摘要： 研究了基于釩鈮復合微合金化的鋁硅鍍層熱成形鋼在典型熱成形工藝下的拉伸性能、彎曲性能、氫脆敏感性、點焊工藝及性能和涂裝耐腐蝕性能。結(jié)果表明：在加熱溫度930 ℃、加熱時間300 s、保壓時間10 s的工藝條件下，試驗材料的抗拉強度達到2 000 MPa，極限尖冷彎角大于50°，強度和韌性匹配良好；其力學性能具有明顯的各向異性，在170 ℃保溫20 min的條件下烘烤后材料的韌性明顯提升；在0.1～500 s-1不同應變速率下的強度和塑性指標表現(xiàn)出不同的應變速率敏感性特征；在100%屈服強度的彎曲應力下和空氣環(huán)境中對熱成形后的材料進行四點彎曲試驗，靜置300 h未出現(xiàn)裂紋和斷裂，具有良好的抗氫脆性能；試驗材料的點焊接頭性能和涂裝耐腐蝕性能滿足應用要求。

關(guān)鍵詞：微合金化 熱成形鋼 彎曲性能 氫致延遲開裂 點焊接頭性能

中圖分類號：U465" " 文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240259

Application Performance of Microalloyed 2 000 MPa Grade Thermoformed Steels

Cao Guangxiang1，2， Zhao Longqing1，2， Jing Qi1， Xia Guangming1，2， Ju Meng1，2，

Liu Fengning1，2

（1. Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013；2. National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130013）

Abstract： This study investigates the tensile properties， bending properties， hydrogen embrittlement sensitivity， spot welding performance， and coating corrosion resistance of Al-Si coated thermoformed steel based on vanadium and niobium composite microalloy under typical hot forming processes. The results indicate that under heating temperature of 930 ℃， heating time of 300 s and holding time of 10 s， the experimental material achieves a tensile strength of 2 000 MPa and extreme tip cold bending angle is greater than 50°， demonstrating a favorable combination of strength and toughness. The mechanical properties exhibit significant anisotropy， with a notable improvement in toughness after baking at 170 ℃ for 20 minutes. The strength and ductility parameters display varying strain rate sensitivities across different strain rates ranging from 0.1 ～ 500 s-1. In a four-point bending test at 100% yield strength in an air environment， the hot-formed material show no cracks or fractures after 300 h， indicating excellent resistance to hydrogen embrittlement. Additionally， the spot welding performance and coating corrosion resistance of the experimental material meet application requirements.

Key words： Microalloying， Thermoformed steel， Bending property， Hydrogen induced delayed cracking， Spot welding joint performance

1 前言

熱成形鋼作為汽車輕量化材料廣泛應用于汽車A/B柱、車門防撞梁、前后保險杠、門檻等安全件，促進了汽車被動安全性能和輕量化水平的提升[1-3]。根據(jù)歐洲車身會議資料統(tǒng)計，熱成形鋼在車身上的平均應用比例已超過12%，其中沃爾沃車型的熱成形鋼應用比例普遍較高，最高達到39%[4]。目前，汽車熱成形零件應用最多的是1 500 MPa級熱成形鋼，隨著汽車碰撞安全和輕量化要求的提高，1 800～2 000 MPa級熱成形鋼已成為行業(yè)研究熱點并逐漸應用。安賽樂米塔爾、蒂森克虜伯、SSAB、寶鋼、鞍鋼、首鋼、攀鋼等鋼鐵公司都已有1 800～2 000 MPa級產(chǎn)品。雖然馬自達最早在2011年將1 800 MPa熱成形鋼應用于前防撞橫梁并量產(chǎn)[5]，但由于強度的提升帶來了材料韌性的降低、氫致延遲開裂風險的提高等應用難點，該強度級別熱成形鋼并未大量應用。文獻[6]～文獻[11]研究了1 800～2 000 MPa強度級別鋼的微合金化、金相組織、熱處理工藝等對性能的影響，為該級別鋼的產(chǎn)業(yè)化應用提供了基礎(chǔ)。文獻[12]基于輕量化應用研究了1 800 MPa級熱成形鋼的性能以及應用于車門防撞梁實現(xiàn)降重12.5%的輕量化效果。隨著材料強度的提高，其氫脆敏感性提高[13-14]，全馬氏體鋼的氫致延遲開裂傾向及影響機理是研究的重點課題。由于汽車車身材料在碰撞過程中是動態(tài)響應的，其力學性能表現(xiàn)出一定的應變速率敏感性[15-16]，晉家春等[17]對不同應變速率下的1 800 MPa鋼進行了力學性能研究，結(jié)果表明，研究的材料具有應變速率敏感性。對于2 000 MPa級熱成形鋼在保證超高強度的同時如何提升其彎曲韌性、抗氫脆、焊接等應用性能以及服役安全性能是行業(yè)研究的熱點。

