此通過烘烤硬化值來(lái)評(píng)估材料抗凹陷性時(shí),必須考慮烘烤條件的不同對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響。前期某鋼廠在生產(chǎn)牌號(hào)為HC180BD+Z的鋼板時(shí),檢測(cè)的烘烤硬化值出現(xiàn)批量不合格,導(dǎo)致該牌號(hào)的鋼板停止生產(chǎn),未能按時(shí)交付用戶。筆者一方面從過剩碳、爐箅子露點(diǎn)等一貫制工藝上著手改進(jìn),另一方面對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)試驗(yàn)條件進(jìn)行研究,如試驗(yàn)溫度、保溫時(shí)間、加熱裝置及預(yù)應(yīng)變拉伸等,以分析HC180BD+Z鋼板出現(xiàn)烘烤硬化值批量不合格的原因[2]。

1. 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 檢測(cè)方法

檢測(cè)烘烤硬化值時(shí),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》的規(guī)定,首先對(duì)試樣進(jìn)行總應(yīng)變?yōu)?.0%的預(yù)應(yīng)變拉伸,測(cè)得屈服強(qiáng)度Rp0.2,將預(yù)拉伸試樣進(jìn)行規(guī)定的烘烤處理后,再次對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),同時(shí)測(cè)得下屈服強(qiáng)度ReL或Rp0.2（無(wú)明顯屈服時(shí)）。為了更好地保持檢測(cè)結(jié)果的一致性,宜采用均勻一致的拉伸速率,并按照3mm/min的橫梁位移速率進(jìn)行試驗(yàn),從開始拉伸到測(cè)出上述指標(biāo)的過程中不要切換拉伸速率。

1.2.2 烘烤硬化值的計(jì)算方法

烘烤硬化值（BH2L）為試樣烘烤后的下屈服強(qiáng)度或規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力（無(wú)明顯屈服時(shí)）與同一試樣烘烤前規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)應(yīng)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(diǎn)的應(yīng)力；RP0.2,t為塑性延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。

1.3 試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為 Zwick Z150型拉伸試驗(yàn)機(jī)和電熱鼓風(fēng)烘箱,加熱裝置A、B、C分別對(duì)應(yīng)的設(shè)備型號(hào)為DHG-9145A、DHG-9146A、DHG-9147A。

1.4 試驗(yàn)項(xiàng)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(cè)的條件入手進(jìn)行研究,以評(píng)估試驗(yàn)溫度、保溫時(shí)間、加熱裝置、預(yù)應(yīng)變拉伸對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響[3],為鋼板生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù),也為其性能判定提供了可靠的依據(jù)。

1.4.1 試驗(yàn)溫度對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)

為了觀察試驗(yàn)溫度對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響,在板寬1/4處連續(xù)取15根橫向拉伸試樣,將這些試樣分成3組,通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行總應(yīng)變?yōu)?.0%的預(yù)應(yīng)變拉伸,測(cè)試Rp0.2,試驗(yàn)溫度分別為160,170,180℃,其中170℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度,當(dāng)加熱裝置內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后開始計(jì)時(shí),保溫時(shí)間為20min。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,測(cè)定ReL,t（烘烤后,無(wú)明顯屈服時(shí)取Rp0.2,t）。試驗(yàn)溫度對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

1.4.2 保溫時(shí)間對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)

為了觀察保溫時(shí)間對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響,在板寬1/4處連續(xù)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(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行總應(yīng)變?yōu)?.0%的預(yù)應(yīng)變拉伸,測(cè)試0.2%應(yīng)變時(shí)的伸長(zhǎng)應(yīng)力Rp0.2,將試驗(yàn)溫度設(shè)定為170℃,對(duì)試樣進(jìn)行烘烤,加熱裝置內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后開始計(jì)時(shí),分別控制保溫時(shí)間為16,20,24,30min,其中20min為標(biāo)準(zhǔn)保溫時(shí)間。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,測(cè)定ReL,t（烘烤后,無(wú)明顯屈服時(shí)取Rp0.2,t）。保溫時(shí)間對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

1.4.3 加熱裝置對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)

