黃超群，肖貴乾

熱處理工藝參數(shù)對(duì)超高強(qiáng)度鋼性能的影響

黃超群1，肖貴乾2

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

研究熱處理工藝參數(shù)對(duì)BR1500HS超高強(qiáng)度鋼的微觀組織、拉伸斷口以及力學(xué)性能的影響，并且研究保溫時(shí)間和加熱溫度對(duì)淬火后的硬度、抗拉強(qiáng)度、微觀組織以及伸長(zhǎng)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(cè)試?yán)鋮s后的材料力學(xué)性能。此外，將克立金模型引入用于近似加熱溫度、保溫時(shí)間與硬度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系，用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化代理模型。當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，硬度隨著加熱時(shí)間的增加先增加后減小、抗拉強(qiáng)度先增加后減小最后趨于平穩(wěn)；當(dāng)加熱溫度一定時(shí)，硬度隨保溫時(shí)間的增加先增加后減小。當(dāng)加熱溫度不同時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的變化規(guī)律不同；當(dāng)加熱溫度在950 ℃以下時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加而增加；當(dāng)加熱溫度在950～1000 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加先增加后減小。采用實(shí)驗(yàn)和代理模型的優(yōu)化結(jié)果的誤差較小，對(duì)BR1500HS超高強(qiáng)度鋼的熱處理工藝具有一定的指導(dǎo)作用。

超高強(qiáng)度鋼；熱處理；多目標(biāo)優(yōu)化；NSGA-Ⅱ

車身覆蓋件的輕量化設(shè)計(jì)是汽車輕量化設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一，而超高強(qiáng)度鋼材的使用是車身輕量化設(shè)計(jì)的有效途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超高強(qiáng)鋼的熱成形技術(shù)進(jìn)行了比較深入的研究。李學(xué)濤等[1]利用掃描電鏡及能譜儀，研究了不同保溫時(shí)間對(duì)熱沖壓后鍍層組織及鍍層中裂紋的影響，找出了熱沖壓時(shí)減少裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)。M. Naderihe等[2]研究冷卻速率對(duì)不同高強(qiáng)鋼的熱成形性能的影響，其研究表明冷卻速率較高時(shí)，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(qiáng)度熱成形鋼的應(yīng)變速率敏感性，結(jié)果表明超高強(qiáng)度熱成形鋼在低應(yīng)變速率時(shí)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(jì)算機(jī)仿真軟件分別對(duì)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(jìn)行模擬，并通過試驗(yàn)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了修正。姜超[5]研究了汽車超高強(qiáng)鋼件熱沖壓強(qiáng)化機(jī)理，較好解釋了超高強(qiáng)鋼熱成形強(qiáng)化的原因。張勇[6]研究了BR1500HS超高強(qiáng)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(cè)微觀組織。李沁陽(yáng)[7]使用LS-DYNA對(duì)BR1500HS熱軋鋼U形件熱沖壓進(jìn)行模擬，并用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，成形溫度分別為810 ℃和840 ℃時(shí)，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(qiáng)度。尚欣等[8]通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)研究超高強(qiáng)度鋼BR1500HS不同變形參數(shù)對(duì)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線及抗拉強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明，不同變形參數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)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(xué)者都對(duì)超高強(qiáng)度鋼的熱成形進(jìn)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(qiáng)鋼熱成形基礎(chǔ)性能作為研究對(duì)象，研究淬火工藝參數(shù)對(duì)材料的微觀組織和力學(xué)性能的影響，得到了BR1500HS超高強(qiáng)度鋼的最佳熱成形工藝參數(shù)，為BR1500HS超高強(qiáng)度鋼的工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

所用材料為BR1500HS超高強(qiáng)度鋼，通常被用于汽車覆蓋件中強(qiáng)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(xué)成分如表1所示。

BR1500HS超高強(qiáng)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(qiáng)度，使鋼淬火后的強(qiáng)度達(dá)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(jìn)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(qiáng)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(xué)元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)超高強(qiáng)鋼力學(xué)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(cè)試?yán)鋮s后材料的力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備有加熱爐、拉伸試驗(yàn)機(jī)、硬度儀、金相測(cè)試儀等。

