趙 光，馮建昶，康 欣，許 曉

(1.唐山鋼鐵集團有限責任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016；2.辛集市澳森鋼鐵集團有限公司技術(shù)中心，河北 辛集 052300)

隨著汽車碰撞安全標準要求不斷加強，熱成形鋼這類具有超高強度的汽車板材在車身結(jié)構(gòu)件中的應用逐漸增加[1-2]。為預防熱成形鋼在加熱過程中的脫碳和氧化，常在熱成形鋼的表面添加鋁硅鍍層。盡管鋁硅鍍層能夠起到良好的防護作用，但其與帶鋼基體本質(zhì)上是兩種完全不同的材料，鍍層在加熱淬火過程中會不可避免的產(chǎn)生微裂紋[3]。

疲勞耐久性能對于車輛安全來說也是一項重要指標，就帶鍍層的熱成形鋼而言，鍍層中的微裂紋是否會向基體擴展導致材料提前失效有兩種意見，一種認為鍍層與基體的材料屬性差別很大，鍍層中的微裂紋在應力加載過程中難以越過基體向內(nèi)擴展，因此不會對材料的疲勞性能產(chǎn)生影響，還有一種觀點認為盡管鍍層與基體差別大，但微裂紋仍會通過擴散層向基體擴展，從而形成裂紋源導致材料提前失效。目前表面添加鋁硅鍍層的熱成形鋼在車身制造中已廣泛應用，而關于鍍層對材料疲勞性能的影響還存在爭論，因此有必要對此進行相關研究。

本文以表面添加鋁硅鍍層的淬火T1500HS+AS熱成形鋼為研究對象，測試了其淬火后的組織及拉伸性能，采用磨拋法去除鍍層獲得裸板樣品，加工制備鋁硅鍍層板和裸板兩種疲勞樣品進行試驗，對比分析鋁硅鍍層對淬火熱成形鋼疲勞性能的影響。

1 試驗材料及試驗方法

試驗所用材料為唐鋼高強汽車板公司所生產(chǎn)的厚度1.2 mm鍍鋁硅熱成形鋼T1500HS+AS，鋁硅鍍層的成分為90%的鋁和10%的硅?；w鋼板的化學成分如表1所示，除常規(guī)C、Si、Mn等元素外，還添加了Cr、Ti及B元素。通過表1的分析可知，所取樣板成分符合公司標準要求。鋼板的出廠狀態(tài)基體組織為鐵素體和珠光體混合組織，鍍層完整無裂紋。試樣鋼板經(jīng)950 ℃加熱，保溫5 min，隨后水淬處理。首先對淬火處理后板材的鍍層和組織做金相和掃描分析，確定鍍層的形貌、裂紋及元素分布情況、基體組織的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，然后測試淬火板材的拉伸性能，為疲勞試驗的參數(shù)制定提供依據(jù)。為確定鋁硅鍍層對淬火板材疲勞性能的影響，采用磨拋法去除鍍層獲得裸板樣品，用于疲勞試驗的對比，最后分析鍍層板和裸板疲勞試樣的斷口來確定二者疲勞性能差異的原因。

表1 鍍鋁硅熱成形鋼T1500HS+AS化學成分 單位：wt%

2 試驗結(jié)果分析

2.1 鍍層及組織性能表征

初始板料經(jīng)淬火后的金相組織如圖1所示，從中可以看出基體組織為淬火形成的板條馬氏體，鋁硅鍍層整體厚度約36微米左右，過渡層厚度約10微米，淬火后鋁硅鍍層表面形成了大量的微裂紋，大部分裂紋終止在過渡層，也有部分裂紋穿過過渡層接近基體組織。

圖1 T1500HS+AS淬火組織

鋁硅鍍層的化學成分為90%的鋁和10%的硅。其EDS能譜分析如圖2所示，鋁在鍍層中含量最多，主要存在于鍍層上側(cè)，硅元素在鍍層的次表層和過渡層中最多。由于元素的擴散作用，鍍層中也含有一部分鐵元素。從掃面圖像中可見明顯的島狀析出相，通過能譜分析，其成分主要是硅和鐵。

(a)鋁硅鍍層面掃描

靜態(tài)拉伸試驗指標是制定疲勞試驗參數(shù)的重要依據(jù)，淬火板材的拉伸試樣尺寸及性能如圖3所示，可見T1500HS+AS淬火后強度達到了1.5 GPa的級別，同時具有較高的屈服強度1 087 MPa，斷后延伸率為5%左右，滿足淬火板材性能要求。

圖3 淬火T1500HS+AS拉伸曲線及性能

2.2 應力疲勞分析

疲勞試驗參照GB/T 3075-2008 金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法進行，試樣尺寸如圖4所示，疲勞試驗在INSTRON 8801型疲勞試驗機上進行，加載采用應力控制模式，由于板材的厚度較小，為防止試驗過程發(fā)生屈曲現(xiàn)象導致試驗無法進行，加載采用拉-拉應力模式，即最大應力和最小應力均為拉應力。應力比R=0.1，加載波形正弦波，加載頻率20 Hz，為節(jié)省試驗時間，本文只測試樣品的有限壽命段曲線，根據(jù)上述靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果，設定試驗的最大應力為1 200 MPa、1 100 MPa、1 000 MPa和900 MPa四個應力水平對樣品進行測試，每個應力水平采用3個有效樣品的試驗數(shù)據(jù)。通過磨拋去除鋁硅鍍層獲得裸板的疲勞試樣樣品(圖5)，用于對比分析鍍層板和裸板的疲勞性能差異。

