熱處理工藝參數(shù)對超高強度鋼性能的影響

黃超群，肖貴乾

熱處理工藝參數(shù)對超高強度鋼性能的影響

黃超群1，肖貴乾2

（1. 重慶工商職業(yè)學院 智能制造與汽車學院，重慶 401520；2. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

研究熱處理工藝參數(shù)對BR1500HS超高強度鋼的微觀組織、拉伸斷口以及力學性能的影響，并且研究保溫時間和加熱溫度對淬火后的硬度、抗拉強度、微觀組織以及伸長率等的影響規(guī)律。將BR1500HS加熱到一定溫度，并保溫使得試樣充分奧氏體化，隨后在水中冷卻，并測試冷卻后的材料力學性能。此外，將克立金模型引入用于近似加熱溫度、保溫時間與硬度、抗拉強度、伸長率之間的關(guān)系，用NSGA-Ⅱ多目標遺傳算法優(yōu)化代理模型。當保溫時間一定時，硬度隨著加熱時間的增加先增加后減小、抗拉強度先增加后減小最后趨于平穩(wěn)；當加熱溫度一定時，硬度隨保溫時間的增加先增加后減小。當加熱溫度不同時，抗拉強度隨保溫時間的變化規(guī)律不同；當加熱溫度在950 ℃以下時，隨著保溫時間的增加而增加；當加熱溫度在950～1000 ℃時，隨著保溫時間的增加先增加后減小。采用實驗和代理模型的優(yōu)化結(jié)果的誤差較小，對BR1500HS超高強度鋼的熱處理工藝具有一定的指導(dǎo)作用。

超高強度鋼；熱處理；多目標優(yōu)化；NSGA-Ⅱ

車身覆蓋件的輕量化設(shè)計是汽車輕量化設(shè)計的核心內(nèi)容之一，而超高強度鋼材的使用是車身輕量化設(shè)計的有效途徑。國內(nèi)外學者對超高強鋼的熱成形技術(shù)進行了比較深入的研究。李學濤等[1]利用掃描電鏡及能譜儀，研究了不同保溫時間對熱沖壓后鍍層組織及鍍層中裂紋的影響，找出了熱沖壓時減少裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)。M. Naderihe等[2]研究冷卻速率對不同高強鋼的熱成形性能的影響，其研究表明冷卻速率較高時，馬氏體含量較高，但是成形性能較差。梁江濤等[3]研究了超高強度熱成形鋼的應(yīng)變速率敏感性，結(jié)果表明超高強度熱成形鋼在低應(yīng)變速率時應(yīng)變敏感性不高，高應(yīng)變速率下應(yīng)變速率敏感性較大。楊濤等[4]利用計算機仿真軟件分別對涂層板在一般加熱工藝和多梯度控溫工藝下的升溫曲線進行模擬，并通過試驗對計算模型進行了修正。姜超[5]研究了汽車超高強鋼件熱沖壓強化機理，較好解釋了超高強鋼熱成形強化的原因。張勇[6]研究了BR1500HS超高強度鋼熱沖壓工藝仿真，其結(jié)果表明熱-力-相耦合的有限元模型可以有效預(yù)測微觀組織。李沁陽[7]使用LS-DYNA對BR1500HS熱軋鋼U形件熱沖壓進行模擬，并用試驗進行驗證，結(jié)果表明，成形溫度分別為810 ℃和840 ℃時，U形件組織幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體且晶粒較小，具有較高的抗拉強度。尚欣等[8]通過高溫拉伸實驗研究超高強度鋼BR1500HS不同變形參數(shù)對真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線及抗拉強度的影響，研究結(jié)果表明，不同變形參數(shù)對抗拉強度、流變應(yīng)力的影響規(guī)律不同，增大變形溫度或減小應(yīng)變速率均可減小材料流變應(yīng)力。

