車輪鋼380CL的加工硬化特性研究

楊榮

摘 要：本文對車輪鋼380CL加工硬化特性進行研究，得出材料冷變形量與硬度、屈服強度、抗拉強度的關系。根據其加工硬化力學規律，提出一種以硬度測試來預測車輪成型后實際力學性能的計算方法，并通過截取車輪產品小試樣來進行拉伸實驗驗證。結果表明：以硬度推算車輪成型后力學性能是一種可靠的方法。

關鍵詞：車輪鋼380CL；加工硬化；硬度測試；力學性能

中圖分類號：U463.83 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0097-05

Abstract： This manuscript had made researches on the work hardening properties of 380CL， a kind of steel used to make wh?eel， and the relations among degrees of cold deformation， hardness， yield strength and tensile strength had been obtained. Based on these relations， this paper proposed a hardness test method to predict the actual mechanical properties of wheels after forming process； Meanwhile an experimental verification was carried out through the tensile test of samples cut from wheels. The results demonstrated that it was a reliable method based on hardness to predict the actual mechanical properties of wheels.

Key Words： wheel steel 380CL； work hardening； hardness test； mechanical property

1 引言

車輪是汽車的一個重要部件，對汽車行駛的安全性、穩定性、平順性和牽引性等起著重要作用，對能源的消耗、輪胎的壽命和駕駛員的勞動強度都有較大影響[1]。長期以來，車輪等汽車零部件一直是以材料的屈服強度、抗拉強度等基本力學性能指標作為設計的依據，并以此來預測零件的功能[2]。然而，產品的成型工藝會使材料產生較大的塑性變形量，引起材料強度和硬度升高、塑性和韌性降低的現象[3]，例如車輪的輪輻旋壓、輪輞滾壓等成型工藝。目前公司在車輪產品設計時沒有考慮冷塑性變形工藝對車輪材料和車輪性能的影響，這樣會造成預測零件功能有所偏差，因此研究車輪材料加工硬化特性具有十分重要的實際意義。

許多車輪產品關鍵部位因受到產品結構的限制，不能直接在成品上取樣進行拉伸實驗，所以需要通過其他方法來獲得其材料性能。目前，常規的方法是通過檢測產品關鍵部位的硬度，然后根據國際標準ISO18265：2003以及國家標準GB/T1172-1999中列出的硬度與強度換算表，確定該部位材料的抗拉強度。然而，相關研究表明[4]，由于鋼材化學成分的差異、制造工藝的不同，鋼鐵材料抗拉強度和硬度之間的換算關系存在著較大的分散性，所以需要建立車輪鋼生產工藝條件下鋼材的強度與硬度的關系。

2 實驗

2.1 實驗材料

車輪專用鋼380CL是本文研究的對象，其材料特性如下所述。

2.1.1 化學成分

2.1.2 力學性能

2.2 實驗方案

本文擬通過給定原材料不同變形量來研究其加工硬化規律[5-7]，以此獲得生產工藝下車輪材料的實際力學性能。

（1）通過對車輪原材料380CL的一系列試驗，研究變形量、強度與硬度的之間的關系：380CL原材料經過0%～20%不同變形量的冷拉伸變形，測量其變形量與材料硬度、屈服強度、抗拉強度之間的關系。硬度測試在試樣橫截面，在厚度方向上均分三份，每個厚度上沿試樣方向均勻測試10個點，求平均值。

（2）根據步驟（1）獲得的規律，通過硬度計算原材料為380CL產品關鍵部位加工硬化后的材料力學性能：測定產品各部位的顯微硬度，根據獲得材料硬度與強度的關系，換算出成型后產品各部位的力學性能。

（3）通過拉伸試驗，獲得產品關鍵部位材料的拉伸強度，與步驟（2）的數據進行對比，驗證步驟（1）獲得的規律。

2.3 實驗設備和使用條件

2.3.1 拉伸實驗

實驗設備：SANS20噸電子拉壓實驗機

實驗執行標準：GB/T 228-2002

實驗室溫：20℃

2.3.2 硬度實驗

實驗設備：上海研潤HV1000

實驗執行標準：GB/T4340. 1-1999

實驗室溫：20℃

2.4 取樣說明

在旋壓成型工藝后，輪輻的狀態如圖1所示；螺栓孔部位為未旋壓變形區（平面部位），該部位材料基本沒有產生冷變形；散熱孔部位已旋壓變形區（錐面部位），該部位材料產生較大的冷變形。為了研究冷變形工藝對原材料性能的影響，取這兩部位材料作為硬化前后對比試樣。