圖4 疲勞試樣尺寸(單位mm)

圖5 淬火鍍鋁硅和裸板疲勞試樣

表2 鍍層板和裸板疲勞測試結(jié)果

圖6 鍍層板和裸板疲勞性能曲線(對數(shù)坐標)

Smax=σ′f×(2Nf)b

(1)

(2)

2.3 斷口掃描分析

為分析鍍層板和裸板疲勞性能差異，對二者在1 100 MPa應力水平下的斷口進行了掃描。圖7為淬火鍍鋁硅鋼板的斷口掃描圖像，可以看出，試樣疲勞破壞的裂紋源有兩種，一種為鍍層表面裂紋形成的裂紋源，其自鍍層開始，逐漸向基體擴展，斷口斷面具有明顯的放射性特征(圖7(a))，鍍層裂紋擴展還會導致與其接近的基體在斷裂時剝落。另一種為基體內(nèi)部夾雜物形成的裂紋源(圖7(b))，這種裂紋源在整個基體內(nèi)部較均勻分布，特征為夾雜物脫落后會在斷口的斷面上形成較深的小坑，從圖7(b)中還可看出，基體的斷裂既存在韌窩狀的塑性斷口也存在解理斷口，其并非單一的韌性或脆性斷口，而是表現(xiàn)為混合斷裂的特征。

疲勞破壞的過程分為疲勞裂紋產(chǎn)生和疲勞裂紋傳播兩個階段。疲勞裂紋的產(chǎn)生和傳播首先從材料局部應力集中的位置開始[5]。對于鍍層板而言，鍍層中的裂紋在拉應力作用下穿過過渡層擴展至基體，在基體的裂紋尖端便會造成局部的應力集中，外加載荷的循環(huán)作用下應力集中部位將會成為裂紋源繼續(xù)向基體內(nèi)部擴展。此外鋼材內(nèi)部難免會存在夾雜物，試樣未受外部載荷作用時，基體與夾雜物的結(jié)合是比較緊密的，而樣品一旦受到循環(huán)載荷的作用，由于夾雜物和基體的彈性模量差別較大，在其交界部位也會引起應力集中，使裂紋在夾雜物的周邊產(chǎn)生，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，夾雜物與基體逐漸發(fā)生脫離，在夾雜物的周邊形成孔洞成為裂紋源。裂紋源產(chǎn)生后在外力加載下會不斷擴展，當裂紋尺寸達到臨界尺寸后試樣便會迅速失穩(wěn)斷裂。從圖7中可看出鍍層處裂紋源存在明顯的擴展放射性特征，而基體內(nèi)部裂紋源則不明顯，說明鍍層處裂紋擴展更快，是試樣疲勞失效的主要原因。

(a)鍍層表面裂紋形成的裂紋源

圖8為鋁硅鍍層在疲勞試驗前后的形貌對比。試驗前鋁硅鍍層表面由于淬火作用已形成大量微裂紋，但鍍層并未出現(xiàn)剝落特征。試驗中裂紋擴展有兩個方向，一方面沿著鍍層內(nèi)部擴展，導致鍍層的剝落，一方面從鍍層向基體擴展，形成疲勞的裂紋源。

(a)試驗前

淬火裸板的疲勞斷口形貌如圖9所示。去除鋁硅鍍層后，在試樣表面未觀察到裂紋源的產(chǎn)生，其裂紋源只有一種，就是基體內(nèi)部夾雜物在交變載荷作用下形成的裂紋源。由于裂紋源只有一種，其臨界裂紋尺寸的形成速度遠低于鍍層板，因此裸板具有更高的疲勞性能。

圖9 淬火裸板斷口掃描圖像

二者的裂紋萌生機理可用圖10表示，鍍層板具有雙重裂紋源，而裸板僅有一種，而且鍍層板存在容易達到臨界裂紋尺寸的鍍層裂紋源，因此其疲勞性能低于裸板。

圖10 疲勞裂紋形成機理

3 結(jié)論

本文對淬火后的鍍鋁硅熱成形鋼T1500HS+AS的組織及拉伸性能進行了表征，同時采用磨拋法去除鍍層獲得熱成形后的裸板，對鍍層板和裸板的疲勞性能進行了測試，其結(jié)論如下：

(1)淬火鍍鋁硅板T1500HS+AS的基體組織為板條馬氏體，鍍層厚度約36微米，鍍層由于淬火作用形成了大量微裂紋，鍍層中鋁元素主要存在于鍍層上側(cè)，硅元素主要存在于次表層和過渡層，鍍層中由于擴散作用也存在一部分鐵元素，此外鍍層中存在明顯的島狀析出相，其主要成分為硅和鐵。淬火后的板材拉伸測試表明其抗拉達到1 500 MPa級別，屈服高于1 000 MPa，延伸率在5%左右。

(2)采用應力控制方法的高周疲勞試驗中，鍍層板的疲勞性能低于裸板，對疲勞樣品的斷口分析發(fā)現(xiàn)鍍層板的裂紋源存在兩處，一處為鍍層表面裂紋形成的裂紋源，其自鍍層開始，逐漸向基體擴展，斷口斷面具有明顯的放射性特征，另一處為基體內(nèi)部夾雜物形成的裂紋源，而裸板的裂紋源則僅為基體內(nèi)部夾雜物形成的裂紋源。鍍層中的裂紋會向基體內(nèi)部擴展，增加了裂紋源的數(shù)量，使得鍍層板的疲勞性能變差。