IF钢的动态烘烤硬化.pdf

年第期世界钢铁钢的动态烘烤硬化加拿大等摘要对两种动态应变时效强化方法进行了研究,以确定它们未来的工业应用潜力。这两种方法是指动态一静态烘烤硬化和动态烘烤硬化。为此,将含的钢加热到吠刃,并以的速度冷却到室温。然后,在一温度范围内,以,一应变速率拉伸一,并进行动态烘烤硬化处理。测定处理前后的拉伸性能。试验发现,在动态烘烤期间,动态应 变时效导致加工硬化率和最终强度显著增加。试验结果表明,对一定量的固溶碳来说,动态和然后静态时效的钢,比用常规方法烘烤硬化的钢具有更高的强度关键词钢强度动态烘烤硬化动态一静态烘烤硬化前言汽车工业追求的两个主要目标是降低车身重量和提高汽车安全性。为了实现这两 个目标,对汽车钢板而言,要求减薄厚度、提高强度和改善冲压成形性能,了。使用烘烤硬化高强度钢 是 能满足所有这些要求的一个重要解决方案。烘烤硬化胜可使钢 的屈服强度 提高约“一,个百分点即一“。通过拉伸试验测定静态常规 烘烤硬 化值的方法示 于 图使流变应力增加的烘烤硬 化目标值为一,需要的固溶碳 量约在一。一一“之,司。图用拉伸试验侧定烘烤硬化值的方法测量静态烘烤硬化值的实验步骤如下将试样在室温下拉伸应变试样在下保温试样在室温下进行拉伸试验。烘烤硬化值为烘烤处理后的下屈服强度减去预应变后的流变应力。预应变和而时效是使钢产生烘烤硬化的典型条件,但是有些研究人员也采用其它 的预应变量、烘烤温度和烘烤时间。固溶碳量的影响烘烤硬化钢必须要有一定最低量的固溶碳。有了这一间隙元素,才有可能使钢的强度增加“,静态应变时效导致烘烤硬化的实质是间隙原子在位错上偏聚。在应变时效初期,仅由于溶质气团的形成就完成了钢的强化陈”,。在气团形成 的同时,碳进一步偏聚到位错上,钢的强度增加来源于使位错与气团分离所需要的附加力“,”。钢中的固溶碳量过低,钢的烘烤硬化值也低。但过量的固溶碳则有可能导致钢的室温时效。对于获得足够的烘烤硬化效应所需要 的固溶碳量,有不同的报道、汇川和一卿。这 些在室温下的固溶碳量,可以通过低碳钢、超低碳钢和极低碳钢退火后以适当的冷却速度得到。对于氮,大多数烘烤硬化钢均含有足够的铝将固溶氮除去,而只靠碳来提供烘烤硬化性,。烘烤硬化钢可以用通常的罩式炉退火工艺生产,也可用连续退火工艺生产。罩式炉退火在罩式炉退火 的情况下,要求钢的含碳量非年第期常低。因为在这种钢 中成核 的位置很稀少,所以的析出受抑制。即使采用较低的冷却速率,仍然有一定数量的碳保持固溶状态,”,。这个工艺在本模拟试验中未作研究连续退火对于连续退 火,为了使钢 产生烘烤硬化,需要大约,”,高的退 火 温度。同时也要求以高的冷却速度从高的退火温度冷却下来,以使钢在室温下有足够的固溶碳存在。冷却速度通常从一、到。在本研究工作中,采用的冷却速度是。总一一或原子比越高,连续退火所需 的退火温度也越高反之亦然。同一退火温度下,或越低,烘烤硬化值越高川。动杰应奋时效与烘烤硬化的联系已经 发现在钢 中有动态 时效现象”,“,本研究工作的 目的是建立钢烘烤硬化和之间的联系。根据这种联系,提出了两种新的烘烤硬化的方法,即动态烘烤硬化和动态一静态烘烤硬 化。这两种 方法 与静态烘烤硬化相 比有优点,也有缺点。因此,也讨论了工业应用 的可能性。试验方法试验材料实验室试样取自带钢生产线上 的中间坯,钢板的厚度已经轧为约。