王立輝，董伊康，張 青，劉天武，曹宏瑋，楊 婷，谷輝格

（河鋼集團鋼研總院，河北 石家莊 050023）

0 引言

隨著汽車品牌不斷迭代升級，產品更新速度加快，采用對標解析來評估和掌握汽車零件材料技術發(fā)展趨勢成為各大汽車主機廠的主要手段。依托于材料解析手段獲取材料信息和性能數據，可為整車新工藝、新材料及輕量化的研究提供強大數據支撐，為新車型的正向設計提供專業(yè)的技術支持，降低產品的研發(fā)周期及成本。伴隨著環(huán)保、安全與節(jié)能減排等法律法規(guī)的實施，使得先進高強鋼（AHSS）獲得了快速發(fā)展，在汽車工業(yè)獲得了廣泛應用，以減輕車身重量、降低油耗和減少二氧化碳排放[1-3]。在汽車白車身輕量化設計中，鋼鐵材料，尤其是一些先進的高強度鋼仍然會占主導，合適的鋼材用在合適的位置，可以實現白車身的物理性能、化學性能和工藝性能的良好結合，做到經濟性、可獲得性等優(yōu)勢[4]。各個汽車車型A、B柱、保險杠等零部件主流選材為先進高強度鋼，一般會選用熱成形鋼、雙相鋼、相變誘導塑性鋼、馬氏體鋼等。汽車生產企業(yè)一般采用正向設計與選材和逆向設計與選材，而合適的選材對于實現車型輕量化至關重要。材料逆向解析與材料測試不同，由于材料未知，也缺少明確的判定標準及規(guī)則，需要從多方面、多角度進行綜合分析以便準確地確定材料牌號。

本文針對某車型A 柱下豎板零件，重點從材料成分、組織和性能等維度綜合逆向解析并判定材料牌號，旨在了解該車型A 柱下豎板的材料選擇，為后續(xù)車型設計和同步工程開發(fā)提供參考，也為鋼鐵企業(yè)高強度雙相鋼的產品開發(fā)與應用提供借鑒。

1 試驗材料和檢測方法

實驗材料選擇厚度為1mm 的某車型A 柱下豎板。取樣過程中綜合考慮了取樣位置、取樣方法和尺寸大小的影響，構建了化學成分、力學性能、金相組織和顯微硬度等測試方式的取樣、制樣與規(guī)范。本次A柱下豎板試驗樣件如圖1所示。

圖1 A柱下豎板試驗樣件

1.1 力學性能分析

拉伸試樣的取樣及制樣選取平直度較好位置進行，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分:室溫試驗方法》，在試驗樣件上加工出標距為A50mm的拉伸試樣。加工好的拉伸試樣在Zwick/Roell 100kN電子拉伸試驗機上進行單向拉伸試驗，采用應變速率控制模式，應變速率為0.00025/s，利用試驗機配置的全自動引伸計測定應變。

1.2 金相分析

金相試樣的制備滿足GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》的相關要求，試樣經切割、鑲嵌、磨制、拋光和4%的硝酸酒精溶液腐蝕，硝酸酒精溶液腐蝕時間為4s～5s，然后在Imager.M2m 型光學顯微鏡上觀察顯微組織。

1.3 顯微硬度分析

硬度測試試樣直接選用金相試樣，依據GB/T 4342-1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》進行，采用Tukon2500 Minuteman 型顯微維氏硬度計測顯微硬度，載荷為9.8N，保載時間為15s，隨機測3 個點并取平均值。

1.4 化學成分分析

化學成分采用ARL4460火花直讀光譜儀，依據GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進行測試。測試前需要先在零件上取規(guī)格為1.0mm×30mm×30mm 試驗樣，將表面打磨除掉漆膜，然后用砂紙打磨光亮。

2 分析結果與討論

2.1 材料牌號確定流程及原則

通過以上分析方法得到的測試數據需要綜合考慮原材料與零部件成形性及加工方式的匹配性，保證成分-組織-性能的對應性及合理性。本次對標的車型是進口車型，通過查閱不同國家的材料標準可以看出，不同的材料體系中常規(guī)力學性能相差不大，但是成分體系有明顯差異；另外對于相同的類別，不同的牌號其性能通常沒有明確的界限，并且存在一定范圍的交叉。其次，原材料加工成零部件的過程中經歷了復雜的塑性變形，由加工引起的性能改變也需要綜合考慮。因此進行材料的逆向解析確定牌號時，可按照如下流程操作：

（1）進行零部件形狀的觀察，分析其成形工藝路徑，依據零部件在整車中的位置及作用工況，定性地確認常用材料品種及級別。

（2）結合可取樣位置及大小，按照拉伸性能、金相組織、化學成分等性能綜合分析及判定。原則上拉伸性能是材料判定最直觀的要素，盡可能優(yōu)先判定材料等級作為牌號劃分的基礎，其次金相組織能夠初步判定材料種類，在明確材料種類的基礎上根據化學成分分析其成分體系對材料組織、性能的影響。

