1800 MPa級熱成形鋼氫脆敏感性研究

顧磊明 魏一凡 葉又

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

1 前言

隨著油耗法規(guī)的不斷提升，汽車輕量化的需求日趨急迫，越來越多的輕量化材料應(yīng)用于各類汽車零部件。近年來，熱成形鋼板（Press Hardened Steel,PHS）由于強度超高、成形性好、尺寸精度高等優(yōu)勢，得到眾多整車廠青睞，被大量應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件。目前抗拉強度在1500 MPa 的PHS已大規(guī)模應(yīng)用，而1800 MPa 以上的PHS 也有一些鋼廠可量產(chǎn)，例如歐洲的蒂森克虜伯鋼鐵歐洲股份公司，阿賽洛米塔爾鋼鐵集團，亞太區(qū)的新日鐵住金集團、中國鋼鐵寶武集團有限公司等等，但僅在少數(shù)日系車型和自主品牌車型有量產(chǎn)應(yīng)用。對于抗拉強度超過1000 MPa 的超高強鋼，氫脆敏感性是鋼材整體性能評估和應(yīng)用過程中首先要考慮的性能之一，不少學(xué)者和企業(yè)對此做了大量研究[1-6]，其中常用的氫脆敏感性檢測方法有氫環(huán)境溶液評價法[1]和氫電解滲透試驗、慢應(yīng)變速率拉伸試驗[2,3,6]，然而針對1800 MPa 以上級別PHS氫脆敏感性研究的公開報道相對較少，韓國學(xué)者Min Chul Jo 等人用慢應(yīng)變速率拉伸試驗方法進行過研究[7]。為方便對比出1800 MPa 級與1500 MPa級的氫脆敏感性差異，本文采用較為苛刻的氫環(huán)境溶液法對1800 MPa 級PHS 進行了氫脆性能研究，同時與1500 MPa 級PHS 作對比，該研究結(jié)果對1800 MPa 級別PHS 在汽車上推廣應(yīng)用的風險考察具有重要的意義。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗選擇了2 種1800 MPa 級PHS 裸板和1 種1500 MPa 級PHS 裸板，均為冷軋退火態(tài)，編號為1#，2#，3#，其主要化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)范圍見表1。

表1 主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

從化學(xué)成分可以看出，與1500 MPa 級PHS 相比，1800 MPa 級PHS 主要通過增加C、Mn 等元素的含量來提升鋼材強度，同時通過其他元素含量的調(diào)整來改善韌性。各鋼板熱成形前的初始態(tài)金相組織均為鐵素體+珠光體，1#、2# 1800 MPa 級PHS 的滲碳體比例遠高于3#1500 MPa 級PHS。

2.2 試驗方法

試驗用PHS 的熱成形工藝在熱成形量產(chǎn)線上完成，經(jīng)930 ℃保溫5 min 后在平板模中合模并保壓10 s，淬火至150 ℃以下出模空冷至室溫，并經(jīng)拋丸去除氧化皮?？紤]到PHS 在汽車零部件上的應(yīng)用，成形后的零件通常會經(jīng)過整車廠的電泳和油漆車間，因此為考察熱成形后的零件在熱成形拋丸、運輸、車廠拼裝、電泳涂裝烘烤等整個生產(chǎn)工藝過程中的氫脆敏感性，本研究對熱成形并拋丸后的樣板進行了2 種樣板狀態(tài)下的氫脆試驗。一種為熱成形+拋丸態(tài)（淬火態(tài)），另一種為熱成形+拋丸+烘烤態(tài)（烘烤態(tài)）。烘烤工藝參照整車廠油漆車間的常規(guī)工藝參數(shù)在烘箱中進行，烘烤溫度為170 ℃，烘烤時長為20 min。在淬火態(tài)和烘烤態(tài)的樣板上截取標準拉伸樣條，測其機械性能。在同批樣板上截取氫脆試驗所需樣條，如圖1 所示。

圖1 氫脆試驗樣條

試驗采用兩點彎方法，根據(jù)加載應(yīng)力-變形量換算公式（ASTM G39），計算鋼板加載位移量，依靠特制夾具制備成一定屈服強度比例加載下的氫脆試驗樣品，如圖2 所示。在該持續(xù)高應(yīng)力條件下，對1800 MPa 級別PHS 進行抗氫脆延遲斷裂實驗。采用模擬氫環(huán)境溶液評價法，配置0.1 mol/L的HCl 溶液（pH=1），將夾持好的試樣完全浸沒于溶液中。浸泡目標時長設(shè)定為120 h。因?qū)υ擃愪摲N的氫脆敏感性不甚了解，初始階段的觀察頻次較高，每0.5 h 觀察一次，查看試驗樣品是否有開裂現(xiàn)象或細小裂紋產(chǎn)生，后期相應(yīng)拉長觀察間隔時間，直至120 h 試驗結(jié)束。

圖2 氫脆實驗樣品加載狀態(tài)