轧制前,初始厚度为的板 坯 加热到,最后一 道粗轧 在温度进行。所 研 究 的钢的成分列于表。表给出了该试验材料所采用的一个工业轧制规范的例子。表试验用钢的化学成分哑拭厂十少,叉,田绝硬 哭万注是所有的结合成以后可以与结合的的量是形成和以后可以用于固定的的量是肠、和析出以后保持固溶状态的的量。表试验用钢板的工业轧制规范道次出口厚度,温度,道次间隔时间,巧价尺刁汀,、厂、,尹产图拉伸试样的几何尺寸拉伸试验在高温下做拉伸试验,首先制备端部带丝扣的标准试样气其纵向平行于轧向。试样尺寸如图所示。通 过 夹持试样用的带丝扣肩部,可清晰地观察到时效现象,如吕德斯带的扩展、锯齿形流变、流变应力增加和延性降低。试验前将所有试样用酒精清洗,以清除可能在高温下引起应力集中的污染物。拉伸试验在 由计算机控制的邓试验机上进行。安装在试验机框架上并用微处理器控制的钨灯辐射炉,把试样加热到所需要 的高温。个钨灯产生 的热由个椭圆形镜面铝反射器反射到放置试样的炉 子中心。试样以的速度加热,达到试验温度后保持,然后进 行试验。根型铬一铝热电偶焊于试样标距的中点,用于测量试样温度。试验表明,温度的偏差不超过士。为了确定沿试样标距温度分布是否均匀,有些试验在试样的肩部再焊根型铬一铝热电偶。结果发现这两根热电偶之间的温度变化在士以内。试样和夹头封在一根石英管里,管 内通氨气以尽量降低和高温试验时的氧世界铡铁化程度。用水冷却夹头拉杆以防止氧化。烘烤硬化方法所有试样 加 热 到并 保持,然 后以的速度冷却到室温,保证钢 中有足够的 固溶碳以产生烘烤硬化。接着在“”应变速率下进行拉伸试验。在选择再加热温度时,考虑 了下面的和乓 的溶度积。一拍了一 例如,对于本试验用钢,所得到的的溶解温度是。碳和氮在一中的溶解度可以用下面公式计算,洲一科罗一二一方 法根据这个新 方法,试样在、和分别预拉伸应 变、和即试样被“动态”烘烤硬化。在静止空气中冷却后,试样在室温 下进行拉伸试验。试验步骤示 于图。通过这样的拉伸试验,就可以得到烘烤前后的屈服强度,从而也可得到烘烤硬化值。烘烤后 的屈服强度通常用来评价材料的抗凹性“,。和,然 后在和巧在空气中、和在氨气中保温而。接着在室温下进行拉伸试验。这些步骤概括地示于图中。,法这是另一 个产生烘烤硬化的新方法。采用时,与一样,试样也在、和拉伸应 变、和,进行动态烘烤硬化。有 些 试验也 在下进行。和唯一的差别在于,在中试样还要进行而静态应变 时效这一步骤通常用 于模拟常规烘烤硬化。处理后 的试样在室温拉伸至断裂。由此看来,方法是和这两种方法的组合,如图所示。温度,应变,洲工乙任尸一工勺白”步骤高温下应变动态烘烤硬化步骤静态应变时效仅在法 中使用步骤室温 下拉伸试验图法步骤和和法步骤一的示意图注步骤和是两种方法共用的,而步骤仅用于法法这个方法是通常用于评价钢 的烘烤硬化能力的方法。试样先在室温预拉伸应变、结果为了计算用于烘烤硬化的固溶碳量,测定了钢板的时效指数,测得的平均值为。如参考文献巧研究指 出,它 对应 的固溶碳量大约 是。这样的固溶碳量能得 到的最大和最小烘烤硬化值分别为和。这就是说,对于给定量 的固溶碳,动态十静态时效处理的钢比用常规方法烘烤硬化的钢具有更高的烘烤硬化性。法应变和 温度对烘烤硬化引起的应力增加及处理后屈服强度 的影响示于图。图表示值随烘烤温度变化的趋势。