2 工藝參數(shù)對(duì)材料性能的影響

2.1 加熱溫度對(duì)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(duì)材料力學(xué)性能的影響，將BR1500HS鋼加熱到不同溫度并保溫120 s后進(jìn)行淬火，其加熱溫度從750 ℃到1000 ℃間隔50 ℃進(jìn)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(dāng)加熱溫度為750 ℃時(shí)，淬火后未得到馬氏體組織，這說(shuō)明該超高強(qiáng)鋼加熱到750 ℃保溫時(shí)未發(fā)生奧氏體化；當(dāng)加熱溫度為800 ℃時(shí)，得到了馬氏體和網(wǎng)狀鐵素體，此時(shí)高強(qiáng)鋼發(fā)生了奧氏體化轉(zhuǎn)變；當(dāng)加熱溫度為850 ℃時(shí)，得到了片狀以及板條狀馬氏體；當(dāng)溫度高于950 ℃時(shí)，得到粗大的板條狀馬氏體。這說(shuō)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(shí)，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(shí)間對(duì)力學(xué)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(shí)間后淬火，并測(cè)試淬火后材料的硬度和抗拉強(qiáng)度。熱溫度從750 ℃到1000 ℃間隔50 ℃進(jìn)行取值，保溫時(shí)間分別為0 s到480 s中間間隔60 s取值，共計(jì)30個(gè)試驗(yàn)組合。將得到的硬度數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行插值得到了如圖3所示的曲面分布，其中紅色點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)樣本，曲面是用樣本進(jìn)行插值得到的。

如圖3a所示，超高強(qiáng)鋼淬火后的硬度總體趨勢(shì)為隨著加熱溫度的增加硬度先增加后減小，隨著保溫時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，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(zhǎng)的保溫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，晶粒長(zhǎng)大，從而降低硬度。當(dāng)加熱溫度為900 ℃，保溫時(shí)間為120 s時(shí)，淬火后的硬度最大。如圖3b所示，超高強(qiáng)鋼淬火后的抗拉強(qiáng)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(gè)因素的影響。從圖3可知，為了得到最好的抗拉強(qiáng)度，加熱溫度應(yīng)在850～950 ℃內(nèi)選擇。如圖3c所示，當(dāng)加熱溫度在850～950 ℃時(shí)，伸長(zhǎng)率受到保溫時(shí)間的影響較大。硬度和拉升強(qiáng)度受到保溫時(shí)間的影響小于伸長(zhǎng)率受到保溫時(shí)間的影響。

圖3 不同保溫時(shí)間、加熱溫度對(duì)硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響

2.3 加熱溫度對(duì)斷口形貌的影響

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

通過斷口形貌分析可知，加熱溫度為750 ℃和800 ℃時(shí)，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(dāng)加熱溫度到850 ℃以上時(shí)，能夠完全奧氏體化。加熱溫度為950 ℃時(shí)為韌窩斷裂，這是因?yàn)椴牧现械碾s質(zhì)在晶界上偏聚或脫溶而造成空洞，這些空洞會(huì)隨著溫度升高逐漸長(zhǎng)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(huì)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(yàn)證

經(jīng)過前面的分析，可以得到影響超高強(qiáng)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在不同加熱溫度和不同保溫時(shí)間下進(jìn)行淬火實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

Tab.2 Experiment design

對(duì)于30個(gè)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(qiáng)鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率越大越好，使用多目標(biāo)遺傳算法（NSGA-Ⅱ）能夠?qū)υ擃愋偷膬?yōu)化問題進(jìn)行較好求解。

如圖5所示，硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不可能同時(shí)最大，當(dāng)硬度增大時(shí)，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，伸長(zhǎng)率卻越來(lái)越小。這說(shuō)明，伸長(zhǎng)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(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮指標(biāo)的重要性，文中將3個(gè)指標(biāo)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(jì)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(gè)指標(biāo)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(shí)間32.18 s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)得到的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與優(yōu)化得到的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

由表3可知，硬度優(yōu)化值比實(shí)驗(yàn)值偏小，偏差大約為2.32%；抗拉強(qiáng)度偏差僅為1.2%；伸長(zhǎng)率的偏差大，大約為15.29%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和優(yōu)化數(shù)據(jù)對(duì)比表明，硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的實(shí)驗(yàn)值和最優(yōu)值的差別都比較小，這說(shuō)明代理模型的預(yù)測(cè)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(duì)高強(qiáng)度鋼板BR1500HS的工藝設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

圖5 帕累托前沿解集在設(shè)計(jì)目標(biāo)空間上的分布

圖6 帕累托前沿解集在設(shè)計(jì)變量空間上的分布

表3 最優(yōu)解及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Optimized solution and the experimental results

4 結(jié)論

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

3）用克里金模型近似設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)指標(biāo)之間的關(guān)系，并用多目標(biāo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化策略的有效性，對(duì)BR1500HS超高強(qiáng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB1106504）；重慶工商職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目（ZD2016-01）

黃超群（1981—），女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)椴牧霞庸すこ獭?/p>