热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的淬后综合力学性能研究

文：李圆媛，王成龙，韩先洪      （上海交通大学　模具ＣＡＤ国家工程研究中心）

０　引言

硼钢作为一种热冲压钢，可以提高汽车安全件强度，以实现汽车轻量化，其原始状态的抗拉强度约为６００ＭＰａ，热冲压后抗拉强度能达到１５００ＭＰａ。实际生产中热冲压模具内的冷速一般为３０～５０／ｓ，高于全马氏体转变冷速，因此最终可获得微观组织为近乎全马氏体的热冲压零件。

超高强度钢产品的冷弯性能是反映产品力学性能的指标之一，目前不少汽车企业对超高强钢产品的冷弯角提出了指标要求。现有文献中对超高强钢弯曲性能的探究一般是基于冷冲压范围的超高强度钢。Ｒａｔｈｎａｗｅｅｒａ等通过准静态和动态三点弯曲试验评价超高强钢和６系铝等材料在侧面受力时的变形能力；左治江等通过９０°和１２０°的Ｖ弯试验，分析了ＤＰ６００高强度钢的相对弯曲半径与回弹角的关系。Ｋａｅｗｔａｔｉｐ等通过三点弯曲试验测量硼钢热冲压后可以达到的最大非断裂弯曲角度，试验结果表明，通常钢的抗拉强度越大，弯曲角度越小。

除了弯曲性能外，硼钢在热冲压后的吸能性是反映其韧性的重要指标。硼钢在热冲压后延伸率低会造成热冲压零件在受到外力冲击时能量吸收能力不足，在汽车中就会降低对车内人员的保护。Ｗａｎｇ等通过夏比冲击试验研究了硼钢加热至奥氏体化温度后，奥氏体晶粒尺寸对淬火后硼钢冲击韧性的影响，试验结果表明，随着奥氏体晶粒尺寸的增大，硼钢的冲击韧性不断降低。Ｙｉｎｇ等通过Ｋａｈｎ撕裂法获得２２ＭｎＢ５的断裂韧性，以研究奥氏体化温度、保温时间和成形温度对热冲压后硼钢强度和韧性的影响。

由于在高于硼钢临界转变冷速以上的不同淬火速度对其力学性能的影响目前研究较少，且热冲压后零件的能量吸收能力、弯曲性能等综合力学性能也缺乏相关探究，因此本文通过单向拉伸力学性能测试、三点弯曲试验和夏比冲击试验，深入研究了快冷和慢冷后硼钢的抗拉强度、延伸率、弯曲角以及冲击韧性等综合力学性能指标，并对夏比冲击试样进行断口形貌观察。研究工作为全面评价热冲压零件的综合力学性能及在汽车上的应用提供参考。

１　试验设计与方案

１．１　拉伸试验

本试验选择的材料为宝钢生产的无涂层冷轧热冲压硼钢 Ｂ１５００ＨＳ，其板料厚度为１．４ｍｍ，化学成分如表１所示，从微观上看，其原始组织是由铁素体和珠光体组成的两相组织。将其加热到奥氏体化状态并保温一段时间，然后快速转移至热冲压模具中高速成形并进行保压淬火，使制件在模具中以大于２７℃／ｓ的冷却速度冷却至室温，最终获得微观组织为近乎全马氏体的超高强钢零件。本文为了研究淬火速度对Ｂ１５００ＨＳ力学性能的影响，通过控制试验过程中水流速度，实现不同淬火冷速。快冷采用直接水冷的淬火方式，根据Ｎｉｓｈｉｂａｔａ等的试验表明，高强钢在直接水淬过程中冷却速度可达１　０００℃／ｓ；为实现淬火慢冷效果，引入自吸式冷却喷雾器对试样进行喷水冷却，通过调节水流量大小，以实现淬火冷却速度为４０℃／ｓ左右。

将Ｂ１５００ＨＳ淬火后使用线切割机在均温区切取标距为１６ｍｍ的标准试样，如图１所示。用砂纸打磨掉氧化皮和加工缺陷后，在Ｚｗｉｃｋ／Ｒｏｅｌｌ　Ｚ１００电子万能材料试验机上进行室温拉伸试验，试样的拉伸速度为１ｍｍ／ｍｉｎ，拉伸试验标准参照ＧＢ／Ｔ　２２８．１—２０１０，最终获得热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的流动曲线。

