汽車用220MPa級超低碳烘烤硬化鋼耐時效性能研究

中圖分類號：TG142 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250088

Abstract：Taking 22O MPa grade ultra-low carbon bake-hardening stels as the research object，this paper compares and aralyzes test steel with Nb single-addition （H220BD-1） and Nb+Ti dual-addition （H22OBD-2） systems. Through solid solutioncarbon calculationsand internal friction methoddetermination，the paper explores the influence of solidsolution carbon onaging behavior underdiferent compositionsystems，andcombines with microstructuregriain sizecharacterization to elucidate the correlation mechanism between grain dimensions and Bake-Hardening （BH） value with aging resistance.Results demonstrate that Ti adition significantly reduces solid solution carbon content， efectivelysuppressing dynamiccarbon segregation during aging.Thedual-addition system achieves grainrefinement， enhancing strength via Hall-Petch effect while improving aging stability.

Keywords：Bake-hardeningsteels，Solid solutioncarbon，Agingresistance，Grainrefinement

1前言

超低碳烘烤硬化鋼板（UCL-BH）是車身覆蓋件的理想材料，因具有優異的沖壓成形性能、良好的塑性、抗凹陷性能及抗沖擊性能等，可以很好地解決汽車面板成形性能與抗凹陷性能間的矛盾，其是在超低碳IF鋼的成分基礎上通過加入Ti、Nb、V等穩定化元素，使鋼中的絕大部分C、N原子被固定成碳氮化物，以獲得較好的深沖性能[1-4]，后經退火工藝使得基體內殘留一定數量的固溶C原子，沖壓鋼板在經過烤漆處理后，獲得性能的提升，從而提高了汽車的抗凹陷性能。

國內外BH鋼產品均存在不同程度的時效問題，如何在保證烘烤硬化特性的同時，保證鋼板的耐時效性，是當前的行業難題，BH鋼主要成分體系包括Ti體系、Nb體系及 Nb+Ti 雙加體系，均存在不同程度的性能波動，核心在于鋼中固溶C的穩定化控制，研究鋼中固溶C與烘烤硬化特性及耐時效性能的對應關系[4-5]，通過合理的成分設計及工藝控制，實現鋼中固溶C的穩定化控制，是解決當前問題的關鍵。

本文通過成分體系對比、微觀組織分析及性能評價，分析 220MPa 級烘烤硬化鋼耐時效性能及烘烤硬化性能的影響機理，為后續優化烘烤硬化鋼成分設計及解決時效問題提供理論依據，支撐具有良好加工性能和使用性能的耐時效超低碳熱鍍鋅烘烤硬化鋼板的開發。

2 試驗料與方法

試驗所用的材料為工業化生產的熱鍍鋅烘烤硬化鋼板H220BD，選取的試驗鋼采用Nb體系及ΔNb+Ti 雙加體系，H220BD-1及H220BD-2成分如表1所示，其他相關的強化元素成分一致，表中未列出。

對2個試驗鋼采用相同的退火工藝，在熱鍍鋅產線上進行退火試驗，其中退火溫度為820°C ，具體工藝如圖1所示，后續采用固溶碳檢測儀，通過內耗法（Snoek峰分析）定量表征試驗鋼中固溶碳含量。同時對試樣進行時效性能及BH值測定，將試樣在 100° 下分別時效 ^0h 、24h.168h ，測試屈服強度變化用于表征時效性能，對拉伸試樣進行預應變 2% 后，在 170^°C 下烘烤 20min ，計算烘烤硬化增量，烘烤硬化值為試樣經過保溫處理后的下屈服強度或者非比例延伸 0.2% 對應的屈服強度與烘烤前同一試樣2% 預應變對應的屈服強度的差值，用BH值表示。最后通過光學顯微鏡和掃描電鏡觀察試驗鋼H220BD-1及H220BD-2的組織差異性，通過晶粒尺寸和晶粒的均勻性探索成分、組織及性能的關聯性。