3 試驗結(jié)果與討論

加載前分別對三種鋼板淬火態(tài)和烘烤態(tài)的機械性能進行了測試。淬火態(tài)機械性能見表2。

表2 PHS鋼淬火態(tài)機械性能

測試結(jié)果顯示，1# 1800 MPa 級PHS 鋼的強度高于2#PHS鋼，其抗拉強度高出2#PHS鋼203 MPa，已超過2000 MPa，屈服強度也比2#高出138 MPa。2#1800 MPa 級PHS 鋼與3#1500 MPa 級PHS 相比，抗拉強度提高近300 MPa，屈服提升了168 MPa。3個鋼種的斷裂延伸率均超過6%。在170 ℃20 min條件下烘烤后，3 個鋼種都呈現(xiàn)屈服強度提升和抗拉強度下降的趨勢。烘烤后屈服上升均超過100 MPa，抗拉下降值不同鋼種有所不同，但變化值均小于100 MPa，而延伸率變化相對較小，其中，2#鋼種烘烤后抗拉強度降至1760～1810 MPa 之間。根據(jù)測得的機械性能，進行特定屈服比例加載狀態(tài)下的浸酸氫脆試驗，在60%、70%、80%、90%屈服應(yīng)力下的氫脆試驗結(jié)果見表3。

表3 不同屈服比例加載應(yīng)力下的氫脆試驗結(jié)果

結(jié)果顯示，2#和3#PHS 材料未顯示出氫脆敏感性，均通過了120 h 的浸酸試驗。1#PHS 鋼的氫脆敏感性較大，僅60%屈服強度通過了120 h，且當應(yīng)力值增大到90%屈服強度時，浸酸斷裂失效時長明顯減短，試樣斷裂照片見圖3。

圖3 1#淬火態(tài)樣品90%屈服加載下12 h氫脆斷裂

對比1#PHS 的淬火態(tài)和烘烤態(tài)氫脆試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，70%和90%屈服應(yīng)力加載下，烘烤樣板的氫脆時間更短，而80%應(yīng)力加載下，烘烤樣板氫脆未出現(xiàn)敏感性，因此很難斷定烘烤后氫脆敏感的變化趨勢。對于1800 MPa 以上級別PHS，建議在材料開發(fā)認證時同時考察淬火態(tài)和烘烤態(tài)的氫脆性能。為分析各材料的氫脆敏感性差異原因，對3 種試驗樣品進行了微觀組織分析。結(jié)果顯示，熱成形后的淬火態(tài)組織主要為板條馬氏體，與3#相比，1#、2#樣品的板條馬氏體更為細長。進一步觀察熱成形后鋼板的原始奧氏體晶粒，如圖4 所示。

圖4 原始奧氏體晶粒

1#樣品的原始奧氏體晶粒最細小，3#鋼板的原始奧氏體晶粒最為粗大，按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行晶粒度評級，1#原始奧氏體晶粒度等級為12.5 級，而3#原始奧氏體晶粒度等級僅為10.5 級。該結(jié)果表明，在提升1800 MPa 級PHS 強度的同時，鋼廠也在改善韌性方面做了相應(yīng)的措施，例如添加晶粒細化元素Nb、V 等，使得原始奧氏體晶粒較1500 MPa 級更為均勻細小。本研究按照ASTM E45 對夾雜物進行了評級，1#和3#樣品中B 類氧化鋁夾雜物等級均為1.0 級細系，而2#樣品中B 類氧化鋁夾雜物等級為0.5 級細系。結(jié)合氫脆試驗結(jié)果可推測，1800 MPa 級別PHS 對夾雜物更敏感。因此鋼廠在添加高的合金元素提升韌性的同時，需對鋼水的冶煉凈化提出更高要求，以減少有害夾雜物的產(chǎn)生。氫脆敏感性的高低與材料強度級別、晶粒度、夾雜物等都存在一定關(guān)聯(lián)性，因此，在認證新1800 MPa 級PHS 材料時，需要從多個維度對材料進行全面驗證，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的檢測標準進行宏觀性能和微觀組織的測試與考察。

4 結(jié)束語

研究分析了1800 MPa 級PHS 鋼的氫脆性能，并與1500 MPa 級PHS 進行了平行對比，結(jié)論如下。

a.與淬火態(tài)1500 MPa 級PHS 相比，淬火態(tài)1800 MPa 級PHS 的抗拉強度高出300～500 MPa，強度等級有顯著提升。

b.170 ℃，20 min 烘烤后，3 種PHS 鋼機械性的變化趨勢均為屈服強度提升，抗拉強度下降，延伸率變化不大。烘烤后屈服上升均超過100 MPa，抗拉下降值不同鋼種有所不同，但變化值均小于100 MPa。其中，2#鋼種烘烤后抗拉強度降至1760～1810 MPa 之間。

c.本次試驗的1#1800 MPa PHS 鋼種表現(xiàn)出較強的氫脆敏感性，2#1800 MPa PHS 鋼種氫脆不敏感，3#1500 MPa 級別PHS 氫脆不敏感。1#鋼種的晶粒細化元素V 對于改善晶粒尺寸起到明顯作用。1800 MPa 級別PHS 氫脆敏感性與夾雜物等級存在一定關(guān)聯(lián)。

d.氫脆敏感性與加載方式、加載應(yīng)力、環(huán)境氫含量等因素相關(guān)，目前已有T/CSAE 155—2020、SEP 1970 等國內(nèi)外氫脆標準，各標準的氫脆試驗方法和參數(shù)存在一定差異。針對1800 MPa 級PHS鋼的氫脆敏感性能，各主機廠可根據(jù)實際應(yīng)用情況選擇合適的標準，以期用最短的試驗周期排除后期應(yīng)用的氫脆風險。