１．２　弯曲试验

为了研究Ｂ１５００ＨＳ材料的冷弯性能，通过三点弯曲试验来探究不同淬火速度下Ｂ１５００ＨＳ材料的冷弯性能。对于弯曲件来说，外侧材料受到拉应力的作用时容易产生破裂，本文通过在特定的弯曲半径下，研究材料发生破裂时的临界弯曲角作为衡量材料弯曲能力的标准，临界弯曲角示意图如图２所示。弯曲模具的凸模采用面板形式，凸模圆角半径采用Ｒ＝１．８ｍｍ和Ｒ＝１ｍｍ，三点弯曲试验模具如图３所示。坯料为１５０ｍｍ×５０ｍｍ的矩形坯料，坯料在进行三点弯曲试验前放入加热炉中进行均匀奥氏体化处理，并分别以直接水冷和慢冷两种冷速冷却至室温。

１．３　夏比冲击试验

材料的韧性一般可用冲击韧性值来反映。为了研究不同淬火速度下热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的抗冲击性能，采用ＳＵＮＳ－ＴＤ４００Ｃ金属摆锤冲击试验机研究热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ在不同淬火速度的冲击韧性与吸收功。冲击试验机示意图如图４所示，其最大冲击能量为３００Ｊ，在摆锤冲击试样前后产生能量差，然后通过高速负荷测量传感器产生信号，经高速放大器放大后转化成数字信号，来测定该试样的冲击吸收功，将冲击吸收功除以试样缺口底部的横截面积可得到试样的冲击韧性。夏比冲击试验标准执行ＧＢ／Ｔ　２２９—２００７《金属夏比冲击试验方法》。冲击试样尺寸如图５所示，其长度和宽度尺寸为５５ｍｍ×１０ｍｍ，厚度为１．４ｍｍ，试样中部开有Ｖ型缺口。

２　试验结果分析与讨论

２．１　拉伸试验结果

室温单向拉伸试验得到Ｂ１５００ＨＳ应力曲线如图６所示，每个工艺参数下的拉伸试验重复３次并取平均值，最大相对误差为５．６６％。由图６可知，原始Ｂ１５００ＨＳ抗拉强度低，仅为６００ＭＰａ左右，延伸率约为３０％。通过对比，Ｂ１５００ＨＳ经过加热至９２０并保温５ｍｉｎ的完全奥氏体化过程然后直接水冷或以４０℃／ｓ的淬火冷速冷却至室温后，Ｂ１５００ＨＳ的抗拉强度可达１　６００ＭＰａ，延伸率约为６％，与现有文献吻合。由于直接水冷和４０℃／ｓ淬火冷速均高于Ｂ１５００ＨＳ的临界全马氏体转变淬火冷速２７℃／ｓ，因此生成的组织为全马氏体结构，力学性能相近，但仍能看出淬火冷速对Ｂ１５００ＨＳ的常温流动曲线存在一定影响，淬火冷速越快，Ｂ１５００ＨＳ抗拉强度越高。通过该试验，得到了Ｂ１５００ＨＳ常温和淬后的真实应力应变曲线及强度和延伸率，便于后续的强塑积计算及吸能分析。

２．２　弯曲试验结果

表２给出了不同淬火冷速下Ｂ１５００ＨＳ的下压量和临界弯曲角，当试样产生裂纹时的下压量数值并未考虑回弹行为。由表２可知，在直接水淬时，凸模圆角半径越大，其模具下压量越大，同时临界弯曲角越小。其原因在于凸模圆角半径越小，弯曲处的应力越集中，越容易造成断裂产生。当凸模圆角半径不变时，在淬火冷速为４０℃／ｓ时热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的临界弯曲角为１０４．６°，略低于直接水冷后热冲压钢的临界弯曲角１０８．２°，说明Ｂ１５００ＨＳ在４０℃／ｓ的淬火冷速下弯曲性能相对较好。

２．３　冲击试验结果

冲击韧性是材料力学性能的综合反映。不同淬火冷速下Ｂ１５００ＨＳ的冲击韧性和吸收功如表３所示。Ｂ１５００ＨＳ经过直接水冷后的冲击韧性为５９．９Ｊ／ｃｍ，比淬火冷速为４０℃／ｓ时Ｂ１５００ＨＳ的冲击韧性高２２％，吸收功与冲击韧性有相同的规律，考虑是由于直接水冷冷速较快，试样抗拉强度更高，因此冲击韧性更高，综合力学性能更好。