圖1試驗鋼H220BD退火工藝制度

3試驗結果與討論

3.1固溶碳對時效行為的影響

鋼中固溶碳含量與鋼的成分密切相關，通過鋼中C、N、Nb、Ti的含量及各元素間反應的優先級，考慮到氮化物和碳化物的析出順序，按照如下方式進行鋼中固溶碳的核算[5]：

a.Ti/N原子比 ?1 時， 主要與Ti、Al結合，C主要與 Nb 結合：

式中： W（C）_unstabilized 為鋼中固溶碳含量理論計算值， W（C）_tatal 為鋼中碳含量， 為鋼中 Nb 元素碳含量。

b.Ti/N原子比 gt;1 時， N 主要與Ti結合，C與Ti、 Nb 結合：

式中： W（Ti） 為鋼中Ti元素碳含量， W（N） 為鋼中N元素碳含量。

以上計算過程，可通過化學成分對鋼中固溶碳含量進行初步估計，但實際上鋼中固溶碳含量還與熱軋、冷軋及退火工藝緊密相關，涉及鋼中碳化物的析出及回溶，因此可通過固溶碳檢測儀對鋼中晶內固溶碳進行檢測，理論計算及實際檢測結果如表2所示。

表2試驗材料中的固溶碳含量（質量分數） ×10-

同時對試樣進行時效性能檢測，將試樣在100° 下分別時效 0h，24h，168h 后，檢測屈服強度的變化，試驗結果如表3所示。

結果顯示，H220BD-1的固溶碳含量理論計算結果為 13×10^-6 ，內耗法檢測晶內固溶碳含量約為9×10^-6 ，而H220BD-2因Ti的碳化物形成作用使晶內固溶碳含量降至 5.5×10^-6 。時效過程中，H220BD-1屈服強度增幅達 35MPa（168h） ，顯著高于H220BD-2的 18MPa 。在H220BD-1（Nb體系）中，由于只有Nb的存在，碳原子更傾向于與 Nb 結合形成細小的NbC析出相。這些析出相在時效過程中逐漸形成，釘扎位錯，從而提高屈服強度。此外，較高的固溶碳含量（ 13×10^-6 ）可能提供了更多的碳原子參與析出，增強時效強化效果。在H220BD-2（ Nb+Ti 體系）中，Ti的加入改變了碳的分配。Ti與C的結合能力可能比Nb更強，因此會優先形成TiC析出相。然而，TiC的形成消耗了一部分碳原子，導致可用于NbC析出的碳減少。以上分析表明，鋼中Ti的添加通過固定殘余碳原子有效降低了鋼中固溶碳含量，抑制了時效初期碳-位錯交互作用，從而延緩強度波動，提高了材料的耐時效性能。

同時，鋼中固溶碳含量與鋼的成分及微觀結構密切相關。除Nb、Ti對碳的固定作用外，晶粒細化導致的晶界密度增加亦顯著影響C、N原子的擴散與偏聚行為。研究表明，晶界作為高能區域，易成為間隙原子（如C、N）的偏聚場所H220BD-2中因Nb、Ti的添加，會實現晶粒細化，導致晶界面積增加，為C、N提供了更多偏聚位點。晶界偏聚的C、N原子可與Ti、Nb結合形成穩定的碳氮化物（如TiC、NbC、TiN），從而降低晶內固溶碳含量。此外，晶界偏聚的C原子在時效初期可能優先參與晶界附近析出相的形核，抑制晶內碳原子向位錯線的擴散，延緩動態應變時效（Dynamic StrainAging，DSA）進程[7]。這一機制進一步解釋了H220BD-2中固溶碳含量降低 （5.5×10^-6） 0但時效強度增幅較?。?18MPa 的原因：晶界偏聚不僅減少晶內固溶碳，還通過局域析出消耗部分碳原子，削弱了碳-位錯交互作用的時效強化潛力。

3.2晶粒尺寸與成分體系的關聯性

對基板的顯微組織進行觀察，顯微組織照片（ ×200 倍）如圖2所示，試驗鋼H220BD-1的晶粒尺寸約為 22μm ，而H220BD-2通過 Nb+Ti 雙加的成分體系，有效實現了晶粒細化，晶粒尺寸約為 16μm Nb和Ti在鋼中優先與C、N結合，形成穩定的納來級碳氮化物（如NbC、TiC、TiN等）8]。這些析出物在高溫奧氏體化過程中（如連鑄或熱軋加熱階段）仍能保持穩定性。同時，析出的碳氮化物顆粒（尤其是TiN）在奧氏體晶界處形成物理障礙，通過Zener釘扎機制阻礙晶界遷移，從而有效抑制奧氏體晶粒的粗化，奧氏體晶界處的碳氮化物（如NbC）可作為鐵素體形核的有效位置，增加形核密度，細化鐵素體晶粒，最終使退火后的基體晶粒尺寸發生了明顯細化。

