基于某車型A柱下豎板的材料解析

王立輝，董伊康，張 青，劉天武，曹宏瑋，楊 婷，谷輝格

（河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050023）

0 引言

隨著汽車品牌不斷迭代升級，產(chǎn)品更新速度加快，采用對標(biāo)解析來評估和掌握汽車零件材料技術(shù)發(fā)展趨勢成為各大汽車主機(jī)廠的主要手段。依托于材料解析手段獲取材料信息和性能數(shù)據(jù)，可為整車新工藝、新材料及輕量化的研究提供強(qiáng)大數(shù)據(jù)支撐，為新車型的正向設(shè)計提供專業(yè)的技術(shù)支持，降低產(chǎn)品的研發(fā)周期及成本。伴隨著環(huán)保、安全與節(jié)能減排等法律法規(guī)的實施，使得先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）獲得了快速發(fā)展，在汽車工業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用，以減輕車身重量、降低油耗和減少二氧化碳排放[1-3]。在汽車白車身輕量化設(shè)計中，鋼鐵材料，尤其是一些先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼仍然會占主導(dǎo)，合適的鋼材用在合適的位置，可以實現(xiàn)白車身的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能的良好結(jié)合，做到經(jīng)濟(jì)性、可獲得性等優(yōu)勢[4]。各個汽車車型A、B柱、保險杠等零部件主流選材為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，一般會選用熱成形鋼、雙相鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼、馬氏體鋼等。汽車生產(chǎn)企業(yè)一般采用正向設(shè)計與選材和逆向設(shè)計與選材，而合適的選材對于實現(xiàn)車型輕量化至關(guān)重要。材料逆向解析與材料測試不同，由于材料未知，也缺少明確的判定標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)則，需要從多方面、多角度進(jìn)行綜合分析以便準(zhǔn)確地確定材料牌號。

本文針對某車型A 柱下豎板零件，重點從材料成分、組織和性能等維度綜合逆向解析并判定材料牌號，旨在了解該車型A 柱下豎板的材料選擇，為后續(xù)車型設(shè)計和同步工程開發(fā)提供參考，也為鋼鐵企業(yè)高強(qiáng)度雙相鋼的產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗材料和檢測方法

實驗材料選擇厚度為1mm 的某車型A 柱下豎板。取樣過程中綜合考慮了取樣位置、取樣方法和尺寸大小的影響，構(gòu)建了化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織和顯微硬度等測試方式的取樣、制樣與規(guī)范。本次A柱下豎板試驗樣件如圖1所示。

圖1 A柱下豎板試驗樣件

1.1 力學(xué)性能分析

拉伸試樣的取樣及制樣選取平直度較好位置進(jìn)行，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》，在試驗樣件上加工出標(biāo)距為A50mm的拉伸試樣。加工好的拉伸試樣在Zwick/Roell 100kN電子拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行單向拉伸試驗，采用應(yīng)變速率控制模式，應(yīng)變速率為0.00025/s，利用試驗機(jī)配置的全自動引伸計測定應(yīng)變。

1.2 金相分析

金相試樣的制備滿足GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》的相關(guān)要求，試樣經(jīng)切割、鑲嵌、磨制、拋光和4%的硝酸酒精溶液腐蝕，硝酸酒精溶液腐蝕時間為4s～5s，然后在Imager.M2m 型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。

1.3 顯微硬度分析

硬度測試試樣直接選用金相試樣，依據(jù)GB/T 4342-1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》進(jìn)行，采用Tukon2500 Minuteman 型顯微維氏硬度計測顯微硬度，載荷為9.8N，保載時間為15s，隨機(jī)測3 個點并取平均值。

1.4 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分采用ARL4460火花直讀光譜儀，依據(jù)GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進(jìn)行測試。測試前需要先在零件上取規(guī)格為1.0mm×30mm×30mm 試驗樣，將表面打磨除掉漆膜，然后用砂紙打磨光亮。

2 分析結(jié)果與討論

2.1 材料牌號確定流程及原則

通過以上分析方法得到的測試數(shù)據(jù)需要綜合考慮原材料與零部件成形性及加工方式的匹配性，保證成分-組織-性能的對應(yīng)性及合理性。本次對標(biāo)的車型是進(jìn)口車型，通過查閱不同國家的材料標(biāo)準(zhǔn)可以看出，不同的材料體系中常規(guī)力學(xué)性能相差不大，但是成分體系有明顯差異；另外對于相同的類別，不同的牌號其性能通常沒有明確的界限，并且存在一定范圍的交叉。其次，原材料加工成零部件的過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的塑性變形，由加工引起的性能改變也需要綜合考慮。因此進(jìn)行材料的逆向解析確定牌號時，可按照如下流程操作：

（1）進(jìn)行零部件形狀的觀察，分析其成形工藝路徑，依據(jù)零部件在整車中的位置及作用工況，定性地確認(rèn)常用材料品種及級別。

（2）結(jié)合可取樣位置及大小，按照拉伸性能、金相組織、化學(xué)成分等性能綜合分析及判定。原則上拉伸性能是材料判定最直觀的要素，盡可能優(yōu)先判定材料等級作為牌號劃分的基礎(chǔ)，其次金相組織能夠初步判定材料種類，在明確材料種類的基礎(chǔ)上根據(jù)化學(xué)成分分析其成分體系對材料組織、性能的影響。