結(jié)合前期烘烤硬化值檢測(cè)的結(jié)果,考慮到不同加熱裝置對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響,在板寬1/4處連續(xù)取15根橫向拉伸試樣,將這些試樣分成3組,通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行總應(yīng)變?yōu)?.0%的預(yù)應(yīng)變拉伸,檢測(cè)Rp0.2,然后分別放入A、B、C加熱裝置。設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度170℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度,控制保溫時(shí)間為20min,當(dāng)加熱裝置內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)開始計(jì)時(shí),同時(shí)記錄從放入試樣開始至到達(dá)設(shè)定值170℃的3個(gè)加熱裝置需要的時(shí)間。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,檢測(cè)ReL,t。加熱裝置對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

1.4.4 拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)

為了觀察拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響,在板寬1/4處連續(xù)取15根橫向拉伸試樣,將這些試樣分成3組,在同一臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)下,將拉伸預(yù)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)為1%,2%,3%,并檢測(cè)記錄相應(yīng)拉伸預(yù)應(yīng)變的應(yīng)力,將試驗(yàn)溫度設(shè)定為170℃,控制保溫時(shí)間為20min。試樣烘烤完成并自然冷卻后,再次將試樣拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,檢測(cè)ReL,t。拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)溫度對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)結(jié)果

采用拉伸試驗(yàn)機(jī)（應(yīng)變速率為3mm/min）測(cè)試3組標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溫度,當(dāng)加熱裝置內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)開始計(jì)時(shí),保溫時(shí)間為20min。待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,檢測(cè)烘烤硬化值,結(jié)果如表6所示。

由表6可知：隨著試驗(yàn)溫度由160℃上升至180℃,烘烤硬化值一直處于上升的趨勢(shì),試驗(yàn)溫度的升高會(huì)提高碳、氮等固溶原子的擴(kuò)散能力,故而提高其烘烤硬化值；但當(dāng)溫度到達(dá)170℃時(shí),碳、氮原子的擴(kuò)散能力已經(jīng)很強(qiáng),再提高試驗(yàn)溫度對(duì)烘烤硬化效果有幫助,但效果沒有低溫時(shí)明顯。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)結(jié)果

通過拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)4組標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（應(yīng)變速率為3mm/min）,檢測(cè)Rp0.2,然后將試驗(yàn)溫度設(shè)定為170℃,對(duì)試樣進(jìn)行烘烤,溫度達(dá)到設(shè)定值后開始計(jì)時(shí),分別將保溫時(shí)間控制為16,20,24,30min。待試樣自然冷卻后,再次將試樣拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,檢測(cè)烘烤硬化值,結(jié)果如表7所示。

由表7可知：在相同加熱裝置下,控制試驗(yàn)溫度為170℃,當(dāng)保溫時(shí)間由16min延長(zhǎng)至20min時(shí),烘烤硬化值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,但當(dāng)保溫時(shí)間由20min延長(zhǎng)至30min時(shí),烘烤硬化值無(wú)明顯變化。理論保溫時(shí)間越長(zhǎng),碳、氮原子向位錯(cuò)中轉(zhuǎn)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(shí),碳、氮原子的擴(kuò)散能力已經(jīng)很強(qiáng),向位錯(cuò)中轉(zhuǎn)移的過程很快完成,因此延長(zhǎng)時(shí)間雖然有利于增強(qiáng)烘烤硬化效果,但效果不明顯。

2.3 加熱裝置對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)結(jié)果

采用同一拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)3組標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣施加2%的預(yù)變形（應(yīng)變速率為3mm/min）,測(cè)試應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力Rp0.2,然后分別將試樣放入A、B、C加熱裝置中。設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度為170℃,控制保溫時(shí)間為20min,當(dāng)加熱裝置內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)開始計(jì)時(shí),同時(shí)記錄從放入試樣至到達(dá)設(shè)定值170℃的3個(gè)試驗(yàn)裝置的時(shí)間,待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,測(cè)定烘烤硬化值,結(jié)果如表8所示。

由表8可知：在試驗(yàn)溫度為170℃、保溫時(shí)間為20min的條件下,烘烤硬化值檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差異,其中裝置B的檢測(cè)值31.7 MPa不能作為參考。