盡管許多學者都對超高強度鋼的熱成形進行了研究[9]，但其基礎(chǔ)性能的研究卻還是比較有限。文中將超高強鋼熱成形基礎(chǔ)性能作為研究對象，研究淬火工藝參數(shù)對材料的微觀組織和力學性能的影響，得到了BR1500HS超高強度鋼的最佳熱成形工藝參數(shù)，為BR1500HS超高強度鋼的工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)作用。

1 實驗

所用材料為BR1500HS超高強度鋼，通常被用于汽車覆蓋件中強度要求較高的構(gòu)件[14]。BR1500HS的Ac1溫度大約為689.5 ℃，Ac3溫度大約為853.4 ℃，臨界冷卻速度大約為20 ℃/s。其化學成分如表1所示。

BR1500HS超高強鋼中加入了微量的硼元素，其可以提高鋼材的淬透性從而提高材料的強度，使鋼淬火后的強度達到1800 MPa。淬火試樣的尺寸為160 mm×40 mm，淬火后的拉伸試樣按照GB/T 228—2002進行制樣。硬度觀察試樣的尺寸為10 mm×10mm，金相試樣尺寸為20 mm×10 mm。

如圖1所示，淬火前鋼材的組織為帶狀組織，淬火后鋼材的組織為塊條狀馬氏體。BR1500HS淬火后的抗拉強度得到顯著提升，屈服現(xiàn)象不明顯，彈性模量變化較小。

表1 BR1500HS的化學元素含量（質(zhì)量分數(shù)）

Tab.1 Chemical Composition of BR1500HS (mass fraction) %

圖1 BR1500HS淬火前后組織及其應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了研究工藝參數(shù)對超高強鋼力學性能的影響，將BR1500HS加熱到一定溫度，并保溫使試樣充分奧氏體化，隨后在水中冷卻，并測試冷卻后材料的力學性能，實驗需要的設(shè)備有加熱爐、拉伸試驗機、硬度儀、金相測試儀等。

2 工藝參數(shù)對材料性能的影響

2.1 加熱溫度對材料微觀組織的影響

由圖2可知，加熱溫度直接決定了奧氏體化的程度。為了研究奧氏體化程度對材料力學性能的影響，將BR1500HS鋼加熱到不同溫度并保溫120 s后進行淬火，其加熱溫度從750 ℃到1000 ℃間隔50 ℃進行取值。

圖2 不同加熱溫度淬火金相組織

如圖2所示，不同加熱溫度淬火后的金相組織不同，當加熱溫度為750 ℃時，淬火后未得到馬氏體組織，這說明該超高強鋼加熱到750 ℃保溫時未發(fā)生奧氏體化；當加熱溫度為800 ℃時，得到了馬氏體和網(wǎng)狀鐵素體，此時高強鋼發(fā)生了奧氏體化轉(zhuǎn)變；當加熱溫度為850 ℃時，得到了片狀以及板條狀馬氏體；當溫度高于950 ℃時，得到粗大的板條狀馬氏體。這說明，加熱溫度越高得到的板條狀馬氏體越多；加熱溫度低于750 ℃時，不能得到馬氏體。大致可以確定，奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度為750～800 ℃。

2.2 加熱溫度和保溫時間對力學性能的影響

除微觀組織外，材料淬火后的硬度也是影響成形性能的關(guān)鍵因素。將BR1500HS加熱到不同溫度并保溫不同的時間后淬火，并測試淬火后材料的硬度和抗拉強度。熱溫度從750 ℃到1000 ℃間隔50 ℃進行取值，保溫時間分別為0 s到480 s中間間隔60 s取值，共計30個試驗組合。將得到的硬度數(shù)據(jù)在MATLAB中進行插值得到了如圖3所示的曲面分布，其中紅色點表示實驗樣本，曲面是用樣本進行插值得到的。

