環(huán)境介質(zhì)對(duì)超高強(qiáng)車用鋼延遲開(kāi)裂性能的影響

萬(wàn)榮春 方藝蒙 曹寶山 魏文華 馬慶巖 龔勛

摘要：分析了環(huán)境介質(zhì)對(duì)超高強(qiáng)車用鋼的延遲開(kāi)裂性能的影響，通過(guò)對(duì)DP1180、MS1180 和QP1180三種材料的試驗(yàn)得到具體影響結(jié)果。

關(guān)鍵詞：環(huán)境介質(zhì)；超高強(qiáng)車用鋼；延遲開(kāi)裂性

近年來(lái)純電動(dòng)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，由于動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步相對(duì)緩慢，為了增加汽車?yán)m(xù)航里程，汽車的輕量化勢(shì)在必行。因此，在純電動(dòng)汽車中廣泛使用高強(qiáng)鋼是兼顧安全性和續(xù)航里程的有效手段。例如，2021年寶鋼股份全球首發(fā)了寶鋼超輕型純電動(dòng)高安全白車身（BCB EV，Baosteel Car Body Electric Vehicle），高強(qiáng)度鋼使用比例達(dá)83%，其中熱成型鋼的最高抗拉強(qiáng)度達(dá)2000MPa，冷成型鋼的最高抗拉強(qiáng)度達(dá)1700MPa。但隨著鋼材的強(qiáng)度提高，特別是其抗拉強(qiáng)度超1200MPa時(shí)，就容易出現(xiàn)延遲開(kāi)裂現(xiàn)象[1-3]。目前對(duì)超高強(qiáng)鋼延遲開(kāi)裂的研究主要集中在機(jī)理研究，而對(duì)環(huán)境介質(zhì)的影響研究較少。因此，有必要開(kāi)展環(huán)境介質(zhì)對(duì)超高強(qiáng)車用鋼延遲開(kāi)裂性能影響的研究。

本文將通過(guò)拉深沖杯延遲開(kāi)裂試驗(yàn)研究DP1180、MS1180和QP1180三種超高強(qiáng)車用鋼在5%NaCl溶液和0.1mol/L、1mol/L、5%的HCl溶液等環(huán)境介質(zhì)中的延遲開(kāi)裂性能，通過(guò)觀察延遲開(kāi)裂試驗(yàn)后的試樣，分析了試驗(yàn)鋼的延遲開(kāi)裂性能、環(huán)境介質(zhì)和顯微組織的關(guān)系，為超高強(qiáng)車用鋼的延遲開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)提供一定參考依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

三種超高強(qiáng)車用的牌號(hào)分別為DP1180、MS1180和QP1180。試驗(yàn)鋼的具體化學(xué)成分如表1所示。

拉深沖杯延遲開(kāi)裂試驗(yàn)，用5%NaCl溶液和0.1mol/L、1mol/L、5%的HCl溶液作為腐蝕介質(zhì)模擬試驗(yàn)環(huán)境介質(zhì)，環(huán)境溫度為室溫。試樣成型方法可以參照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行，實(shí)物成型如圖1所示。最后試樣放入5%NaCl溶液和0.1mol/L、1mol/L、5%的HCl溶液中進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，2小時(shí)內(nèi)時(shí)注意密切觀察，在2～4小時(shí)內(nèi)可10分鐘觀察一次，最后的觀察時(shí)間間隔可逐步延長(zhǎng)。以觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣出現(xiàn)裂紋的時(shí)間作為該試樣的開(kāi)裂時(shí)間。由于浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，為了減少試驗(yàn)誤差，在試樣浸泡整10天換一次5%NaCl溶液，每5整天換一次5%HCl溶液。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1？？5%NaCl溶液試驗(yàn)

如表2所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼5%NaCl溶液中經(jīng)過(guò)1200小時(shí)的拉深沖杯延遲開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果，試樣成型比為1.8。從表2可以看到QP1180鋼和MS1180鋼所有試樣均出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋的時(shí)間分別是52.6小時(shí)和260.5小時(shí)。而DP1180鋼兩個(gè)試樣在5%NaCl溶液中經(jīng)過(guò)1200小時(shí)浸泡均未出現(xiàn)裂紋。

試驗(yàn)鋼拉深沖杯試樣在5%NaCl溶液中開(kāi)裂時(shí)間趨勢(shì)，如圖2所示，DP1180經(jīng)過(guò)1200小時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明其抗延遲開(kāi)裂性能相對(duì)其他兩種鋼比較優(yōu)秀。MS1180鋼出現(xiàn)開(kāi)裂的平均時(shí)間為260.5小時(shí)是QP1180鋼出現(xiàn)開(kāi)裂的平均時(shí)間（52.6小時(shí)）將近5倍。說(shuō)明MS1180鋼抗延遲開(kāi)裂性能優(yōu)于QP1180鋼。

