超高強鋼熱影響區組織特征的熱模擬研究

鄧 越，張 喜，張光凱，黃克軍，任江偉*

（上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620）

1 背景

隨著國際社會對于安全、環保意識的增強，汽車輕量化成為行業發展的熱點。高強度鋼是目前平衡汽車安全性和節能性這對矛盾體的理想方案[1，2]。在車身的制造流程中電阻點焊是最主要的方法之一。對于常用鋼制車身，白車身上的焊點可達4000個～6000個，這些焊點的質量直接影響車身的各項性能指標，如強度、抗沖擊性、力學穩定性能等[3]。國內外對熱成形鋼、雙相鋼等高強度鋼電阻點焊性能的研究顯示，焊接熱影響區對整個接頭的承載能力影響甚大[4，5]。由于電阻點焊時的加熱和冷卻速度極快，傳統的熱處理手段無法實現對電阻點焊熱循環的模擬，因此采用熱模擬的方法模擬超高強鋼點焊過程中熱影響區的組織和性能演變，可靈活地對點焊過程中的各種因素進行綜合研究和分析，降低成本，縮短產品研發周期。

2 試驗材料與試驗方法

本文采用B1500HS超高強鋼為研究對象，其顯微組織為馬氏體，化學成分和力學性能見表1、表2。

表1 B1500HS鋼化學成分[6]

表2 B1500HS鋼力學性能[7]

圖1 熱模擬試樣（單位mm）

鋼板經線切割并加工出熱模擬試樣，尺寸見圖1。在熱模擬試驗前對試樣進行機械打磨和超聲清洗。熱模擬試驗采用的為美國Dynamic System公司生產的Gleeble 3800熱模擬試驗機。設定的主要工藝參數為：加熱速度224℃/s，間隔時間200ms，試樣A加熱溫度800℃，加熱時間200ms；試樣B加熱溫度600℃，加熱時間200ms；試樣C加熱溫度400℃，加熱時間200ms。

熱模擬試驗后，采用標準程序制備金相試樣，并在日本基恩士公司生產的VHX-600K超景深三維數碼顯微分析系統和日立公司生產的S-3400N掃描電子顯微鏡下觀察微觀組織。采用HXD-1000TMSC顯微硬度計測試不同組織的顯微硬度。載荷200g，保持時間為15s。每個試樣測試五次，取其平均值為該組織的典型值。

3 試驗結果及討論

三個試樣的熱循環曲線如圖2所示，各試樣的微觀組織如圖3、圖4。

圖2 三個試樣的熱模擬溫度曲線

從圖2～圖4可見，試樣A的實際加熱溫度為740℃，比預設溫度低60℃。試樣焊接熱循環峰值溫度大于Ac1，但小于Ac3，該試樣模擬了跨臨界熱影響區的焊接熱循環。光學金相照片顯示，存在明顯的帶狀組織。晶粒被拉長，珠光體和鐵素體還有沿晶界析出的碳化物呈帶狀分布。掃描電鏡照片顯示，晶界處出現大量鐵素體。晶粒內部，則是典型的珠光體組織。在該溫度下的熱循環，試樣原有的板條狀馬氏體已經完全分解，轉變為鐵素體和珠光體組織。該試樣的平均顯微硬度約275HV，比母材硬度下降了約50%，該區域軟化程度十分明顯。

試樣B的實際加熱溫度為590℃，比預設溫度低10℃。試樣焊接熱循環峰值溫度略低于Ac1，該試樣模擬了亞臨界熱影響區的焊接熱循環，也可稱之為高溫回火區。光學金相照片顯示，原有的板條狀馬氏體已經消失，可見鐵素體和碳化物所組成的板條狀晶粒。產生這種現象的原因可能是，由于高溫持續時間短，馬氏體直接受熱分解成鐵素體和碳化物，因此，基體組織保持了原有的板條狀特征。掃描電鏡照片顯示，在鐵素體基體的界面處，出現了大量的碳化物析出。在該溫度下的熱循環，組織的顯微硬度為293HV，只略高于試樣A的顯微硬度。

圖3 三個試樣的微觀組織（光學圖像）

圖4 三個試樣的微觀組織（SEM圖像）

試樣C的實際加熱溫度為390℃，比預設溫度低10℃。顯微組織觀察顯示，熱加工流線非常明顯。光學金相照片顯示，鐵素體、馬氏體呈長條狀分布，在晶界處出現了碳化物偏聚。掃描電鏡照片顯示，原有的板條狀馬氏體并未消失，但在晶界處，出現了碳化物偏聚。在組織中，也可看到一些鐵素體。試樣C的平均顯微硬度約425HV，相比母材該硬度值有所下降。結合顯微組織和模擬溫度數據分析發現，在熱循環中，由于加熱速度快，高溫停留時間短，馬氏體分解并不是該區域出現軟化的主要原因。該區域發生軟化主要是因為，基體組織中的碳原子在受熱過程中，發生偏聚，使晶格畸變降低，進而引起硬度下降。

4 結論

（1）由于電阻點焊的加熱和冷卻過程速度很快，模擬時的實際加熱溫度與設定溫度間存在一定的偏差。但是偏差比較小，對本研究中的組織轉變及其力學性能沒有顯著改變。

（2）B1500HS母材為板條狀馬氏體。加熱到Ac1～Ac3之間溫度時，形成珠光體+鐵素體組織，硬度275HV。加熱到略低于Ac1以下溫度時，形成鐵素體和碳化物組織，硬度293HV。加熱到400℃時，形成鐵素體+馬氏體組織，硬度425HV。

（3）B1500HS電阻點焊時，HAZ的最低硬度出現在跨臨界熱影響區，該區域發生顯著的軟化，成為整個焊接接頭的最薄弱環節。通過加快冷卻速度，獲得馬氏體組織，有望進一步提高接頭的承載能力。

致謝：本項目得到上海工程技術大學大學生創新訓練項目（cx1805004）的支持。