2.2 力學(xué)性能

在零件上取樣測試力學(xué)性能結(jié)果如表1所示。因是在成形后的零件上取樣測試，試驗材料因受沖壓變形的影響，相較沖壓前的原板屈服強(qiáng)度會略有增加、延伸率會有所降低，抗拉強(qiáng)度不會變化。因此，以抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)，輔以屈服強(qiáng)度和延伸率作為參考，根據(jù)力學(xué)性能測試結(jié)果，該材料符合HC550/980DP、HC650/980DP 雙相鋼和HC600/980QP 淬火配分鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 試驗鋼的力學(xué)性能

試驗樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出，該試驗樣拉伸過程中呈現(xiàn)連續(xù)屈服狀態(tài)，表現(xiàn)出雙相鋼和淬火配分鋼連續(xù)屈服的典型力學(xué)特征。

圖2 試驗鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 微觀組織和顯微硬度

試驗樣的金相觀察結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，試驗樣的微觀組織為細(xì)小均勻的鐵素體和馬氏體，馬氏體分布于鐵素體基體中，部分在橫向呈帶狀，說明金相觀察的是鋼板的縱截面，并且顯示了試驗樣金相組織具有拉伸變形的典型特征。雙相鋼是由硬質(zhì)馬氏體和軟相鐵素體組成，其中馬氏體主要起強(qiáng)化作用，鐵素體提供塑性[5]，試驗樣的微觀組織符合雙相鋼的金相組織特征。而試驗樣并未出現(xiàn)以馬氏體為主以殘余奧氏體為輔的Q&P鋼的典型組織特征，為此，結(jié)合前述力學(xué)性能測試結(jié)果，可以排除該零部件為HC600/980QP淬火配分鋼材料。

圖3 試驗鋼的金相組織×500

取金相樣測試顯微硬度值為304HV10，硬度實驗結(jié)果表明，與抗拉強(qiáng)度980MPa相對應(yīng)，這進(jìn)一步表明該材料為抗拉強(qiáng)度980MPa 級的雙相鋼。雙相鋼的力學(xué)性能不僅僅由其中的鐵素體和馬氏體含量決定，同時也由馬氏體的分布所決定[6]。此次試驗鋼馬氏體呈大小均勻的島狀分布于鐵素體基體中，這很有利于保證材料在沖壓成形過程中保持良好的拉延性，避免了超高強(qiáng)度鋼沖壓開裂現(xiàn)象。

2.4 化學(xué)成分

對于雙相鋼的成分體系，各個鋼鐵企業(yè)雙相鋼成分體系不一致，基本上在碳錳鋼的基礎(chǔ)上，添加Cr 和Mo 元素提高淬透性，采用不同的Si、Mn 及微合金元素Nb、Ti 等固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。試驗鋼化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，低碳鋼中添加了淬透性元素Cr和Mo，另外鋼中輔以細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化元素Nb 和Ti，根據(jù)化學(xué)成分體系結(jié)合力學(xué)性能以及微觀組織和厚度規(guī)格，可以推斷該零件材料為HC650/980DP冷軋雙相鋼。

表2 試驗鋼化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）wt%

采用高強(qiáng)度鋼板不但可以實現(xiàn)汽車的輕量化，同時還能提高汽車的被動安全性，因此先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板在汽車上的使用日益增多，尤其是雙相鋼[7]。雙相鋼由鐵素體和馬氏體組成，以相變強(qiáng)化為基礎(chǔ)，具有低屈強(qiáng)比、高的初始加工硬化速率[8-9]以及良好的塑性、強(qiáng)度和烤漆性能[10]等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車的A 柱、B 柱及其輔助零部件。汽車A 柱總成材料質(zhì)量對于整車安全性能非常重要，因此具有符合技術(shù)要求的A 柱下豎板選材是關(guān)鍵，本此零件的解析流程及原則可供同業(yè)者參考。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了汽車A 柱下豎板試驗樣鋼種牌號的確定流程及原則，根據(jù)試驗樣化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織和顯微硬度等測試數(shù)據(jù)結(jié)果，對該試驗樣鋼種的牌號進(jìn)行了研究，在綜合分析后確定了該試驗樣鋼種的牌號。

（1）力學(xué)性能結(jié)果表明，試驗鋼符合HC550/980DP、HC650/980DP 雙相鋼和HC600/980QP 淬火配分鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征也符合以上牌號級別材料。

（2）金相組織結(jié)果表明，試驗鋼由鐵素體和馬氏體組成，顯微硬度測試結(jié)果顯示硬度為304HV10，表明該材料為抗拉強(qiáng)度980MPa級的雙相鋼。

（3）化學(xué)成分結(jié)合力學(xué)性能和金相組織分析結(jié)果表明，試驗鋼為鉻鉬系HC650/980DP雙相鋼。