萬榮春 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)對超高強車用鋼的延遲開裂性能的影響，通過對DP1180、MS1180 和QP1180三種材料的試驗得到具體影響結(jié)果。

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

近年來純電動汽車工業(yè)發(fā)展迅速，由于動力電池技術(shù)進步相對緩慢，為了增加汽車續(xù)航里程，汽車的輕量化勢在必行。因此，在純電動汽車中廣泛使用高強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高安全白車身（BCB EV，Baosteel Car Body Electric Vehicle），高強度鋼使用比例達83%，其中熱成型鋼的最高抗拉強度達2000MPa，冷成型鋼的最高抗拉強度達1700MPa。但隨著鋼材的強度提高，特別是其抗拉強度超1200MPa時，就容易出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象[1-3]。目前對超高強鋼延遲開裂的研究主要集中在機理研究，而對環(huán)境介質(zhì)的影響研究較少。因此，有必要開展環(huán)境介質(zhì)對超高強車用鋼延遲開裂性能影響的研究。

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

1試驗材料與方法

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

拉深沖杯延遲開裂試驗，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[4]進行，實物成型如圖1所示。最后試樣放入5%NaCl溶液和0.1mol/L、1mol/L、5%的HCl溶液中進行試驗。在試驗進行時，2小時內(nèi)時注意密切觀察，在2～4小時內(nèi)可10分鐘觀察一次，最后的觀察時間間隔可逐步延長。以觀察時發(fā)現(xiàn)試樣出現(xiàn)裂紋的時間作為該試樣的開裂時間。由于浸泡時間較長，為了減少試驗誤差，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試驗結(jié)果與分析

2.1？？5%NaCl溶液試驗

如表2所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼5%NaCl溶液中經(jīng)過1200小時的拉深沖杯延遲開裂試驗結(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)裂紋的時間分別是52.6小時和260.5小時。而DP1180鋼兩個試樣在5%NaCl溶液中經(jīng)過1200小時浸泡均未出現(xiàn)裂紋。

試驗鋼拉深沖杯試樣在5%NaCl溶液中開裂時間趨勢，如圖2所示，DP1180經(jīng)過1200小時沒有出現(xiàn)裂紋，說明其抗延遲開裂性能相對其他兩種鋼比較優(yōu)秀。MS1180鋼出現(xiàn)開裂的平均時間為260.5小時是QP1180鋼出現(xiàn)開裂的平均時間（52.6小時）將近5倍。說明MS1180鋼抗延遲開裂性能優(yōu)于QP1180鋼。

圖3為試驗鋼在5%NaCl溶液中經(jīng)過1200小時浸泡的試樣。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)表面的上銹相對嚴重些，這可能是試樣浸泡過程中，在試樣反扣在5%NaCl溶液的過程中杯內(nèi)進入少量空氣導(dǎo)致。圖3b和圖3c分別為MS1180和QP1180鋼在5%NaCl溶液中的開裂試樣。而從圖可以看出MS1180和QP1180鋼所以試樣的開裂處在杯口，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。從裂紋的擴展方向可以看到由杯口向杯底擴展，而且裂紋會在杯口多處同時出現(xiàn)。

2.2？HCl溶液試驗

1）5%HCl溶液試驗

表3所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼5%HCl溶液中經(jīng)過24小時的拉深沖杯延遲開裂試驗結(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)裂紋的時間均在1小時內(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。成型比越大開裂時間越短。比如QP1180鋼，成型比為1.8的試樣開裂時間為0.189小時，成型比為1.5的試樣開裂時間為0.611小時，是1.8成型比試樣開裂時間的3倍左右。從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，QP1180鋼的開裂時間最短，MS1180鋼的開裂時間最長。這表明DP1180、MS1180和QP1180三種鋼中MS1180鋼抗延遲開裂性能最好，DP1180鋼抗延遲開裂性能稍差，QP1180鋼抗延遲開裂性能最差。

由文獻[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’）。仔細觀察試驗鋼組織可以發(fā)現(xiàn)三種試驗鋼的組織基本相似，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。從組織來看，一般認為M的存在會嚴重降低鋼的抗延遲開裂性能[6]，所以M含量越多抗延遲開裂性能越差。QP1180鋼中M含量最多，因此QP1180鋼的抗延遲開裂性能最差。

此外，我們對比5%HCl和5%NaCl溶液試驗可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)果略有不同，5%HCl溶液試驗表明MS1180鋼抗延遲開裂性能最好，5%NaCl溶液試驗表明DP1180鋼抗延遲開裂性能最好，這表明環(huán)境介質(zhì)對延遲斷裂性能測試有一定影響。此外我們還可以發(fā)現(xiàn)沖杯試樣對5%HCl溶液過于敏感，所以試樣開裂時間較短，開裂時間過短不利于試驗結(jié)果規(guī)律性的呈現(xiàn)。

圖4為DP1180、MS1180和QP1180鋼在5%HCl溶液中的開裂試樣。而從圖可以看出DP1180、MS1180和QP1180鋼所以試樣的開裂處在杯口，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。從裂紋的擴展方向可以看到由杯口向杯底擴展，而且裂紋會在杯口多處同時出現(xiàn)。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)DP1180和MS1180鋼的裂紋大，而且多，相對來說QP鋼的裂紋比較小而且少些。

2）1mol/L的HCl溶液試驗

表4所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼1mol/L的HCl溶液中經(jīng)過24小時的拉深沖杯延遲開裂試驗結(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)裂紋的時間均在3小時內(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。成型比越大開裂時間越短。從表4中還可以發(fā)現(xiàn)，QP1180鋼的開裂時間最短，MS1180鋼的開裂時間最長。

表5所示為DP1180、MS1180和QP1180鋼0.1mol/L的HCl溶液中經(jīng)過24小時的拉深沖杯延遲開裂試驗結(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)裂紋的時間均在9小時內(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。成型比越大開裂時間越短。從表5中還可以發(fā)現(xiàn)，QP1180鋼的開裂時間最短，DP1180鋼的開裂時間最長。

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

圖6所示為試驗鋼拉深沖杯試樣在鹽霧試驗中開裂時間趨勢[7]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)QP1180鋼的開裂時間最短，其抗延遲開裂性能最差。DP1180鋼出現(xiàn)開裂時間比MS1180鋼開裂時間長，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)開裂時間比MS1180鋼開裂時間長，抗延遲開裂時間要好一些。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)DP1180鋼和MS1180鋼成型比為1.5的在試驗結(jié)束時未開裂，與鹽霧試驗結(jié)果趨勢最為接近的為0.1mol/L的HCl溶液。由此可知，要提高試驗效率，縮短試驗時間，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結(jié)果趨勢，也可以提高試驗效率。

3？結(jié)論

（1）不同環(huán)境介質(zhì)的拉深沖杯試驗結(jié)果一致表明QP1180抗延遲開裂性能最差，但抗延遲開裂性能最好的鋼種不同，說明環(huán)境介質(zhì)對試驗鋼的延遲開裂性能有影響。

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

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

參考文獻：

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（作者單位：萬榮春，渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程，渤海船舶重工有限責(zé)任公司博士后流動站；方藝蒙，四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院；曹寶山，遼寧順達機械制造（集團）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）