如圖3a所示，超高強鋼淬火后的硬度總體趨勢為隨著加熱溫度的增加硬度先增加后減小，隨著保溫時間的增加硬度先增加后減小。該現(xiàn)象的原因在于，加熱溫度越高、保溫時間越長，奧氏體化越徹底、淬火后轉(zhuǎn)變的馬氏體越多因而硬度越大，但是過高的溫度和過長的保溫時間會導(dǎo)致再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，晶粒長大，從而降低硬度。當加熱溫度為900 ℃，保溫時間為120 s時，淬火后的硬度最大。如圖3b所示，超高強鋼淬火后的抗拉強度與硬度具有相似的規(guī)律。其原因也和硬度變化的原因相同，受到馬氏體含量和晶粒大小兩個因素的影響。從圖3可知，為了得到最好的抗拉強度，加熱溫度應(yīng)在850～950 ℃內(nèi)選擇。如圖3c所示，當加熱溫度在850～950 ℃時，伸長率受到保溫時間的影響較大。硬度和拉升強度受到保溫時間的影響小于伸長率受到保溫時間的影響。

圖3 不同保溫時間、加熱溫度對硬度、抗拉強度和伸長率的影響

2.3 加熱溫度對斷口形貌的影響

為了研究BR1500HS超高強鋼的塑性，可以從拉伸斷裂時的斷裂模式出發(fā)進行研究。將BR1500HS鋼加熱到不同溫度并保溫120 s后進行淬火，其加熱溫度從750 ℃到1000 ℃間隔50 ℃進行取值；使用掃描電鏡對拉伸斷口進行分析，如圖4所示。當加熱溫度低于800 ℃時，斷口較為平坦；當加熱溫度高于800 ℃時，斷口不平。

通過斷口形貌分析可知，加熱溫度為750 ℃和800 ℃時，斷裂為脆性穿晶斷裂，這是由于該溫度下沒有完全奧氏體化，淬火組織為鐵素體和少量馬氏體。當加熱溫度到850 ℃以上時，能夠完全奧氏體化。加熱溫度為950 ℃時為韌窩斷裂，這是因為材料中的雜質(zhì)在晶界上偏聚或脫溶而造成空洞，這些空洞會隨著溫度升高逐漸長大，在拉應(yīng)力作用下空洞相互連接導(dǎo)致材料斷裂，即韌窩斷裂。提高加熱溫度能夠改善淬火后材料的塑性，然而過高的溫度會導(dǎo)致斷口空洞較大，導(dǎo)致塑性反而降低，因此最佳的加熱溫度區(qū)間應(yīng)為850～900 ℃。

圖4 不同加熱溫度拉伸斷口形貌

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及其驗證

經(jīng)過前面的分析，可以得到影響超高強度鋼BR1500HS淬火后材料性能的部分規(guī)律。為了更精確定量地研究BR1500HS的最佳熱處理工藝參數(shù)，本節(jié)將對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。在不同加熱溫度和不同保溫時間下進行淬火實驗，并測試材料的硬度、抗拉強度和伸長率，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 實驗設(shè)計方案

Tab.2 Experiment design

對于30個樣本，克里金模型能夠比較精確地模擬輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系。在熱成形過程中，BR1500HS超高強鋼的硬度、抗拉強度和伸長率越大越好，使用多目標遺傳算法（NSGA-Ⅱ）能夠?qū)υ擃愋偷膬?yōu)化問題進行較好求解。

如圖5所示，硬度、抗拉強度和伸長率不可能同時最大，當硬度增大時，抗拉強度先增大后減小，伸長率卻越來越小。這說明，伸長率和硬度之間存在著一定的相反關(guān)系。在選取最優(yōu)解時應(yīng)當綜合考慮指標的重要性，文中將3個指標的權(quán)重都選取為1，即同等重要。

