研究∗
尚欣;周杰;王珣;罗艳;李洋
【摘 要】This paper researched the tensile strength,hardness and the true stress-strain curves of BR1500HS at different temperature and holding time through the tensile tests.And the microstructure at different quenching condition was investigated,the fracture morphology was analyzed by SEM.Then the effect of quenching param-eters on material properties and microstructure was obtained.The hardness,tensile strength and ductility reach their maximum at 900 ℃(holding 2 min).At the temperature range from 850 to 920 ℃,the fracture morpholo-gy is better.When the temperature is beyond Ac3(811 ℃)and holds enough time,the ferrite and pearlite in the original samples can be transferred into austenite,and the microstructure after quenching is total martensite. This can guide the parameters choosing in the actual production.%通过高温拉伸实验研究了 BR1500HS 高强钢在不同加热温度与保温时间下的抗拉强度、硬度及真实应力-应变曲线，并通过光学显微镜观察了不同淬火温度下的微观组织结构，利用扫描电子显微镜 SEM分析了淬后材料的断口形貌。得出了不同的淬火工艺参数对BR1500HS抗拉强度、硬度、真实应力-应变曲线、微观组织结构以及断口形貌的影响规律。在奥氏体化温度为900℃并保温2 min 时淬火，材料硬度和抗拉强度均达到峰值，延展性也最好；在850~920℃温度区间韧窝断口形貌较好；淬火温度超过 Ac3(811℃)且在保温时间足够长时，可使试样中的铁素体和珠光体完
全转变为奥氏体，淬后试样的组织为完全的马氏体。这为实际生产的工艺参数选择提供了指导。
【期刊名称】《功能材料》 【年(卷),期】2014(000)024 【总页数】5页(P24110-24114)
【关键词】BR1500HS;材料性能;淬火;微观组织;工艺参数 【作 者】尚欣;周杰;王珣;罗艳;李洋
【作者单位】重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030;重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030;重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030;重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030;重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400030
【正文语种】中 文 【中图分类】TG306 1 引言
由于环保理念的深入以及世界能源紧缺的现状，汽车轻量化成为了当前汽车工业技术革新的一个重要目标，要求在保证汽车的强度和安全性能的前提下尽可能地降低汽车重量、减少燃料消耗。使用高强度钢板，原厚度为1．0～1．2 mm厚度的车身板可减薄至0．7～0．8 mm，车身整体质量减少 15% ～20%，节油8% ～15%［1］。由于高强钢板在室温塑性差，变形抗力很大，需在高温条件下成形，材料的热成形工艺参数的研究便成为实现汽车轻量化需要解决的关键科学问题。
近年来，国内外学者关于热成形技术的淬火工艺进行了大量的研究。意大利的A．Turetta［2］得到了避免贝氏体出现的最低冷却速率(30℃/s)以及马氏体转变的开始温度(382℃)。伊朗的M．Naderihe［3］发现利用氮气冷却可增加冷却速率使马氏体转变更完全、强度更高，而利用水介质冷却会存在一些铁素体相，成形能力相对较好。日本的Toshinobu Nishibata［4］研究了冷却速率对于含碳量0．2%硼钢的硬度和微观结构的影响。重庆大学的苏竹［5］对热成形高强度钢的高温流变行为及淬火工艺进行了优化，得出最优淬火工艺参数为:加热温度900～950℃，保温时间4～8 min。同济大学的周全［6］提出了热成形中加热温度、加热时间、保压时间等工艺参数的选择原则。山东大学的贺连芳［7］采用响应面的方法对热冲压工艺的淬火工艺参数进行了单目标和多目标优化。但对于超高强度钢板BR1500HS的热成形工艺参数对材料的影响规律研究相对较少。
