GB/T 24174—2009中鋼烘烤硬化值測(cè)定方法的修訂及解讀

田慧玲, 徐惟誠(chéng)

(寶山鋼鐵股份有限公司 制造管理部, 上海 201941)

鋼板在一定溫度下烘烤并保溫一段時(shí)間后其屈服強(qiáng)度會(huì)升高，這種現(xiàn)象稱為烘烤硬化現(xiàn)象。通常在汽車制造工藝流程中，車身結(jié)構(gòu)件會(huì)有沖壓成形、油漆烘烤等環(huán)節(jié)，所以具有烘烤硬化特性的鋼板就可緊密結(jié)合汽車制造工藝，廣泛應(yīng)用在汽車零件上。

烘烤硬化值(Bake-Hardening-Index,簡(jiǎn)稱BH值)是衡量烘烤硬化性能的重要性能指標(biāo)，可通過單軸拉伸試驗(yàn)得到，烘烤硬化值試驗(yàn)原理示意圖見圖1。其中：Rp0.2,t為試樣經(jīng)2.0%應(yīng)變并烘烤后,對(duì)應(yīng)塑性應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力(無(wú)明顯屈服時(shí));ReL,t為試樣經(jīng)2.0%應(yīng)變并烘烤后測(cè)定的下屈服強(qiáng)度，Rt2.0為試樣變形至總應(yīng)變2.0%時(shí)的應(yīng)力。

圖1 烘烤硬化值試驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of Bake-Hardening-Index test principle

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算烘烤硬化值的定義和要求存在差異，如GB/T 24174—2009《鋼 烘烤硬化值(BH2)的測(cè)定方法》和ASTM A653/A653M：2019aStandardSpecificationforSteelSheet,Zinc-Coated(Galvanized)orZinc-IronAlloy-Coated(Galvannealed)bytheHot-DipProcess中規(guī)定同一拉伸試樣預(yù)拉伸應(yīng)變2.0%后，170 ℃烘烤并保溫20 min，用第二次拉伸測(cè)得的下屈服強(qiáng)度ReL減去第一次拉伸測(cè)得的屈服強(qiáng)度Rt2.0就得到BH2值。而DIN EN 10325：2006Steel-DeterminationofYieldStrengthIncreasebytheEffectofHeatTreatment(Bake-Hardening-Index)中同樣的預(yù)拉伸應(yīng)變量和烘烤溫度、保溫時(shí)間，但計(jì)算BH2值時(shí)第一次拉伸用的屈服類型是Rp2.0而不是Rt2.0，用的是第二次拉伸測(cè)得的下屈服強(qiáng)度ReL。在JIS G 3135：2018Cold-ReducedHighStrengthSteelSheetandStripwithImprovedFormabilityforAutomobileUses附錄A中，計(jì)算BH2值時(shí)第二次拉伸的屈服類型則改成了上屈服ReH。

對(duì)于烘烤溫度和保溫時(shí)間，曾有某汽車制造廠家提出采用175 ℃保溫30 min的烘烤條件，不同于EN,JIS等標(biāo)準(zhǔn)中要求的170 ℃并保溫20 min的烘烤條件。

對(duì)于預(yù)拉伸應(yīng)變量，一般標(biāo)準(zhǔn)都選擇2.0%的預(yù)拉伸應(yīng)變量，而SEW 094:1987《冷成型用較高屈服點(diǎn)含磷和烘烤硬化鋼》制定了一種不需要提前進(jìn)行預(yù)拉伸應(yīng)變的BH值測(cè)定方法。

GB/T 24174-2009自實(shí)施以來(lái)，對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)汽車板烘烤硬化值的測(cè)定起到了積極的指導(dǎo)作用。但近年來(lái)，隨著烘烤硬化鋼產(chǎn)品的不斷開發(fā)和完善，烘烤硬化值的測(cè)定方法不再單一，一些汽車制造廠也在其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中制定了烘烤硬化值的測(cè)定方法，因此有必要結(jié)合國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以適應(yīng)新形勢(shì)下烘烤硬化鋼板的發(fā)展需要。筆者闡述了GB/T 24174-2009的修訂內(nèi)容，并對(duì)新增的4種烘烤硬化值測(cè)定方法提出的目的和主要技術(shù)內(nèi)容的變化做了介紹，同時(shí)給出了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同試樣型號(hào)、拉伸試驗(yàn)速率、烘烤條件(放置方式、加熱設(shè)備)、烘烤溫度、保溫時(shí)間和預(yù)拉伸應(yīng)變量設(shè)置偏差等對(duì)烘烤硬化值測(cè)定結(jié)果的影響。