大约在烘烤温度时,值达到最 大,这个温度值不因应变量大小而改变。就应变而言,在条件下,应变时 的烘烤硬 化或强度增 加 最大表。应 变前的屈服强度是。经处理后,在室温下重新测定屈 服强 度。如图所示,屈服强度随应变增加而提高,在较高的烘烤温度下趋于稳定。方法用这种方法处理以后,预应变和温度对烘烤硬化值和屈服强度的影响示于图。从图可以清楚看出,在值与预应变的关系曲线 中,当烘烤温度增高时,最大烘烤硬化值向低预应 变方向移动。这和先前 的研究结果一致区。在 中间温度和下,观察到个不同的现象预应变低时,烘烤硬化值随预应变增加而年第期一一一一口、,乙乙乙乙嵘头、卜、创创奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋奋扩扩扩扩一,一洲洲洲洲尸洲洲洲洲洲洲洲踌踌踌踌踌井一一一么么么纷纷产山阅爱、理工口增加预应变进一步增加时,烘烤硬化值随预应变增加而减小预应变更大 时,烘烤硬化趋于稳定或略有增加。这与其它研究人员的发现也完全符合。预应 变和,并分别在和烘烤,得 到最 大和最 小 的静态烘烤硬 化值和。洲洲洲洲尸尸、毖、巨巨巨巨产尸飞飞飞飞到到到不长长,泛豪豪卜亡亡亡亡亡亡亡亡亡亡赞赞少少少少二二二二夕夕夕少夕,卜答 竟竟口口口阿阿阿阿阿预应变,卜温度,【曰口月月月月巴巴口一,滋滋,气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气气二二石舀函闷闷户二,气气尸一一一一一一州州,一日日匕一飞飞妥妥一一一卜一一一,叹了叭叭,目一一叫叫叫叫叫月,马川受侧燃瞬赎绍懊二国的八介目兔恻吕尸尸州州二绍绍一一一一卜一一一一一一一一一一一一一二二二二二刁刁一,口户口口,【尸尸尸尸尸尸尸夕夕夕耳二尸口户户口口产声声声声声声声温度,图温度和应变对值的影响及后 的 室温屈服强度与温度的 关 系招兔侧麒爱懊名叹二口温度,图温度和应变对值的影响及后 的 室温屈服强度与温度的关系预应 变后进 行烘烤导致此后 的 屈服强度增加,最终趋于稳定。这一现象发生在和的温度区间内图,这又与先前的研究结果,一相吻合。应注意的是,应变前的初 始屈服强度大约是,这比在两种动态高温 应变情况下的初始屈服强度高出约。表、和的特性的比较特性低有有值吕德斯应变应变期间屈服下降随后室温试验中的屈服下降试验温度下的屈服强度加工硬化率屈服强度与抗拉强度之比高最大无尤高约一、明显约低入低低高最大无无很少约低局局壹简方法使用该方法后应变和温度对烘烤硬化值和室温下屈服强度的影响示 于 图。对前一种情况图,可观察到两种不同的现象。当后 面的静态时效温度高于动态应变温度和时,动态 时效的影响趋于消失。在这 种情况下,应变对烘烤硬化值的影响,几乎与在巧和下的相同。相反,静态时效温度低于动态应变温度时,烘烤硬化值随应变增加而减小分别在和下 预应 变和,得 到最大和最小的烘烤硬化值和。与方法中的情况一样,在进行处理之前,高温屈服强度基本 为不变,而时效处理后随应变量增加而提高,然后基本趋于一个平台。室温屈服强度趋于平 台的温度介于和之间,约在左右图。铁世界钢铁八八八月户乙口”兔只遏彩日尸尸尸产书书卜、声月月月卜洲洲卜义卜卜、洲尸尸扮,。