對試驗鋼進行背向散射電子衍射（ElectronBackScatterDiffraction，EBSD）微觀分析，進一步統計晶粒尺寸的分布情況，如圖3所示，可見H220BD-2實現了整體晶粒尺寸細化的同時，均勻性也明顯提高，有效改善了晶粒異常長大的情況。Nb和Ti的添加通過形成多尺度、高穩定性的析出相，在高溫至低溫的不同階段持續抑制晶界遷移，同時與控軋控冷工藝協同，促進高密度均勻形核并限制晶粒生長速率差異，最終實現晶粒細化與均勻性的雙重提升，這種機制對烘烤硬化鋼的強度、韌性及成形性能優化具有重要意義

（a）試驗鋼H220BD-1微觀組織

（b）試驗鋼H220BD-2微觀組織

圖2試驗鋼微觀組織

（a）試驗鋼H220BD-1EBSD結果

（b）試驗鋼H220BD-1EBSD結果統計

（c）試驗鋼H220BD-2EBSD結果

圖3試驗鋼EBSD結果

3.3 時效性能優化機制

烘烤硬化鋼性能的關鍵在于烘烤硬化特性與耐時效性能的兼顧，對上述試驗鋼H220BD-1及H220BD-2選取3個不同位置的試樣，進行預應變2% 后，在 170^°C 下烘烤 20min ，測量BH值[]，結果如表4所示，同時結合表3中的耐時效性能，分析2種不同的成分體系下BH值及耐時效性能的優化機制。

結果顯示，試驗鋼H220BD-2因 Nb+Ti 的添加，導致鋼中的固溶碳含量降低，但BH值未明顯下降。Nb和Ti的復合添加顯著細化了鋼的晶粒尺寸[。Nb和Ti作為強碳氮化物形成元素，在熱軋或退火過程中通過抑制奧氏體晶界遷移，顯著細化最終鐵素體晶粒尺寸[1]。根據Hall-Petch關系，晶粒尺寸的減小直接提升材料屈服強度，H220BD-2中晶粒細化帶來的強度增益部分抵消了因固溶碳減少導致的時效強化潛力損失。此外，細晶材料在預應變（ 2% 時，由于晶界對位錯運動的阻礙作用更為顯著，位錯在晶界附近堆積密度更高，導致位錯增殖速率加快[2]。高密度位錯網絡不僅為烘烤過程中碳原子擴散提供了更多通道，還通過“位錯-碳原子\"交互作用形成更均勻的Cottrell氣團。這種形變強化效應與析出強化的協同作用，使得H220BD-2在固溶碳較低 （5.5×10^-6 ）時仍能維持較高BH值，細化晶粒導致的位錯密度提升可能部分抵消因固溶碳減少造成的時效強化損失，從而實現強度與耐時效性的平衡[13-14]H220BD-2中Nb與Ti的復合添加通過“細晶強化-位錯調控-析出相協同”的多級機制，在固溶碳含量降低的條件下仍維持了高BH值與強度。這一設計策略突破了單一析出強化路徑的局限性，為兼顧高成形性、耐時效性及烘烤硬化的烘烤硬化鋼開發提供了理論依據。

4結論

（20 a.Nb+Ti 雙加體系通過TiC析出固定碳原子，降低固溶碳含量，同時晶粒細化誘導的C、N晶界偏聚進一步抑制時效強度波動。b.雙加體系細化晶粒至 16μm ，可有效實現晶粒細化，并改善晶粒均勻性，通過Hall-Petch效應保證BH值，同時晶界密度增加延緩碳擴散，改善耐時效性能。c.綜合調控固溶碳與晶粒尺寸是優化烘烤硬化鋼時效穩定性的有效途徑，可通過“細晶強化-位錯調控-析出相協同\"的多級機制實現烘烤硬化特性及耐時效性能的均衡。

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