2.４ 淬火冷速对综合力学性能的影响分析

热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的抗拉强度、延伸率、临界弯曲角、冲击韧性和吸收功如表４所示。强塑积与冲击韧性均为反映材料吸能性的试验指标，从表中可知，原始Ｂ１５００ＨＳ的抗拉强度仅为５９７．２ＭＰａ，但在完全奥氏体化然后淬火处理后抗拉强度高达１　５００ＭＰａ以上，抗拉强度大大提高，延伸率约在７％左右。热冲压硼钢在直接水冷时抗拉强度高达１　６３２．７ＭＰａ，比淬火冷速为４０℃／ｓ时抗拉强度高２．６％，强塑积高于１．７％。强塑积σ_ｂ·δ是用来表示钢在拉伸试验过程中所吸收的能量或外力拉断试样时所做的功，可以衡量汽车在碰撞过程中吸收的总能量，因此通过强塑积的数值可以间接反映Ｂ１５００ＨＳ 的吸能性^［１１］。经过直接水冷后Ｂ１５００ＨＳ吸能性更好，这与夏比冲击试验的结果相吻合。对于直接水冷后的Ｂ１５００ＨＳ，其吸收功为６．７Ｊ，比淬火冷速为４０℃／ｓ的吸收功高１．２Ｊ，比淬火冷速为４０℃／ｓ的冲击韧性高１０．８Ｊ／ｃｍ^２。说明Ｂ１５００ＨＳ经过高于临界全马氏体转变的淬火冷速２７℃／ｓ冷却时，冷却速率对于Ｂ１５００ＨＳ的力学性能有一定影响，但影响幅度不大；淬火速度越高，淬火后的Ｂ１５００ＨＳ抗拉强度越高，吸能性更好。

另外，葛得龙等的实验结果表明，弯曲角度的大小与材料的强度有关，而与材料的延伸率没有明显的相关性，本文的实验规律与此相吻合。表４表明，热冲压硼钢在淬火冷速为４０／ｓ时延伸率为７．０％，与直接水冷时延伸率为６．９％相近；在三点弯曲试验中，Ｂ１５００ＨＳ在直接水冷后的临界弯曲角为１０８．２°，大于淬火冷速为４０／ｓ时临界弯曲角３．４％，而Ｂ１５００ＨＳ在直接水冷后的抗拉强度比淬火冷速为４０／ｓ时的抗拉强度高２．６％，说明临界弯曲角的大小与材料的强度有关，强度越高，临界弯曲角越大，弯曲性能越差。

对冲击后的试样通过扫描电子显微镜ＪＳＭ－６３９０Ａ 进行断口形貌观察，图 ７ 是Ｂ１５００ＨＳ冲击试验后的室温拉伸断口形貌特征。在夏比冲击试验过程中，摆锤的快速运动导致试验过程中加载速度很快，因此试样无法进行充分塑性变形，其塑性变形只是集中在部分区域。在冲击试验过程中可以发现，Ｂ１５００ＨＳ断裂机制为韧性断裂，在图７中可以观察到典型的韧性断口形貌特征———韧窝花样。夏比冲击试验产生的韧窝属于剪切断裂韧窝，剪切断裂韧窝的形状与冲击载荷的大小有关，在试样中显微空洞聚合前，材料受到的剪切应力不同，导致塑性变形量不同，韧窝在撕裂的方向被拉长，导致韧窝呈现抛物线的形状^［１３］。图 ７ （ｂ）、（ｃ）与图 ７ （ａ）相比，Ｂ１５００ＨＳ原始组织的韧窝尺寸均匀一致，而经淬火后的Ｂ１５００ＨＳ韧窝尺寸大小不一且数量少，说明淬火后塑性降低。图７（ｂ）与（ｃ）相近，在直接水淬条件下和淬火冷速为４０℃／ｓ时，材料中韧窝分布不均匀且深度较浅，说明两种条件下Ｂ１５００ＨＳ的塑性较差且相差不大。以上微观观察的结果与宏观力学性能测试结果相一致。

３　结论

本文基于单向拉伸试验、三点弯曲试验与夏比冲击试验，对热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的综合力学性能进行分析。通过抗拉强度、延伸率、临界弯曲角以及冲击韧性等力学性能指标，验证了热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ在直接热冲压结束后强度高、塑性与韧性均较差的力学性能特点。通过研究两种不同淬火速度下热冲压钢Ｂ１５００ＨＳ的力学性能指标，对比发现Ｂ１５００ＨＳ在高于临界全马氏体转变的淬火冷速２７℃／ｓ冷却时，淬火冷速对Ｂ１５００ＨＳ的综合力学性能有一定影响，但影响不大，直接水冷获得的Ｂ１５００ＨＳ比４０℃／ｓ淬火冷速时抗拉强度高２．６％，冲击韧性高１０．８Ｊ／ｃｍ^２，冷弯性能略差，但延伸率相差不大。同时，通过扫描电子显微镜对冲击试验后的室温拉伸断口形貌进行分析，宏观力学性能测试结果与微观观察结果相吻合。