1 GB/T 24174-2009主要修訂內(nèi)容

(1) 增加了4種烘烤硬化值的測(cè)定方法。除了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的預(yù)拉伸應(yīng)變量和規(guī)定的屈服強(qiáng)度計(jì)算類型外，增加了不同預(yù)拉伸應(yīng)變量條件和其他屈服類型用于計(jì)算烘烤硬化值的測(cè)定方法。增加的測(cè)定方法有：試樣烘烤處理前采用Rt2.0,t，烘烤處理后采用ReL，t計(jì)算烘烤硬化值(BH0)；試樣烘烤處理前采用Rt2.0，烘烤處理后采用ReH，t計(jì)算烘烤硬化值(BH2H)；試樣烘烤處理前采用Rp2.0，烘烤處理后采用ReL,t或Rp0.2,t計(jì)算烘烤硬化值(BH2L)；不烘烤處理試樣采用ReL,或Rp0.2，烘烤處理后試樣采用ReL,t或Rp0.2,t計(jì)算烘烤硬化值(BH2P)。

(2) 明確了試樣類型編號(hào)。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，結(jié)合具有烘烤硬化特性汽車板(厚度通常小于3 mm)的特點(diǎn)以及ISO，ASTM，JIS拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)常用的試樣類型(試樣編號(hào))，明確了應(yīng)采用GB/T 228.1-2010中附錄B的P5，P6，P7的帶頭試樣。對(duì)于P7試樣，結(jié)合ISO和JIS標(biāo)準(zhǔn)，提出了其平行長(zhǎng)度可適當(dāng)縮短但不應(yīng)小于60 mm，以及當(dāng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或合同未規(guī)定時(shí)應(yīng)采用P7試樣的規(guī)定。

(3) 增加了試樣放置要求。由于烘烤保溫時(shí)間僅20 min，為避免試樣因疊放而影響測(cè)定結(jié)果，提出烘烤時(shí)，試樣不應(yīng)疊放，應(yīng)單個(gè)放置在擱架上。

(4) 增加了測(cè)定上屈服強(qiáng)度的推薦拉伸試驗(yàn)速率。給出了測(cè)定上屈服強(qiáng)度ReH時(shí)的橫梁位移速率推薦值2.5%Lc·min-1(LC為啞鈴型試樣的平行長(zhǎng)度)。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試樣制備

試驗(yàn)選用符合GB/T 228.1-2010中附錄B要求的試樣，用于測(cè)定烘烤硬化值的試樣類型及尺寸見表1。

表1 試樣類型及尺寸Tab.1 Sample types and sizes

選取不同屈服等級(jí)的兩類性能穩(wěn)定的烘烤硬化鋼180BH鋼(抗拉強(qiáng)度大于等于300 MPa)和340BH鋼(抗拉強(qiáng)度大于等于340 MPa)，分別編號(hào)為1，2，制取若干數(shù)量的拉伸試樣。試樣均取自同一大樣板的相鄰部位，按照垂直于軋制方向取樣，并采用同一加工工藝加工。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用Zwick Z100型全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)(1級(jí)精度),縱向引伸計(jì)采用接觸式引伸計(jì)(1級(jí)精度),加熱設(shè)備有烘烤爐和油加熱爐，其中烘烤爐的溫度控制精度保持在±2 ℃，溫度測(cè)量裝置的分辨力為1 ℃，加熱介質(zhì)為空氣；油加熱爐的溫度控制精度保持在±2 ℃，溫度測(cè)量裝置的分辨力為1 ℃，加熱介質(zhì)為硅油。

3 烘烤硬化值測(cè)定試驗(yàn)的影響因素

3.1 試樣類型

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂重點(diǎn)是新增了4種不同的烘烤硬化值測(cè)定方法，同時(shí)明確了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的3種試樣類型。筆者采用1號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的P5，P6，P7 3種試樣類型進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果見表2。

表2 1號(hào)試樣不同試樣類型的烘烤硬化值Tab.2 Bake-Hardening-Index of different types of sample 1 MPa

對(duì)于不同的烘烤硬化值測(cè)定方法，相同試樣類型得到的BH值結(jié)果不同且差距大；相同的烘烤硬化值測(cè)定方法，不同試樣類型得到的BH值極差多在6 MPa以內(nèi)，結(jié)果一致性好。新增的4種測(cè)定方法增加了與ASTM，JIS，EN等烘烤硬化值測(cè)定方法的對(duì)接，提供了更多的評(píng)價(jià)手段，可用于研究鋼板材料的BH值參數(shù)。