帕累托前沿解集在設(shè)計變量空間中的分布見圖6，其分布于一條直線附近。通過3個指標的線性加權(quán)，可以得到最優(yōu)解。將得到的最優(yōu)加熱溫度899.6 ℃和保溫時間32.18 s進行實驗，將實驗得到的硬度、抗拉強度和伸長率與優(yōu)化得到的數(shù)值進行對比，如表3所示。

由表3可知，硬度優(yōu)化值比實驗值偏小，偏差大約為2.32%；抗拉強度偏差僅為1.2%；伸長率的偏差大，大約為15.29%。實驗數(shù)據(jù)和優(yōu)化數(shù)據(jù)對比表明，硬度、抗拉強度和伸長率的實驗值和最優(yōu)值的差別都比較小，這說明代理模型的預(yù)測精度高并且優(yōu)化算法的優(yōu)化效果顯著，優(yōu)化結(jié)果對高強度鋼板BR1500HS的工藝設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。

圖5 帕累托前沿解集在設(shè)計目標空間上的分布

圖6 帕累托前沿解集在設(shè)計變量空間上的分布

表3 最優(yōu)解及其實驗結(jié)果

Tab.3 Optimized solution and the experimental results

4 結(jié)論

1）保溫時間一定時，硬度隨著加熱時間的增加先增加后減小，抗拉強度先增加后減小最后趨于平穩(wěn)；加熱溫度一定時，硬度隨保溫時間的增加先增加后減小。加熱溫度不同時，抗拉強度隨保溫時間的變化規(guī)律不同，當加熱溫度在950 ℃以下時，隨著保溫時間的增加而增加；當加熱溫度在950～1000 ℃時，隨著保溫時間的增加先增加后減小。

2）斷口形狀表明，隨著溫度增加，斷裂模式由脆性斷裂變?yōu)轫g窩斷裂，且加熱溫度為850～920 ℃時，具有較好的韌性。

3）用克里金模型近似設(shè)計變量與設(shè)計指標之間的關(guān)系，并用多目標遺傳算法得到帕累托前沿解集，最后用加權(quán)法得到最優(yōu)解，并用實驗驗證了優(yōu)化策略的有效性，對BR1500HS超高強鋼的熱處理工藝有一定的指導(dǎo)作用。

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Effect of Heat Treatment Parameters on the Properties of Ultra-High-Strength Steel

HUANG Chao-qun1,XIAO Gui-qian2

(1. Institute of Intelligent Manufacturing and Automotive, Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 401520, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

This paper aims to study the effect of heat treatment process parameters on microstructure, tensile fracture and mechanical properties of BR1500HS ultra high strength steel, and to study the effect of holding time and heating temperature on hardness, tensile strength, microstructure and elongation after quenching. BR1500HS was heated to a certain temperature, and the sample was fully austenitized by holding, then cooled in water, and the mechanical properties of the material after cooling were tested. In addition, Kriging model is introduced to approximate the relationship between heating temperature, holding time and hardness, tensile strength and elongation, and NSGA-Ⅱ multi-objective genetic algorithm is used to optimize the surrogate model. The results show that when the holding time is fixed, the hardness first increases and then decreases, the tensile strength first increases and then decreases, and finally tends to be stable with the increase of heating time. When the heating temperature is constant, the hardness first increases and then decreases with the increase of holding time. When the heating temperature is inconstant, the change of tensile strength with holding time is different; When the heating temperature is below 950 ℃, it increases with the increase of holding time; when the heating temperature is 950-1000 ℃, it first increases and then decreases with the increase of holding time. The results of experiment and surrogate model show that the error is small, which can guide the heat treatment process of BR1500HS ultra-high strength steel.

ultra-high-strength steel; heat treatment; multi-objective optimization; NSGA-Ⅱ

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.018

TG161

A

1674-6457(2021)04-0127-06

2021-03-22

國家重點研發(fā)計劃（2018YFB1106504）；重慶工商職業(yè)學院科研項目（ZD2016-01）

黃超群（1981—），女，碩士，副教授，主要研究方向為材料加工工程。