楊榮

摘 要：本文對(duì)車輪鋼380CL加工硬化特性進(jìn)行研究，得出材料冷變形量與硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。根據(jù)其加工硬化力學(xué)規(guī)律，提出一種以硬度測試來預(yù)測車輪成型后實(shí)際力學(xué)性能的計(jì)算方法，并通過截取車輪產(chǎn)品小試樣來進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：以硬度推算車輪成型后力學(xué)性能是一種可靠的方法。

關(guān)鍵詞：車輪鋼380CL；加工硬化；硬度測試；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U463.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）04-0097-05

Abstract： This manuscript had made researches on the work hardening properties of 380CL， a kind of steel used to make wh?eel， and the relations among degrees of cold deformation， hardness， yield strength and tensile strength had been obtained. Based on these relations， this paper proposed a hardness test method to predict the actual mechanical properties of wheels after forming process； Meanwhile an experimental verification was carried out through the tensile test of samples cut from wheels. The results demonstrated that it was a reliable method based on hardness to predict the actual mechanical properties of wheels.

Key Words： wheel steel 380CL； work hardening； hardness test； mechanical property

1 引言

車輪是汽車的一個(gè)重要部件，對(duì)汽車行駛的安全性、穩(wěn)定性、平順性和牽引性等起著重要作用，對(duì)能源的消耗、輪胎的壽命和駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度都有較大影響[1]。長期以來，車輪等汽車零部件一直是以材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能指標(biāo)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，并以此來預(yù)測零件的功能[2]。然而，產(chǎn)品的成型工藝會(huì)使材料產(chǎn)生較大的塑性變形量，引起材料強(qiáng)度和硬度升高、塑性和韌性降低的現(xiàn)象[3]，例如車輪的輪輻旋壓、輪輞滾壓等成型工藝。目前公司在車輪產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮冷塑性變形工藝對(duì)車輪材料和車輪性能的影響，這樣會(huì)造成預(yù)測零件功能有所偏差，因此研究車輪材料加工硬化特性具有十分重要的實(shí)際意義。

許多車輪產(chǎn)品關(guān)鍵部位因受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，不能直接在成品上取樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，所以需要通過其他方法來獲得其材料性能。目前，常規(guī)的方法是通過檢測產(chǎn)品關(guān)鍵部位的硬度，然后根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO18265：2003以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1172-1999中列出的硬度與強(qiáng)度換算表，確定該部位材料的抗拉強(qiáng)度。然而，相關(guān)研究表明[4]，由于鋼材化學(xué)成分的差異、制造工藝的不同，鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度和硬度之間的換算關(guān)系存在著較大的分散性，所以需要建立車輪鋼生產(chǎn)工藝條件下鋼材的強(qiáng)度與硬度的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

車輪專用鋼380CL是本文研究的對(duì)象，其材料特性如下所述。

2.1.1 化學(xué)成分

2.1.2 力學(xué)性能

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文擬通過給定原材料不同變形量來研究其加工硬化規(guī)律[5-7]，以此獲得生產(chǎn)工藝下車輪材料的實(shí)際力學(xué)性能。

（1）通過對(duì)車輪原材料380CL的一系列試驗(yàn)，研究變形量、強(qiáng)度與硬度的之間的關(guān)系：380CL原材料經(jīng)過0%～20%不同變形量的冷拉伸變形，測量其變形量與材料硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。硬度測試在試樣橫截面，在厚度方向上均分三份，每個(gè)厚度上沿試樣方向均勻測試10個(gè)點(diǎn)，求平均值。

（2）根據(jù)步驟（1）獲得的規(guī)律，通過硬度計(jì)算原材料為380CL產(chǎn)品關(guān)鍵部位加工硬化后的材料力學(xué)性能：測定產(chǎn)品各部位的顯微硬度，根據(jù)獲得材料硬度與強(qiáng)度的關(guān)系，換算出成型后產(chǎn)品各部位的力學(xué)性能。

（3）通過拉伸試驗(yàn)，獲得產(chǎn)品關(guān)鍵部位材料的拉伸強(qiáng)度，與步驟（2）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證步驟（1）獲得的規(guī)律。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和使用條件