3.2 測(cè)定上屈服強(qiáng)度ReH時(shí)的拉伸試驗(yàn)速率

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂拉伸試驗(yàn)速率仍推薦采用橫梁位移速率。對(duì)于新增的烘烤硬化值BH2H值測(cè)定方法，需用到上屈服強(qiáng)度參與BH值的計(jì)算。如采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦值5%Lc·min-1，將不滿足JIS Z 2241：2011MetallicMaterials—TensileTesting—MethodofTestatRoomTemperature規(guī)定的測(cè)定上屈服強(qiáng)度的速率，為兼容不同標(biāo)準(zhǔn)，提高不同標(biāo)準(zhǔn)間測(cè)定BH2H值的可比性，增加了測(cè)定上屈服強(qiáng)度的橫梁位移速率推薦值2.5%Lc·min-1。筆者取試驗(yàn)速率為1.5%，2.5%，3.5%，5%Lc·min-1，在每個(gè)試驗(yàn)速率下對(duì)3根平行試樣分別測(cè)定烘烤硬化值BH2H值，結(jié)果見圖2。

圖2 不同橫梁位移速率下的上屈服強(qiáng)度和烘烤硬化值(BH2H)Fig.2 Upper yield strength and Bake-Hardening-Index (BH2H)under different beam displacement rates

由圖2可知，該試驗(yàn)中不同的橫梁位移速率獲得的上屈服強(qiáng)度ReH不同，上屈服強(qiáng)度隨速率的升高而增大，在1.5%，2.5%Lc·min-1速率下上屈服強(qiáng)度ReH增加不顯著，而當(dāng)速率升高至3.5%Lc·min-1和5.0%Lc·min-1時(shí)，上屈服強(qiáng)度ReH結(jié)果差異增大。由于BH2H值測(cè)定方法是通過上屈服強(qiáng)度ReH計(jì)算BH2H值，故速率上升導(dǎo)致的上屈服強(qiáng)度升高也明顯影響B(tài)H2H值的結(jié)果。此外，由圖2可知，在1.5%，2.5%Lc·min-1速率下，BH2H值沒有明顯變化，且極差小于6 MPa；隨著速率升高至3.5%Lc·min-1和5.0%Lc·min-1時(shí)，BH2H值的平均值顯著升高，同時(shí)極差顯著增加。可見橫梁位移速率的變化對(duì)上屈服強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響B(tài)H2H值的測(cè)定結(jié)果。

3.3 烘烤時(shí)的試樣放置

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂對(duì)烘烤時(shí)的試樣放置方式給出了建議，要求試樣不應(yīng)疊放，宜單個(gè)放置在擱架上。分散放置定義為試樣等間隔放置在試樣擱架上，烘烤時(shí)加熱介質(zhì)能無(wú)阻礙地接觸每根試樣表面；重疊放置定義為試樣重疊捆綁成一摞，烘烤時(shí)加熱介質(zhì)不容易接觸每根試樣表面。為此設(shè)計(jì)了分散和重疊兩種試樣放置方式進(jìn)行試驗(yàn)。

按照以上兩種放置方式利用烘烤爐進(jìn)行烘烤硬化值測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 不同試樣放置方式的烘烤硬化值(BH2)Tab.3 BH2 with different sample placement methods (BH2)

試樣在烘烤箱中的加熱過程實(shí)質(zhì)是熱對(duì)流的過程，以空氣為流動(dòng)介質(zhì)將熱量由空間的一處向另一處傳遞，而試樣作為熱的良導(dǎo)體接受了這部分的熱量傳遞。當(dāng)試樣分散放置時(shí)，空氣在試樣間形成良好的對(duì)流，試樣受熱均勻，而當(dāng)試樣被重疊放置后，空氣與試樣間缺少了自然對(duì)流，且試樣疊放造成導(dǎo)熱體厚度增加，進(jìn)一步影響熱對(duì)流。由測(cè)定結(jié)果可知，重疊放置的烘烤硬化值BH2均低于分散放置的。為此，測(cè)定BH值時(shí)應(yīng)避免試樣疊放。

3.4 加熱設(shè)備和加熱介質(zhì)

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)加熱設(shè)備的類型和相應(yīng)的加熱介質(zhì)進(jìn)行規(guī)定，業(yè)內(nèi)常用的加熱介質(zhì)為空氣和油。現(xiàn)采用符合標(biāo)準(zhǔn)溫度控制精度和分辨力要求的兩種代表性的加熱設(shè)備，將試樣放置到目標(biāo)溫度為170 ℃的空氣和油介質(zhì)中保溫20 min進(jìn)行試驗(yàn)，選擇具有代表性的BH2值和BH2H測(cè)定方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由表4可見，采用不同的加熱設(shè)備和加熱介質(zhì)測(cè)得的BH2值和BH2H值結(jié)果一致性均很好，兩種測(cè)定方法的t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，不同加熱設(shè)備和加熱介質(zhì)的烘烤硬化值沒有顯著性差異。

