GB/T 24174—2009中鋼烘烤硬化值測定方法的修訂及解讀

田慧玲, 徐惟誠

(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間后其屈服強度會升高，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得到，烘烤硬化值試驗原理示意圖見圖1。其中：Rp0.2,t為試樣經(jīng)2.0%應(yīng)變并烘烤后,對應(yīng)塑性應(yīng)變?yōu)?.2%時的應(yīng)力(無明顯屈服時);ReL,t為試樣經(jīng)2.0%應(yīng)變并烘烤后測定的下屈服強度，Rt2.0為試樣變形至總應(yīng)變2.0%時的應(yīng)力。

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

各國標(biāo)準(zhǔn)對計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，用第二次拉伸測得的下屈服強度ReL減去第一次拉伸測得的屈服強度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、保溫時間，但計算BH2值時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得的下屈服強度ReL。在JIS G 3135：2018Cold-ReducedHighStrengthSteelSheetandStripwithImprovedFormabilityforAutomobileUses附錄A中，計算BH2值時第二次拉伸的屈服類型則改成了上屈服ReH。

對于烘烤溫度和保溫時間，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含磷和烘烤硬化鋼》制定了一種不需要提前進行預(yù)拉伸應(yīng)變的BH值測定方法。

GB/T 24174-2009自實施以來，對國內(nèi)鋼鐵行業(yè)汽車板烘烤硬化值的測定起到了積極的指導(dǎo)作用。但近年來，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定方法，因此有必要結(jié)合國外先進標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進行修訂，以適應(yīng)新形勢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，并對新增的4種烘烤硬化值測定方法提出的目的和主要技術(shù)內(nèi)容的變化做了介紹，同時給出了相關(guān)驗證試驗結(jié)果，分析了不同試樣型號、拉伸試驗速率、烘烤條件(放置方式、加熱設(shè)備)、烘烤溫度、保溫時間和預(yù)拉伸應(yīng)變量設(shè)置偏差等對烘烤硬化值測定結(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)定的屈服強度計算類型外，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算烘烤硬化值的測定方法。增加的測定方法有：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計算烘烤硬化值(BH2P)。

(2) 明確了試樣類型編號。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》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)的特點以及ISO，ASTM，JIS拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)常用的試樣類型(試樣編號)，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。對于P7試樣，結(jié)合ISO和JIS標(biāo)準(zhǔn)，提出了其平行長度可適當(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。由于烘烤保溫時間僅20 min，為避免試樣因疊放而影響測定結(jié)果，提出烘烤時，試樣不應(yīng)疊放，應(yīng)單個放置在擱架上。

(4) 增加了測定上屈服強度的推薦拉伸試驗速率。給出了測定上屈服強度ReH時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度)。

2 試驗材料及試驗設(shè)備

2.1 試樣制備

試驗選用符合GB/T 228.1-2010中附錄B要求的試樣，用于測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

選取不同屈服等級的兩類性能穩(wěn)定的烘烤硬化鋼180BH鋼(抗拉強度大于等于300 MPa)和340BH鋼(抗拉強度大于等于340 MPa)，分別編號為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 試驗設(shè)備

試驗采用Zwick Z100型全自動拉伸試驗機(1級精度),縱向引伸計采用接觸式引伸計(1級精度),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 ℃，溫度測量裝置的分辨力為1 ℃，加熱介質(zhì)為硅油。

3 烘烤硬化值測定試驗的影響因素

3.1 試樣類型

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

表2 1號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

對于不同的烘烤硬化值測定方法，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種測定方法增加了與ASTM，JIS，EN等烘烤硬化值測定方法的對接，提供了更多的評價手段，可用于研究鋼板材料的BH值參數(shù)。

3.2 測定上屈服強度ReH時的拉伸試驗速率

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂拉伸試驗速率仍推薦采用橫梁位移速率。對于新增的烘烤硬化值BH2H值測定方法，需用到上屈服強度參與BH值的計算。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)定的測定上屈服強度的速率，為兼容不同標(biāo)準(zhǔn)，提高不同標(biāo)準(zhǔn)間測定BH2H值的可比性，增加了測定上屈服強度的橫梁位移速率推薦值2.5%Lc·min-1。筆者取試驗速率為1.5%，2.5%，3.5%，5%Lc·min-1，在每個試驗速率下對3根平行試樣分別測定烘烤硬化值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，該試驗中不同的橫梁位移速率獲得的上屈服強度ReH不同，上屈服強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，上屈服強度ReH結(jié)果差異增大。由于BH2H值測定方法是通過上屈服強度ReH計算BH2H值，故速率上升導(dǎo)致的上屈服強度升高也明顯影響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，BH2H值的平均值顯著升高，同時極差顯著增加?？梢姍M梁位移速率的變化對上屈服強度測定結(jié)果產(chǎn)生影響，進而影響B(tài)H2H值的測定結(jié)果。