本文主要研究淬火工艺参数对BR1500HS高强钢的抗拉强度、硬度、微观组织及断口形貌等的影响规律。根据BR1500HS的热成形工艺制定了淬火实验方案，采用带冷却水道的钢块对试样进行淬火处理来获得测试试样并观察了各种条件下材料的微观组织结构。利用CMT5000电子拉伸实验机测试在不同加热温度、不同保温时间淬火后试样的抗拉强度;使用扫描电子显微镜(SEM)对BR1500HS淬火后拉伸断口形貌进行分析;采用洛氏硬度计测试了各试样在不同条件下的硬度值。通过对加热温度以及保温时间对材料性能以及组织形貌的影响规律的分析，得出最佳淬火工艺参数选择范围，对实际生产具有指导意义。 2 实验
材料为1．8 mm厚的BR1500HS热轧钢板，其化学组分见表1。如图1所示，BR1500HS在热成形前的主要组织为铁素体与珠光体的混合组织。通过对原始材料进行拉伸实验得到应力-应变曲线如图2示，其屈服强度大于462 MPa，抗拉强度大于627 MPa。
表1 BR1500HS板BR1500HS的成分(%，质量分数)Table 1 Chemical
composition of BR1500HS(wt%)C Si Mn P S Cr B 0．23 0．25 1．35 0．015 0．006 0．19 0．003
为了比较加热温度、保温时间对测试试样的抗拉强度、硬度、微观组织及断口形貌等的影响规律，特制定如图3所示的工艺流程。
图1 BR1500HS热轧钢板原始微观组织Fig 1 Microstructure of BR1500HSat room temperature
图2 BR1500HS材料淬火前的应力-应变曲线Fig 2 Stress-strain curve of BR1500HS at room temperature
图3 测试试样制备流程图Fig 3 Flow chart for specimen preparation 3 结果与分析
3．1 工艺参数对微观组织的影响
将测试试样经过粗磨、细磨、抛光，然后用4．5%硝酸酒精溶液进行腐蚀后在光学显微镜下观察，得到淬火后材料组织的分布情况。
图4为BR1500HS试样被加热到不同的温度下并保温2 min后放入带有冷却系统的钢模中冷却后得到的微观组织。
图4 试样加热到不同温度并保温2 min后淬火的微观组织结构Fig 4 Microstructures of specimens at different quenching temperatures 从图4可以看出，在750℃下(如图4(a))，淬火后的组织基本与原始板料相同，主要是铁素体和珠光体;在800℃(如图4(b))下保温过程中有部分珠光体和少量碳化物转变为奥氏体，淬火组织中含有部分马氏体、大量网状铁素体;当温度达到850℃(如图4(c))，珠光体和铁素体完全转变为奥氏体，淬火后得到片状马氏体和板条马氏体组织的混合物;随着温度的升高，组织中的片状马氏体减少，板条状马氏体组织增多，如图4(d)。温度达到950℃以上(如图4(e))，淬火后得到的板条状
马氏体形态变得粗大，尤其是1 000℃时(如图4(f))。 3．2 工艺参数对硬度的影响
BR1500HS试样在不同加热温度保温一定时间后进行淬火、抛光后利用洛氏硬度计测试了各试样在不同条件下的硬度值，测量3个位置取其平均值，得到加热温度、保温时间对试样硬度的影响规律如图5所示。
图5 加热温度与保温时间对硬度的影响规律Fig 5 Relative diagrams of hardness，heating temperature and holding time
从图5(a)可以看出，在同样的保温时间下，随加热温度的升高硬度升高，达到峰值后随加热温度的升高略有下降。这是因为温度过高造成奥氏体晶粒过大，冷却后形成粗大板条状马氏体。保温时间一定时，峰值硬度均出现在加热温度为900℃左右，约为50HRC。从图5(b)可以看出，加热温度一定时，试样淬火硬度先是随着保温时间的延长而升高，当达到峰值后，又随着保温时间的延长而降低;当保温时间达到2 min之后，除了加热温度在1 000℃时，随着保温时间的增加硬度开始降低。
当加热温度为900℃，保温时间为2 min时，硬度达到最大值52．6HRC。由此可见，在不小于马氏体组织转变临界冷却速度的情况下，试样淬火硬度大小本质上与淬火前的奥氏体化程度及奥氏体组织晶粒大小相关，因此选择合适的奥氏体化温度和保温时间是控制淬火硬度的关键因素。从图5还可以看出，为使试样获得最佳淬火硬度，合理的奥氏体化温度为850～950℃(考虑传递过程中热量的损失)，合理的保温时间为0～5 min，其中2 min是最佳保温时间。 3．3 工艺参数对抗拉强度的影响
试样淬火后，利用CMT5000型微机控制智能电子拉伸实验机测试了不同状态下试样的抗拉强度，得到加热温度、保温时间对试样抗拉强度的影响规律如图6所示。
图6 加热温度与保温时间对硬度的影响规律Fig 6 Relative diagrams of tensile strength，heating temperature and holding time