表4 不同加熱設(shè)備和加熱介質(zhì)的烘烤硬化值(BH2，BH2H)Tab.4 Bake-Hardening-Index (BH2，BH2H) of different heatingequipment and heating medium

3.5 烘烤溫度和保溫時(shí)間

烘烤硬化測(cè)定時(shí)烘烤溫度和保溫時(shí)間對(duì)烘烤硬化效果有很大的影響，隨烘烤溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，BH值會(huì)增大[1]。有文獻(xiàn)[2]表明，在一定烘烤溫度下，剛開始烘烤的時(shí)間延長(zhǎng)則烘烤硬化值(BH2)也隨著升高，但當(dāng)烘烤硬化值升高到最大值后，烘烤硬化值不再升高，趨于平穩(wěn)。

筆者以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的烘烤溫度和保溫時(shí)間為基準(zhǔn)，討論烘烤溫度和保溫時(shí)間偏差對(duì)BH值的影響，烘烤溫度設(shè)置為165，170，175 ℃，保溫時(shí)間設(shè)置為15，20，25 min，熱處理采用油加熱爐進(jìn)行，其烘烤硬化值測(cè)定結(jié)果見表5。

表5 不同烘烤溫度和保溫時(shí)間的烘烤硬化值(BH2，BH0)Tab.5 Bake-Hardening-Index (BH2，BH0) of different bakingtemperature and holding time MPa

由表5可見，隨著烘烤溫度的升高，無(wú)論哪種烘烤硬化值測(cè)定方法，其BH值均是增大的，而在相同烘烤溫度下，保溫時(shí)間延長(zhǎng)也導(dǎo)致BH值增大。可見，烘烤溫度和保溫時(shí)間都會(huì)對(duì)BH值測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的烘烤條件時(shí)，應(yīng)把握好加熱設(shè)備的精度和保溫時(shí)間的精確度。

3.6 預(yù)拉伸應(yīng)變量

有文獻(xiàn)[2]表明,預(yù)拉伸應(yīng)變量小于4%時(shí)，BH值隨預(yù)拉伸應(yīng)變量增加而迅速增大，而大于4%時(shí)，BH值隨預(yù)拉伸應(yīng)變量增加而緩慢降低。過去在進(jìn)行該類試驗(yàn)研究時(shí)通常采用的是BH2測(cè)定方法，故筆者采用BH2測(cè)定方法，分別在預(yù)拉伸應(yīng)變量1.8%，2.0%，2.2%下進(jìn)行試驗(yàn)，并分析兩者之間的關(guān)系，烘烤硬化值測(cè)定結(jié)果見表6。

表6 不同預(yù)拉伸應(yīng)變量的烘烤硬化值(BH2)Tab.6 Bake-Hardening-Index (BH2) of differentpre-tensile strain MPa

由表6可見，BH值均隨預(yù)拉伸應(yīng)變量的增加而增大，與相關(guān)文獻(xiàn)研究的結(jié)論一致。因此，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不能忽視引伸計(jì)的精度，須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定引伸計(jì)的精度應(yīng)不小于1級(jí)的要求，同時(shí)保證當(dāng)預(yù)拉伸達(dá)到規(guī)定的應(yīng)變量時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備能立即停止拉伸。

4 結(jié)論

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，參考了很多國(guó)外涉及烘烤硬化值測(cè)定方法的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，增加了標(biāo)準(zhǔn)適用的試樣尺寸要求、拉伸試驗(yàn)速率要求、預(yù)拉伸應(yīng)變量要求和不同類型的屈服類型參與計(jì)算烘烤硬化值的要求，拓寬了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍。

采用相同的烘烤硬化值測(cè)定方法，GB/T 228.1—2010中的P5，P6，P7類型試樣測(cè)得的BH值無(wú)明顯差異；測(cè)定BH2H值時(shí)，拉伸試驗(yàn)速率的大小對(duì)上屈服強(qiáng)度影響較明顯，需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的推薦值設(shè)置拉伸試驗(yàn)速率；試樣疊放烘烤，會(huì)降低烘烤硬化值，應(yīng)避免疊放；采用空氣和油兩種加熱介質(zhì)，測(cè)定結(jié)果沒有明顯差異，因此滿足標(biāo)準(zhǔn)精度規(guī)定的設(shè)備均可使用；試樣加熱溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值5 ℃，或試樣保溫時(shí)間偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值5 min，對(duì)BH值均有一定影響，測(cè)定時(shí)應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)；預(yù)拉伸應(yīng)變量偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.2%時(shí)略有影響，測(cè)定時(shí)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值設(shè)置應(yīng)變量，同時(shí)試驗(yàn)設(shè)備的精度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；筆者該次進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)，未考慮加熱設(shè)備的加熱速率，存在不足。