2.3.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：SANS20噸電子拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)

實(shí)驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 228-2002

實(shí)驗(yàn)室溫：20℃

2.3.2 硬度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：上海研潤HV1000

實(shí)驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T4340. 1-1999

實(shí)驗(yàn)室溫：20℃

2.4 取樣說明

在旋壓成型工藝后，輪輻的狀態(tài)如圖1所示；螺栓孔部位為未旋壓變形區(qū)（平面部位），該部位材料基本沒有產(chǎn)生冷變形；散熱孔部位已旋壓變形區(qū)（錐面部位），該部位材料產(chǎn)生較大的冷變形。為了研究冷變形工藝對(duì)原材料性能的影響，取這兩部位材料作為硬化前后對(duì)比試樣。

采用砂輪切割機(jī)和線切割相結(jié)合的方法，從產(chǎn)品上獲得實(shí)驗(yàn)樣件，盡可能減小由于取樣加工方式對(duì)材料性能產(chǎn)生的影響。為保持螺栓孔部位與散熱孔部位材料的真實(shí)狀態(tài)，拉伸實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)厚度盡量取產(chǎn)品的原始厚度。在厚度一定的情況下，受車輪結(jié)構(gòu)限制，拉伸試樣只能取非標(biāo)樣，不能取標(biāo)準(zhǔn)試樣。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]和金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002可知，拉伸試樣尺寸變化對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較小，對(duì)延伸率和端面收縮率影響較大。因本文主要研究材料強(qiáng)度指標(biāo)，故取非標(biāo)樣對(duì)本文的研究結(jié)果影響較小。

本文拉伸試樣非標(biāo)樣名義尺寸為：螺栓孔部位材料試樣：14.1×5×25（標(biāo)距）mm；散熱孔部位材料試樣：10×5×25（標(biāo)距）mm；由于試樣切割存在尺寸誤差，每個(gè)試樣實(shí)際尺寸見下文拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。在螺栓孔部位取試樣3個(gè)，在散熱孔部位取試樣5個(gè)。拉伸試樣形態(tài)如下圖2所示。硬度實(shí)驗(yàn)是在上述兩個(gè)部位每部位取3個(gè)試樣，每個(gè)試樣沿厚度方向均勻測試5個(gè)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 冷變形對(duì)380CL強(qiáng)度與硬度的影響

根據(jù)前面所述的實(shí)驗(yàn)方法，測得不同變形量下材料的性能，如下表3所示：

圖3為冷變形量與硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，曲線總的變化趨勢是隨著變形量的增加、強(qiáng)度和硬度逐漸增大。隨著變形量的增加，最后屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的差距逐漸減小。

3.2 硬度預(yù)測加工硬化后的力學(xué)性能

通過對(duì)比表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，螺栓孔處的硬度為129，而散熱孔處的硬度為193，兩者之間存在較大的差異，說明經(jīng)旋壓成型后，輪輻材料的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯變化。根據(jù)硬度與強(qiáng)度的關(guān)系——公式（1）和公式（2），推測車輪旋壓成型后材料實(shí)際力學(xué)性能如下表5所示：

3.3 車輪小試樣拉伸實(shí)驗(yàn)

在螺栓孔部位取試樣3個(gè)，在散熱孔部位取試樣5個(gè)，進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，材料的抗拉強(qiáng)度如表6所示，拉伸試驗(yàn)曲線如圖6所示：

根據(jù)表6所示的拉伸強(qiáng)度可以看出，螺栓孔處拉伸試樣的平均抗拉強(qiáng)度為436.6MPa，散熱孔處拉伸試樣的平均抗拉強(qiáng)度為586.0MPa。根據(jù)圖6的拉伸試驗(yàn)曲線可以看出，在相同載荷的作用下，螺栓孔處拉伸試樣的變形較大，而散熱孔處拉伸試樣的變形較小。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過旋壓成型工藝后，散熱孔處材料的抗拉強(qiáng)度得到了明顯的增強(qiáng)，而延伸率則相對(duì)降低。