圖3為試驗(yàn)鋼在5%NaCl溶液中經(jīng)過(guò)1200小時(shí)浸泡的試樣。從圖3a中可以發(fā)現(xiàn)DP1180鋼的試樣的外表面比較光滑，銹斑很少，而內(nèi)表面的上銹相對(duì)嚴(yán)重些，這可能是試樣浸泡過(guò)程中，在試樣反扣在5%NaCl溶液的過(guò)程中杯內(nèi)進(jìn)入少量空氣導(dǎo)致。圖3b和圖3c分別為MS1180和QP1180鋼在5%NaCl溶液中的開(kāi)裂試樣。而從圖可以看出MS1180和QP1180鋼所以試樣的開(kāi)裂處在杯口，而不在杯底，這是由于杯口的變形量最大，試樣內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力也是最大。從裂紋的擴(kuò)展方向可以看到由杯口向杯底擴(kuò)展，而且裂紋會(huì)在杯口多處同時(shí)出現(xiàn)。

2.2？HCl溶液試驗(yàn)

1）5%HCl溶液試驗(yàn)

表3所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼5%HCl溶液中經(jīng)過(guò)24小時(shí)的拉深沖杯延遲開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果。可以看到DP1180、MS1180和QP1180鋼3種鋼所有試樣均出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋的時(shí)間均在1小時(shí)內(nèi)。出現(xiàn)裂紋的不光是1.8大成型比試樣，成型比為1.5的試樣也出現(xiàn)裂紋。成型比越大開(kāi)裂時(shí)間越短。比如QP1180鋼，成型比為1.8的試樣開(kāi)裂時(shí)間為0.189小時(shí)，成型比為1.5的試樣開(kāi)裂時(shí)間為0.611小時(shí)，是1.8成型比試樣開(kāi)裂時(shí)間的3倍左右。從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，QP1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最短，MS1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最長(zhǎng)。這表明DP1180、MS1180和QP1180三種鋼中MS1180鋼抗延遲開(kāi)裂性能最好，DP1180鋼抗延遲開(kāi)裂性能稍差，QP1180鋼抗延遲開(kāi)裂性能最差。

由文獻(xiàn)[5]可知DP1180和MS1180鋼的組織主要為馬氏體（M）+鐵素體（F），QP1180鋼的組織中除了馬氏體（M）+鐵素體（F），還有極少量殘余奧氏體（A’）。仔細(xì)觀察試驗(yàn)鋼組織可以發(fā)現(xiàn)三種試驗(yàn)鋼的組織基本相似，但QP1180鋼中M最多，F(xiàn)最少。MS1180鋼和DP1180鋼中的M和F含量基本接近，但在MS1180鋼中M為板條狀，F(xiàn)也成大塊狀，分布不均勻。DP1180鋼中的M為島狀，而在島狀M周圍零星均勻分布著F組織。從組織來(lái)看，一般認(rèn)為M的存在會(huì)嚴(yán)重降低鋼的抗延遲開(kāi)裂性能[6]，所以M含量越多抗延遲開(kāi)裂性能越差。QP1180鋼中M含量最多，因此QP1180鋼的抗延遲開(kāi)裂性能最差。

此外，我們對(duì)比5%HCl和5%NaCl溶液試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)果略有不同，5%HCl溶液試驗(yàn)表明MS1180鋼抗延遲開(kāi)裂性能最好，5%NaCl溶液試驗(yàn)表明DP1180鋼抗延遲開(kāi)裂性能最好，這表明環(huán)境介質(zhì)對(duì)延遲斷裂性能測(cè)試有一定影響。此外我們還可以發(fā)現(xiàn)沖杯試樣對(duì)5%HCl溶液過(guò)于敏感，所以試樣開(kāi)裂時(shí)間較短，開(kāi)裂時(shí)間過(guò)短不利于試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性的呈現(xiàn)。

圖4為DP1180、MS1180和QP1180鋼在5%HCl溶液中的開(kāi)裂試樣。而從圖可以看出DP1180、MS1180和QP1180鋼所以試樣的開(kāi)裂處在杯口，而不在杯底，這是由于杯口的變形量最大，試樣內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力也是最大。從裂紋的擴(kuò)展方向可以看到由杯口向杯底擴(kuò)展，而且裂紋會(huì)在杯口多處同時(shí)出現(xiàn)。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)DP1180和MS1180鋼的裂紋大，而且多，相對(duì)來(lái)說(shuō)QP鋼的裂紋比較小而且少些。

2）1mol/L的HCl溶液試驗(yàn)