从图6可以看出，采用相同保温时间时，试样抗拉强度先是随加热温度的升高而迅速升高，在达到峰值后又随着加热温度的升高而缓慢下降并趋于平稳;在加热温度为900℃，保温时间为2 min时的抗拉强度达到峰值。当加热温度为750，800，850和900℃时，淬火试样的抗拉强度随着保温时间的延长而升高;温度为950和1 000℃时，淬火试样的抗拉强度随着保温时间的延长而降低。
因此，为使试样获得最佳抗拉强度，合理的奥氏体化温度为850～950℃，合理的保温时间为0～5 min，其中2 min是最佳保温时间。 3．4 工艺参数对真实应力应变曲线的影响
在恒定拉伸速率2 mm/min下，将在不同温度保温2 min后淬火的试样进行拉伸，通过计算获得试样的真实应力-应变曲线如图7所示。在850℃以下，试样的抗拉强度随着温度的升高而增大，延展率(颈缩前的应变量)随温度的升高而降低，但试样在拉伸过程中均没有产生明显的颈缩现象。原因是:此区域属于不完全淬火区，只有部分组织转变为奥氏体，冷却后转变成细小片状马氏体和铁素体混合组织。当温度超过850℃后，随着温度的升高，淬火组织中片状马氏体体积含量减少;当温度升高至950℃时，由于板条状马氏体的形态逐渐粗大，试样的抗拉强度和延展性随之降低。由此得出，加热温度在850～950℃保温2 min时，试样具有较佳的抗拉强度和延伸率，其中900℃时强韧性最佳。
将奥氏体化温度为900℃并保温不同时间后淬火的试样进行拉伸，通过计算获得试样的真实应力-应变曲线如图8所示。由图可见，BR1500HS试样在温度为900℃并保温0～5 min再淬火时，抗拉强度和延展性较好，其中保温2 min后淬火的试样最佳。
图7 不同温度下保温2 min后淬火的真实应力应变曲线Fig 7 True strain-stress
curves at different heating temperatures for 2 min
图8 900℃时淬火的真实应力应变曲线Fig 8 True stress-strain curves at 900℃ 3．5 工艺参数对断口形貌的影响
利用SEM对BR1500HS淬火后拉伸断口进行分析，BR1500HS 材料分别在 750，800，850，900 和950℃条件下保温 2 min后进行水淬，然后用CMT5000电子拉伸实验机进行高温拉伸实验。从图9可看出，加热温度为750，800℃进行淬火的试样断面较平坦，与单向拉伸方向垂直;加热到850，900，950和1 000℃后淬火的试样端面则凹凸不平。这说明淬火温度对BR1500HS试样的断口形状有重要的影响。
图9 不同温度下保温2 min淬火试样的拉伸断口SEM图Fig 9 SEM fracture appearance of quenched specimens at different temperature and holding time 2 min
从断口微观形态来看，温度在750，800℃时淬火的试样拉伸断口形貌为脆性穿晶断裂，组织大而不匀，排列比较紧密，几乎没有出现孔洞缺陷。这是因为保温温度小于800℃的试样淬火时，试样组织没有完全奥氏体化，只有部分铁素体和珠光体发生了转变，淬后组织主要为铁素体和少量马氏体的混合组织。
当试样加热温度升高到850℃以上时，铁素体和珠光体可完全转变为奥氏体，在保温过程中，材料中的杂质在晶界上偏聚或脱溶成为空洞核，在晶界形成空洞等缺陷，并随着温度升高逐渐长大。在拉应力作用下试样位错聚积、空洞相互连接导致材料断裂，此为延性断裂中的韧窝断裂，具有较高的吸能性。这说明了试样中的马氏体组织具有相当的韧性，韧窝的尺度会随着温度的升高和保温时间延长而变大，这有利于提高材料的韧性，但若韧窝的尺度过大反而会降低材料的韧性。 通过对各温度保温2 min试样的单向拉断试样断口形貌分析，发现试样在750，800℃淬火时，断裂方式主要为脆性断裂，950℃时主要为韧窝断裂，但由于温度
过高形成的空洞较大，会导致试样塑性下降，而试样在850～920℃温度区间，即在其Ac3温度以上10～100℃时，具有较好的韧窝断口形貌。 4 结论
(1) 硬度:同样的保温时间下，先随加热温度的升高而升高，达到峰值后随加热温度的升高而下降;相同加热温度下，先随保温时间的延长而升高，达到峰值后又随着保温时间的延长而降低。当加热温度为900℃，保温时间为 2 min时，硬度达到最大值52．6HRC。
(2) 抗拉强度:相同保温时间下，先随加热温度的升高而迅速升高，达到峰值后又随加热温度的升高而缓慢下降并趋于平稳;奥氏体化温度在950℃以下时，随保温时间的延长而升高，950℃和1 000℃时随保温时间的延长而降低。在加热温度为900℃、保温时间为2 min时达到峰值。
(3) 断口形貌:750，800℃时淬火的断裂方式主要为脆性断裂;950℃时主要为韧窝断裂，但由于温度过高形成的空洞较大;而在850～920℃温度区间具有较好的韧窝断口形貌，较高的延伸率、抗拉强度及硬度。
(4) 微观组织:750℃下淬火后的组织主要是铁素体和珠光体;在800℃的保温过程中有部分珠光体和少量碳化物转变为奥氏体，淬火组织中含有部分马氏体、大量网状铁素体;850℃时珠光体和铁素体完全转变为奥氏体，淬火后得到片状马氏体和板条状马氏体组织的混合物;950℃以上淬火后得到的板条状马氏体形态变得粗大，尤其是1 000℃时。 参考文献:
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