采用砂輪切割機和線切割相結合的方法，從產品上獲得實驗樣件，盡可能減小由于取樣加工方式對材料性能產生的影響。為保持螺栓孔部位與散熱孔部位材料的真實狀態，拉伸實驗取樣時厚度盡量取產品的原始厚度。在厚度一定的情況下，受車輪結構限制，拉伸試樣只能取非標樣，不能取標準試樣。

根據文獻[8-10]和金屬材料室溫拉伸試驗方法標準GB/T 228-2002可知，拉伸試樣尺寸變化對屈服強度和抗拉強度影響較小，對延伸率和端面收縮率影響較大。因本文主要研究材料強度指標，故取非標樣對本文的研究結果影響較小。

本文拉伸試樣非標樣名義尺寸為：螺栓孔部位材料試樣：14.1×5×25（標距）mm；散熱孔部位材料試樣：10×5×25（標距）mm；由于試樣切割存在尺寸誤差，每個試樣實際尺寸見下文拉伸實驗數據表。在螺栓孔部位取試樣3個，在散熱孔部位取試樣5個。拉伸試樣形態如下圖2所示。硬度實驗是在上述兩個部位每部位取3個試樣，每個試樣沿厚度方向均勻測試5個點。

3 實驗結果與分析

3.1 冷變形對380CL強度與硬度的影響

根據前面所述的實驗方法，測得不同變形量下材料的性能，如下表3所示：

圖3為冷變形量與硬度、屈服強度、抗拉強度的關系曲線圖，曲線總的變化趨勢是隨著變形量的增加、強度和硬度逐漸增大。隨著變形量的增加，最后屈服強度與抗拉強度的差距逐漸減小。

3.2 硬度預測加工硬化后的力學性能

通過對比表4中的數據可以發現，螺栓孔處的硬度為129，而散熱孔處的硬度為193，兩者之間存在較大的差異，說明經旋壓成型后，輪輻材料的力學性能產生明顯變化。根據硬度與強度的關系——公式（1）和公式（2），推測車輪旋壓成型后材料實際力學性能如下表5所示：

3.3 車輪小試樣拉伸實驗

在螺栓孔部位取試樣3個，在散熱孔部位取試樣5個，進行拉伸實驗，材料的抗拉強度如表6所示，拉伸試驗曲線如圖6所示：

根據表6所示的拉伸強度可以看出，螺栓孔處拉伸試樣的平均抗拉強度為436.6MPa，散熱孔處拉伸試樣的平均抗拉強度為586.0MPa。根據圖6的拉伸試驗曲線可以看出，在相同載荷的作用下，螺栓孔處拉伸試樣的變形較大，而散熱孔處拉伸試樣的變形較小。上述試驗結果表明，經過旋壓成型工藝后，散熱孔處材料的抗拉強度得到了明顯的增強，而延伸率則相對降低。

3.4 結果對比和分析

表7所示，是上述兩種方法獲得的拉伸強度。首先，分析螺栓孔處材料的拉伸強度；根據公式（2）計算出的拉伸強度為430.4MPa，根據產品試樣的拉伸試驗獲得拉伸強度為436.6MPa，兩者的偏差為1.5%。其次，分析散熱孔處材料的拉伸強度；根據公式（2）計算出的散熱孔處的拉伸強度為534.8MPa，根據散熱孔處產品試樣的拉伸試驗獲得拉伸強度為586.0MPa，兩者的偏差為8.7%。最后，分析旋壓成型工藝對材料力學性能的影響；通過表7中數據可發現，經過旋壓成型后，螺栓孔部位的原材料，沒有發生冷變形，該部位的抗拉強度為436.6MPa，與原材料的抗拉強度基本相同，而散熱孔部位材料發生了較大的冷變形，該部位的抗拉強度由430 MPa增大到了586 MPa，增大了36.2%。

綜上所述，成型工藝對材料的力學性能存在較大的影響，經過旋壓工藝后，散熱孔處材料的抗拉強度增大了36.2%。利用車輪鋼380CL硬度與抗拉強度之間的公式（2），推測相關車輪產品的抗拉強度，與產品實際抗拉強度之間的偏差較小，例如散熱孔處的偏差率為8.7%，比未考慮加工硬化的抗拉強度偏差率26.6%相比，得到大幅的降低，說明以硬度推算車輪成型后力學性能是一種可靠的方法。

4 結論

1、經過不同變形量來研究材料的加工硬化特性，說明380CL硬度與抗拉強度是存在線性相關性。

2、對比旋壓前后材料的拉伸曲線，曲線有很大的差異，說明成型工藝對材料力學性能影響較大。

3、利用硬度推測抗拉強度與實際抗拉強度的偏差率為8.7%，比未考慮加工硬化的抗拉強度偏差率26.6%相比，得到大幅的降低，說明以硬度推算車輪成型后力學性能是一種可靠的方法。

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