3.3 烘烤時的試樣放置

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂對烘烤時的試樣放置方式給出了建議，要求試樣不應(yīng)疊放，宜單個放置在擱架上。分散放置定義為試樣等間隔放置在試樣擱架上，烘烤時加熱介質(zhì)能無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，烘烤時加熱介質(zhì)不容易接觸每根試樣表面。為此設(shè)計了分散和重疊兩種試樣放置方式進行試驗。

按照以上兩種放置方式利用烘烤爐進行烘烤硬化值測定試驗，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質(zhì)是熱對流的過程，以空氣為流動介質(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，空氣在試樣間形成良好的對流，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流，且試樣疊放造成導(dǎo)熱體厚度增加，進一步影響熱對流。由測定結(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，測定BH值時應(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)中未對加熱設(shè)備的類型和相應(yīng)的加熱介質(zhì)進行規(guī)定，業(yè)內(nèi)常用的加熱介質(zhì)為空氣和油?，F(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進行試驗，選擇具有代表性的BH2值和BH2H測定方法進行試驗，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)測得的BH2值和BH2H值結(jié)果一致性均很好，兩種測定方法的t檢驗結(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 烘烤溫度和保溫時間

烘烤硬化測定時烘烤溫度和保溫時間對烘烤硬化效果有很大的影響，隨烘烤溫度的升高和保溫時間的延長，BH值會增大[1]。有文獻[2]表明，在一定烘烤溫度下，剛開始烘烤的時間延長則烘烤硬化值(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間為基準(zhǔn)，討論烘烤溫度和保溫時間偏差對BH值的影響，烘烤溫度設(shè)置為165，170，175 ℃，保溫時間設(shè)置為15，20，25 min，熱處理采用油加熱爐進行，其烘烤硬化值測定結(jié)果見表5。

表5 不同烘烤溫度和保溫時間的烘烤硬化值(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，無論哪種烘烤硬化值測定方法，其BH值均是增大的，而在相同烘烤溫度下，保溫時間延長也導(dǎo)致BH值增大?？梢?，烘烤溫度和保溫時間都會對BH值測定結(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，應(yīng)把握好加熱設(shè)備的精度和保溫時間的精確度。

3.6 預(yù)拉伸應(yīng)變量

有文獻[2]表明,預(yù)拉伸應(yīng)變量小于4%時，BH值隨預(yù)拉伸應(yīng)變量增加而迅速增大，而大于4%時，BH值隨預(yù)拉伸應(yīng)變量增加而緩慢降低。過去在進行該類試驗研究時通常采用的是BH2測定方法，故筆者采用BH2測定方法，分別在預(yù)拉伸應(yīng)變量1.8%，2.0%，2.2%下進行試驗，并分析兩者之間的關(guān)系，烘烤硬化值測定結(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)文獻研究的結(jié)論一致。因此，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)時，不能忽視引伸計的精度，須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定引伸計的精度應(yīng)不小于1級的要求，同時保證當(dāng)預(yù)拉伸達(dá)到規(guī)定的應(yīng)變量時，試驗設(shè)備能立即停止拉伸。

4 結(jié)論

該次標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，參考了很多國外涉及烘烤硬化值測定方法的相關(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定方法，GB/T 228.1—2010中的P5，P6，P7類型試樣測得的BH值無明顯差異；測定BH2H值時，拉伸試驗速率的大小對上屈服強度影響較明顯，需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的推薦值設(shè)置拉伸試驗速率；試樣疊放烘烤，會降低烘烤硬化值，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 ℃，或試樣保溫時間偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值5 min，對BH值均有一定影響，測定時應(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%時略有影響，測定時應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值設(shè)置應(yīng)變量，同時試驗設(shè)備的精度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；筆者該次進行的驗證試驗，未考慮加熱設(shè)備的加熱速率，存在不足。