“一一卜二刘刘卜碑碑、卜一二之之溉之司司、一声声阵阵一孺一一一一八八斤月月川兔八罕二国的预应变,工程应变十气卜反刁几尸八乃创乙,泪兔卜只侧瞬一洲洲洲洲叫叫曰吸 卜一长长长断断,、卜贻一,、口二二二二二二乙乙乙乙乙乙一一产产产产产产日、招孟龙卜划麟望遨宕嫂口沈温度,工程应变日八八八竹,曰乙户遥只遏聪尸图温度和应 变对值的影响及后室温屈服强度与温度的关系。、和的比较对本实验用钢的种烘烤硬化方法进行了 比较,结果示于 图一图。很明显,最高的值产生 于动态时 效试样即 用和的方法。高值使得加工硬化更 明显,并降低吕德斯应变、预应 变前的屈 服强度,但明显提高了烘烤后的屈服强度值。这些因素均有利于防止钢板的翘曲、起皱、缩颈和屈 服点延伸,而且烘烤后具有更高的抗凹能力。为避免冲压成形 中出现上述 缺陷,要求屈 服强度尽可能低、吕德斯应变几乎为零和加工硬化指数尽可能高。另外,烘烤硬化后的高屈 服强度得到高的抗凹性。从图一图中看出,所有这些性能都可以通 过动态 时效得到改善。总之,采用和方法,烘烤硬化产生的流变应力的增加要比用方法高得 多。例如,在预应变的情况下,和方法产生的烘烤硬化值,分别约是方法产生的烘烤硬化值的巧倍和倍。最小烘烤硬化值大 约是用方法,在下预应变,最大烘烤硬化值大约是二一。工程应变图、和下分别拉伸应 变后和值的比较、曲线仅供参考用方法,在下预 应变。一般来说,在情况下,得 到最低的烘烤硬化值,而在的情况下,当动态时效温度和巧低于此后的静态时效温度时,可观察到最高的烘烤硬化值。在其它情况中,方法呈现较高的烘烤硬化值。上述特性列于表以作比较。讨论预应变和温度的影响如图所示,当对本实验所用的钢进行处理时,观察到种不同的现象。预应变量年第期,二二知二日卜一钾叫砍匕”一一舒舒鉴一二今一,一一一一 一一一丁一一汗一一一八八汀二刁一乃几乙卫胜旧主卜只遏脚日八几,妇乙出兔卜只逻理日工程应变工程应变八八工乙乙,”兔叭只侧种日产合匕乙乙出兔叭只倒卿日工程应变工程应变亡亡夯斗一一群八匀工介,刁,乙月兔卜只翅理日仄乙乙司头卜只侧理日工程应变工程应变图、以和下分别拉伸应 变后和值的比较曲线仅供参考图、以和下分别拉伸应 变后和值的比较关曲线仅供参考低时,烘烤硬化值随应变量增加而增大,直至达到最大值。当预应变量进一步增加时,因碳浓度与位错的比值较小,烘烤硬化值减小。在第三阶段,烘烤硬化值略微增大或趋于平台。有些研究人员已经指出,一钢在第三阶段中烘烤硬化值的增大始于预应变。相反,另外一些研究人员叫在对低碳铝镇静钢研 究 中,也 没有 观察到预应变后烘烤硬化值明显增大,指出第三阶段趋于平台。这可能是预应 变后位错密度没有明显增加的缘故洲。本研究工作得到的结果大都与后一种情况相同,经预应变后位错 密度无明显增加。在和烘烤的情况下,情况 有所不同。在时,烘烤硬化值随预应变量增加而持续增大。在这较低的温度下,较高的预应变和较长 的 时效时 间产生最强的位 错 钉 扎 效 应。和为用极低碳钢进行试验,在相同的固溶碳量的情况 下,得到了类 似的结果。他们观察到,预应变、和试样的屈服强度和低温烘烤硬化值的增加取决于时效时间。为使预应变后屈服应力增加,当时效温度从降低 到时,得将 时效时间而增加倍。助”等人也 报道说,在加超低碳钢中,对于和的预应变,烘烤硬化值随时效温 度和时效 时间增加而持续增人低碳铝镇静钢预应变以后,即使在巧。铁世界例铁下时效,烘烤硬化值也未趋于稳定。