2.2 力學性能

在零件上取樣測試力學性能結果如表1所示。因是在成形后的零件上取樣測試，試驗材料因受沖壓變形的影響，相較沖壓前的原板屈服強度會略有增加、延伸率會有所降低，抗拉強度不會變化。因此，以抗拉強度為準，輔以屈服強度和延伸率作為參考，根據力學性能測試結果，該材料符合HC550/980DP、HC650/980DP 雙相鋼和HC600/980QP 淬火配分鋼標準要求。

表1 試驗鋼的力學性能

試驗樣的應力-應變曲線如圖2所示。由圖2可以看出，該試驗樣拉伸過程中呈現連續(xù)屈服狀態(tài)，表現出雙相鋼和淬火配分鋼連續(xù)屈服的典型力學特征。

圖2 試驗鋼的應力-應變曲線

2.3 微觀組織和顯微硬度

試驗樣的金相觀察結果如圖3所示。由圖3可以看出，試驗樣的微觀組織為細小均勻的鐵素體和馬氏體，馬氏體分布于鐵素體基體中，部分在橫向呈帶狀，說明金相觀察的是鋼板的縱截面，并且顯示了試驗樣金相組織具有拉伸變形的典型特征。雙相鋼是由硬質馬氏體和軟相鐵素體組成，其中馬氏體主要起強化作用，鐵素體提供塑性[5]，試驗樣的微觀組織符合雙相鋼的金相組織特征。而試驗樣并未出現以馬氏體為主以殘余奧氏體為輔的Q&P鋼的典型組織特征，為此，結合前述力學性能測試結果，可以排除該零部件為HC600/980QP淬火配分鋼材料。

圖3 試驗鋼的金相組織×500

取金相樣測試顯微硬度值為304HV10，硬度實驗結果表明，與抗拉強度980MPa相對應，這進一步表明該材料為抗拉強度980MPa 級的雙相鋼。雙相鋼的力學性能不僅僅由其中的鐵素體和馬氏體含量決定，同時也由馬氏體的分布所決定[6]。此次試驗鋼馬氏體呈大小均勻的島狀分布于鐵素體基體中，這很有利于保證材料在沖壓成形過程中保持良好的拉延性，避免了超高強度鋼沖壓開裂現象。

2.4 化學成分

對于雙相鋼的成分體系，各個鋼鐵企業(yè)雙相鋼成分體系不一致，基本上在碳錳鋼的基礎上，添加Cr 和Mo 元素提高淬透性，采用不同的Si、Mn 及微合金元素Nb、Ti 等固溶強化、細晶強化和析出強化。試驗鋼化學成分分析結果如表2所示。由表2可以看出，低碳鋼中添加了淬透性元素Cr和Mo，另外鋼中輔以細晶強化和沉淀強化元素Nb 和Ti，根據化學成分體系結合力學性能以及微觀組織和厚度規(guī)格，可以推斷該零件材料為HC650/980DP冷軋雙相鋼。

表2 試驗鋼化學成分分析結果（質量百分數）wt%

采用高強度鋼板不但可以實現汽車的輕量化，同時還能提高汽車的被動安全性，因此先進高強度鋼板在汽車上的使用日益增多，尤其是雙相鋼[7]。雙相鋼由鐵素體和馬氏體組成，以相變強化為基礎，具有低屈強比、高的初始加工硬化速率[8-9]以及良好的塑性、強度和烤漆性能[10]等優(yōu)點，廣泛應用于汽車的A 柱、B 柱及其輔助零部件。汽車A 柱總成材料質量對于整車安全性能非常重要，因此具有符合技術要求的A 柱下豎板選材是關鍵，本此零件的解析流程及原則可供同業(yè)者參考。

3 結語

本文設計了汽車A 柱下豎板試驗樣鋼種牌號的確定流程及原則，根據試驗樣化學成分、力學性能、金相組織和顯微硬度等測試數據結果，對該試驗樣鋼種的牌號進行了研究，在綜合分析后確定了該試驗樣鋼種的牌號。

（1）力學性能結果表明，試驗鋼符合HC550/980DP、HC650/980DP 雙相鋼和HC600/980QP 淬火配分鋼標準要求，且應力-應變曲線特征也符合以上牌號級別材料。

（2）金相組織結果表明，試驗鋼由鐵素體和馬氏體組成，顯微硬度測試結果顯示硬度為304HV10，表明該材料為抗拉強度980MPa級的雙相鋼。

（3）化學成分結合力學性能和金相組織分析結果表明，試驗鋼為鉻鉬系HC650/980DP雙相鋼。