2.4 拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化值檢測(cè)的影響試驗(yàn)結(jié)果

采用同一臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)3組標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),將拉伸預(yù)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)為1%,2%,3%,檢測(cè)并記錄相應(yīng)拉伸預(yù)應(yīng)變的應(yīng)力,然后設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度為170℃,控制保溫時(shí)間為20min。烘烤結(jié)束,待試樣自然冷卻后,再次拉伸到應(yīng)變?yōu)?.2%,測(cè)定烘烤硬化值,結(jié)果如表9所示。

由表9可知：拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化值有一定影響,當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變由1%增大至2%時(shí),烘烤硬化值變化趨勢(shì)與拉伸預(yù)應(yīng)變同步,有上升趨勢(shì),當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變由2%增大至3%時(shí),烘烤硬化值卻隨著拉伸預(yù)應(yīng)變的增大呈下降趨勢(shì)。當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變較小時(shí),預(yù)變形會(huì)使鋼板中產(chǎn)生少量新位錯(cuò),位錯(cuò)的增加會(huì)增強(qiáng)烘烤硬化效果,但當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變?cè)龃蟮侥骋恢禃r(shí),新位錯(cuò)的數(shù)量會(huì)明顯增加。新位錯(cuò)的產(chǎn)生與舊位錯(cuò)移動(dòng)會(huì)使位錯(cuò)交織在一起,反而減少了自由位錯(cuò)的數(shù)量,也減弱了鋼板的烘烤硬化效果。

3. 結(jié)論

（1）采用相同加熱裝置時(shí),控制保溫時(shí)間為20min,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(shì),但當(dāng)試驗(yàn)溫度為160~170℃時(shí),烘烤硬化值的增大趨勢(shì)要比試驗(yàn)溫度為170~180℃時(shí)明顯。試驗(yàn)溫度的提高會(huì)提高碳、氮等固溶原子的擴(kuò)散能力,故而能增大烘烤硬化值,但當(dāng)溫度到達(dá)170℃時(shí),碳、氮原子的擴(kuò)散能力已經(jīng)很強(qiáng),再提高試驗(yàn)溫度對(duì)烘烤硬化效果會(huì)有促進(jìn),但效果沒有低溫時(shí)明顯。

（2）采用相同加熱裝置時(shí),控制烘烤溫度為170℃,當(dāng)烘烤時(shí)間由16min延長(zhǎng)至20min時(shí),烘烤硬化值隨烘烤時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,但當(dāng)烘烤時(shí)間由20min延長(zhǎng)至30min時(shí),烘烤硬化值無(wú)明顯變化。在170℃烘烤時(shí),碳、氮原子的擴(kuò)散能力已經(jīng)很強(qiáng),延長(zhǎng)保溫時(shí)間雖然有利于增強(qiáng)烘烤硬化效果,但效果不明顯。

（3）采用相同的試驗(yàn)溫度、保溫時(shí)間,不同的加熱裝置時(shí),烘烤硬化值的檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差異。

（4）拉伸預(yù)應(yīng)變對(duì)烘烤硬化值有一定影響,當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變由1%增大至2%時(shí),烘烤硬化值變化趨勢(shì)與拉伸預(yù)應(yīng)變同步,有增大趨勢(shì),當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變由2%增大至3%時(shí),烘烤硬化值卻隨著拉伸預(yù)應(yīng)變的增大呈下降趨勢(shì)。當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變較小時(shí),拉伸預(yù)應(yīng)變會(huì)使鋼板中產(chǎn)生少量新位錯(cuò),位錯(cuò)的增加會(huì)增強(qiáng)烘烤硬化效果,但當(dāng)拉伸預(yù)應(yīng)變?cè)龃蟮侥骋恢禃r(shí),新位錯(cuò)的數(shù)量明顯增加。新位錯(cuò)的產(chǎn)生與舊位錯(cuò)的移動(dòng)會(huì)使位錯(cuò)交織在一起,反而減少自由位錯(cuò)的數(shù)量,也就在一定程度上減弱了鋼板的烘烤硬化效果。

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