3.4 結(jié)果對(duì)比和分析

表7所示，是上述兩種方法獲得的拉伸強(qiáng)度。首先，分析螺栓孔處材料的拉伸強(qiáng)度；根據(jù)公式（2）計(jì)算出的拉伸強(qiáng)度為430.4MPa，根據(jù)產(chǎn)品試樣的拉伸試驗(yàn)獲得拉伸強(qiáng)度為436.6MPa，兩者的偏差為1.5%。其次，分析散熱孔處材料的拉伸強(qiáng)度；根據(jù)公式（2）計(jì)算出的散熱孔處的拉伸強(qiáng)度為534.8MPa，根據(jù)散熱孔處產(chǎn)品試樣的拉伸試驗(yàn)獲得拉伸強(qiáng)度為586.0MPa，兩者的偏差為8.7%。最后，分析旋壓成型工藝對(duì)材料力學(xué)性能的影響；通過表7中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過旋壓成型后，螺栓孔部位的原材料，沒有發(fā)生冷變形，該部位的抗拉強(qiáng)度為436.6MPa，與原材料的抗拉強(qiáng)度基本相同，而散熱孔部位材料發(fā)生了較大的冷變形，該部位的抗拉強(qiáng)度由430 MPa增大到了586 MPa，增大了36.2%。

綜上所述，成型工藝對(duì)材料的力學(xué)性能存在較大的影響，經(jīng)過旋壓工藝后，散熱孔處材料的抗拉強(qiáng)度增大了36.2%。利用車輪鋼380CL硬度與抗拉強(qiáng)度之間的公式（2），推測相關(guān)車輪產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度，與產(chǎn)品實(shí)際抗拉強(qiáng)度之間的偏差較小，例如散熱孔處的偏差率為8.7%，比未考慮加工硬化的抗拉強(qiáng)度偏差率26.6%相比，得到大幅的降低，說明以硬度推算車輪成型后力學(xué)性能是一種可靠的方法。

4 結(jié)論

1、經(jīng)過不同變形量來研究材料的加工硬化特性，說明380CL硬度與抗拉強(qiáng)度是存在線性相關(guān)性。

2、對(duì)比旋壓前后材料的拉伸曲線，曲線有很大的差異，說明成型工藝對(duì)材料力學(xué)性能影響較大。

3、利用硬度推測抗拉強(qiáng)度與實(shí)際抗拉強(qiáng)度的偏差率為8.7%，比未考慮加工硬化的抗拉強(qiáng)度偏差率26.6%相比，得到大幅的降低，說明以硬度推算車輪成型后力學(xué)性能是一種可靠的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔勝民， 楊占春.汽車車輪疲勞壽命預(yù)測方法的研究[J].機(jī)械強(qiáng)度， 2002， 24[4]：617-619.

[2]馬鳴圖.論材料性能與零件功能的關(guān)系[J].熱處理， 2014， 29[2]：1-13.

[3]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007： 15-17.

[4]沈保羅， 李莉， 岳昌林.鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系綜述[J].現(xiàn)代鑄鐵， 2012[1]：93-96.

[5]張御天， 付彭懷， 張滿.TP2紫銅的加工硬化特性[J].熱加工工藝， 2008， 37[5]：127-129.

[6]吳斌， 楊恒， 劉禮華.鎳鈦合金材料加工硬化的力學(xué)性能和機(jī)制.江蘇冶金， 1997[4]：26-30.

[7]Emin Bayraktar， Fazal A. Khalid， Christophe Levaillant. Deformation and fracture behaviour of high manganese austenitic steel. Journal of Materials Processing Technology， 2014[147]：145-154.

[8]巴虹.拉伸試樣尺寸精度對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].鞍鋼技術(shù)， 2001[4]：72-73.

[9]田慶榮， 王克杰.矩形截面拉伸試樣尺寸對(duì)鋼板力學(xué)性能測試結(jié)果的影響[J].天津冶金， 2011[1]：38-41.

[10]呂曉剛.試樣尺寸對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].金屬熱處理， 2015[40]：451-454.