卜洲附讼兔卜只创理日八八刁胜川主叭只侧卿日工程应变厂卜卜卜脚队尸朽八介八乙,妇,尸窝只侧卿日工程应变尸卜一户八,山月尸门乙乙”兔只逞泌日工程应变工程应变八介峭主氏只创翼日吓吓孰漏一一工程应变乙川鬼只侧裂日工程应变图下拉伸应变、和后和值的比较曲线仅供参考图、和下分另,拉伸应变后和值的比较关曲线又供参考对于屈服应力,也观察到了类似的现象,它在烘烤后除预应变,图达到屈 服应力平台。正如从后面的讨论中看到的,在停留一定时间后,时效机制开始转变为过 时效机制为此,屈服点在此 温度趋于平台图。此外,在附近或高于的情况下,过时效更加明显,导致屈服强度下降。在情况下,由于过程 的复杂性,室温屈服强度在一定程度上有所改变。总之,类 似于方法产生的现象,在中同样被观察到图。关于方法,在约以时得到最大的烘烤硬化值。在此温度下,预应变时得到最大的烘烤硬化值图。这与等人“的发现相一致。在研究对低碳钢力学性能影响的时候,他们报道说,在下约预应变时得到了最高的强度。在方法 中,观察到两种不同的现象图。对和巧下的预 应变,结果与前面提到的方法得到 的结果相类似。在这种情况下,由于时效温度高于预应变温度和巧。,产生 的结构被改变了。第二 种情况中,时效温度低于预应变温度和年第期,较高的应 变温度可能导致 由于沉淀物聚合造成 的过时效。对 这个 问题 在参考文献、和至中有详细的讨论。应变速率的影响上述试验都是在一一应变速率下进行的。但是,用本文介绍 的方法在工厂进行成形操作时,更高的速率例如,一才有意义。为此,也在一一、一一和一一的应变 速率下进行了试验。所得结果例示于图。在一一应 变速率下最容易观察到明显的效应,包括比室温下更高的加工硬化指数和高温试验条件下没有屈服点的下降。另外种钢可得到类似的结果卜一一一书一州从卜卜卜护创产产不子犷二书奋局丫帐帐【厂厂声争争望望面面渗卜伙、厂厂不不刀刀万万理理盯尸粉冲冲一味味门门门门厅厅口口日日飞抓抓、下下下口口。二二 弓彭彭,子子瓜瓜皿皿二二二二二二二二二二二二二二二二二二二回回回团团凹凹凹凹凹凹告告闺闺到到护护护护护护护护护勺勺勺勺勺勺八八介。口伟乙目会只侧理日工程应变声扮、沪沪产产尸一翻,侧侧旨乏尸甲浴浴浴尸尸尸尸竺二二二 月州找价价户矛人权习了了了产产厂厂万万刀刀尸尸一一一厂厂门门叮叮门门厂厂门门曰曰旧旧丫鬓鬓曰曰曰呈 到到到鑫一一。洲洲髻毯一一一一一一一一一一一一一回回回回回回回回回回回回况况八八八八一匕,山门受卜只逞黔日丁程应变衬洲弋、尸尸卜一甲琪毕架广、洛一弓、尸尸红 夕声杯义义人沪卜日百百,义又曰曰曰义脚脚脚厂厂口口口踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢踢启启启启受三三下进行试验,把此处观察到的现象推广到一或更高的应变速率的情况似乎是合理的。和方法工业应用的可能性为了避免冲压成形产生表面缺陷,钢板应有低的屈服强度和高的加工硬化指数。如果比较两种具有不同屈 服强度和加工硬化指数的钢,则屈服强度低、加工硬化指数高的钢,其冲压成形后的质量较好。另外,人们也希望成形过程中几乎不要出现屈服点延伸,成形后零件有较高的屈服强度了。本研究工作中用各种 烘烤方 法增加屈服强度,其目的 是想得到最小 为或。的屈服强度艺洲。应 注 意的是,这 样的屈服强度也可用 固溶强化或用较高的冷却速度提高固溶碳量的方法获得,当然后一种方法不能用于仅有固溶 碳的常 规钢。例 如,在 含和的一钢中,屈 服强度可达到晰。