表4所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼1mol/L的HCl溶液中經(jīng)過(guò)24小時(shí)的拉深沖杯延遲開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果。從表可以看到DP1180、MS1180和QP1180鋼三種鋼所有試樣均出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋的時(shí)間均在3小時(shí)內(nèi)。出現(xiàn)裂紋的不光是1.8大成型比試樣，成型比為1.5的試樣也出現(xiàn)裂紋。成型比越大開(kāi)裂時(shí)間越短。從表4中還可以發(fā)現(xiàn)，QP1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最短，MS1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最長(zhǎng)。

表5所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼0.1mol/L的HCl溶液中經(jīng)過(guò)24小時(shí)的拉深沖杯延遲開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果。從表可以看到DP1180、MS1180和QP1180鋼三種鋼所有試樣均出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋的時(shí)間均在9小時(shí)內(nèi)。出現(xiàn)裂紋的不光是1.8大成型比試樣，成型比為1.5的試樣也出現(xiàn)裂紋。成型比越大開(kāi)裂時(shí)間越短。從表5中還可以發(fā)現(xiàn)，QP1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最短，DP1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最長(zhǎng)。

試驗(yàn)鋼拉深沖杯試樣在不同濃度的HCl溶液中開(kāi)裂時(shí)間趨勢(shì)，如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)三種濃度下QP1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最短，其抗延遲開(kāi)裂性能最差。還可以發(fā)現(xiàn)不同濃度HCl溶液對(duì)開(kāi)裂時(shí)間有一定影響。5%HCl溶液中MS1180鋼出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)間比DP1180鋼開(kāi)裂時(shí)間長(zhǎng)，抗延遲開(kāi)裂性能好。而在1mol/L 和0.1mol/L的HCl溶液中DP1180鋼出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)間比MS1180鋼開(kāi)裂時(shí)間長(zhǎng)，抗延遲開(kāi)裂性能好，這和圖2中5%NaCl溶液中開(kāi)裂時(shí)間趨勢(shì)是一致的。此外，從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)HCl濃度越低開(kāi)裂時(shí)間越長(zhǎng)，不同成型比的開(kāi)裂時(shí)間差距越明顯。比如DP1180在1mol/L的HCl溶液中1.5成型比的開(kāi)裂時(shí)間是1.8成型比的開(kāi)裂時(shí)間的2倍左右，而在0.1mol/L的HCl溶液中1.5成型比的開(kāi)裂時(shí)間是1.8成型比的開(kāi)裂時(shí)間的近19倍。

圖6所示為試驗(yàn)鋼拉深沖杯試樣在鹽霧試驗(yàn)中開(kāi)裂時(shí)間趨勢(shì)[7]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)QP1180鋼的開(kāi)裂時(shí)間最短，其抗延遲開(kāi)裂性能最差。DP1180鋼出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)間比MS1180鋼開(kāi)裂時(shí)間長(zhǎng)，和在5%NaCl溶液和1mol/L、0.1mol/L的HCl溶液的表現(xiàn)一致。DP1180鋼出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)間比MS1180鋼開(kāi)裂時(shí)間長(zhǎng)，抗延遲開(kāi)裂時(shí)間要好一些。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)DP1180鋼和MS1180鋼成型比為1.5的在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)未開(kāi)裂，與鹽霧試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)最為接近的為0.1mol/L的HCl溶液。由此可知，要提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)時(shí)間，可以0.1mol/ L的HCl溶液作為腐蝕介質(zhì)。這樣可以得到鹽霧試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)，也可以提高試驗(yàn)效率。

3？結(jié)論

（1）不同環(huán)境介質(zhì)的拉深沖杯試驗(yàn)結(jié)果一致表明QP1180抗延遲開(kāi)裂性能最差，但抗延遲開(kāi)裂性能最好的鋼種不同，說(shuō)明環(huán)境介質(zhì)對(duì)試驗(yàn)鋼的延遲開(kāi)裂性能有影響。

（2）5%NaCl溶液、1mol/L 和0.1mol/L的HCl溶液與鹽霧試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律基本一致，QP1180抗延遲開(kāi)裂性能最差，DP1180鋼的抗延遲開(kāi)裂性能最好。

（3）0.1mol/L的HCl溶液與鹽霧試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律最為接近。要提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)時(shí)間，可以0.1mol/ L的HCl溶液作為延遲開(kāi)裂試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境介質(zhì)。

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（作者單位：萬(wàn)榮春，渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程，渤海船舶重工有限責(zé)任公司博士后流動(dòng)站；方藝蒙，四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院；曹寶山，遼寧順達(dá)機(jī)械制造（集團(tuán)）有限公司；魏文華，馬慶巖，龔勛，葫蘆島軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心）