当合金元素增加到、和时,屈 服 强度提高到。相反,通常的一钢,从以的 速度 冷却,得到的 屈 服 强度 是。将方法 用于表所示 的钢,在下 应变,得 到的 屈服强度 大约 是。对另外种钢也作了研究,得 到了相似的结果“,。为节约篇幅,此处不再赘述。通过对和方法的研究可以看到,前面讨论的所有 要求都可以用这 些 方法 得 到满足。而且,由于它们不会产生任何屈服点延伸,成形前不需要进行平整。助和,引进了一个新 的加工硬化速率判据,即屈服强度和最终拉伸强度巧的差。当成形在高温下进 行,这个值就高,与在和中一样。当然,高的加工硬化指数也与好的成形质量密切相关“,叫。关于温成形,和勘叮发 明了一个可用于此目的的装置例如 用于汽车结构件的温冲压。这个装置的示意 图如图所示。他们的目的是研究高至的成形温度对有残余奥氏体存在的钢的力学性能的影 响。其操作类似于带有控制成形速度设备的压缩试验机。冲压机中使用了石墨悬浮 型润滑剂。但是,仅对中等尺寸的杯形试样进行了冲压成形试验。一只产心刁七山,范受只创澎日工程应变图不同温度和应 变速率下拉伸试样的应力 应 变曲线一。一”一“一一犷容易产生 图中的锯齿现象的最小应变速率,可用下面的式子表示二护一口 式中为气体常数,是绝对温 度。这样,即使由于受到试验设备的限制,未在高应变速率世界铡铁火火火火火火氰氰丫丫。性性性图温冲压成形装置与相比较,还有另外一个优点,也就是省去了一道工序,即常规烘烤硬化预应变。另一方面,假如有可能在成形前涂漆或烘烤漆即在成形前的保温期间,那么就可采用这“一步”工序。显然,这一点还有待进一步研究。关于工业 应用,将钢加热到一定温度,例如所需的热量是口。口假如从的价格为美元,加热费用 为美元。经比较发现,节省合金处理所产生的费用是相当可观的。例 如,冶炼含的钢,每即每需花费约美元总费用为美元。这 就 是说,强化可以成为一个替代合金元素强化的具有吸引力的经济方法。同样的结论也适用于添加、或的钢。下,和方法产生的烘烤硬化值分别是方法的倍和倍。最小的烘烤硬化值大约是室温 预应 变后 用方法在下静态时效。一般来说,最低的烘烤硬化值是用得到 的。反之,当动态时效的温度或低于此后的静态 时效温度,方法得到最高的烘烤硬化值。在其它情况下,方法得到最高的烘烤硬化值。在和方法 的情况 下,高温应变期间无吕德斯应变,也没有明显的屈服点和屈服强度下降。用和方 法,高温预应 变 期 间屈服应力大 约比用方法 的室温屈服应力低。在和方法 中,由于动态应 变时效,加工硬化指数远高于方法中的加工硬化指数。而在室 温下应 变 时,加工硬化指数要低得多。因此,在和方法中,高温变形后 的屈服强度要高得多。随高温变形量的增加,室温屈服强度与抗拉强度之比也增加,采用方法时在某些情况下可达到。虽然采用方法后,室温应变时很少观察到明显 的屈服点和 吕德斯应变,但采用方法,室温应变时的屈服点和 吕德斯应变较为明显。在加的钢中,仅的固溶碳用方 法,在下应 变可得 到大 约的烘烤硬化值。用种方法产生的屈服强度,在 大 约下应变或烘烤后均达到最大值。高于这个温度,似乎就发生 了过时效,造成屈服应力下降。结论本文介绍了两种烘烤硬化的方法,即动态烘烤硬化和动态一静态烘烤硬 化。它们有如下特点和比常规方法有更高的烘烤硬化能力。例如,在应变的情况袁明生程国平参考文献略译 自认巧,刃,一校