以國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的2 000 MPa級微合金化鋁硅鍍層熱成形鋼為研究對象，介紹材料成分設(shè)計及強化機制，研究其拉伸性能、彎曲性能、氫脆敏感性、點焊工藝及性能、涂裝耐腐蝕等關(guān)鍵性能，分析其產(chǎn)業(yè)化應用的可行性。

2 試驗材料

試驗材料在傳統(tǒng)的34MnB5材料基礎(chǔ)上開發(fā)，主要通過添加微量的釩（V）和鈮（Nb）來改善和提升材料的綜合性能，主要成分如表1所示。微合金化的作用主要有：V、Nb與C結(jié)合，易形成納米尺寸的碳化物并在晶界析出，起到釘扎晶界、細化晶粒的作用，提升試驗材料的強韌性；通過VC析出，降低馬氏體中的碳含量，抑制脆性的孿晶馬氏體生成，改善材料的韌性和塑性；固溶的V可以提高淬透性；鋼中V 所含高結(jié)合能不可逆氫陷阱提高了材料的抗氫脆性能?；赩、Nb復合的微合金化成分設(shè)計，綜合運用固溶強化、細晶強化以及析出強化復合作用，并實現(xiàn)馬氏體的低碳控制技術(shù)，保障強度、塑性、韌性同時提高，可以得到綜合性能優(yōu)異的2 000 MPa級熱成形鋼。

試驗材料厚度1.6 mm，在熱成形之前的抗拉強度為587 MPa，屈服強度為424 MPa，斷后伸長率為21%，微觀組織為鐵素體與珠光體。為研究材料熱成形后的性能，在熱成形生產(chǎn)線上對試驗材料進行平板淬火試驗以模擬熱成形工藝過程，試驗平板的尺寸為300 mm×300 mm。采用鋁硅鍍層熱成形鋼典型加熱工藝，具體參數(shù)為：加熱溫度930 ℃，加熱時間300 s，保壓壓力4 500 kN，保壓時間10 s。試驗平板淬火后的金相組織如圖1所示，基體為全馬氏體組織，鍍層總厚度為38～42 μm，擴散層厚度為6～10 μm，淬火試驗得到的材料鍍層為鍍鋁硅熱成形鋼的典型鍍層結(jié)構(gòu)。為研究熱成形零件隨整車經(jīng)過涂裝烘烤時的性能變化，對淬火平板進行170 ℃溫度下保溫20 min的烘烤試驗模擬涂裝過程。

3 試驗方法及結(jié)果分析

3.1 拉伸性能

對淬火平板取樣進行室溫下準靜態(tài)拉伸、動態(tài)拉伸試驗分析其性能。準靜態(tài)拉伸試驗在電子萬能試驗機上進行，試驗方法參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，拉伸試樣使用標準中的P5試樣。動態(tài)拉伸試驗方法參照ISO 26203-2：2011《金屬材料 高應變速率拉伸試驗 第2部分：液壓伺服和其他試驗系統(tǒng)》，分別進行0.1～500 s-1應變速率的拉伸試驗以研究材料在高應變率下的力學行為，應變測量使用高速攝像機記錄，結(jié)合數(shù)字圖像方法（Digital Image Correlation，DIC）分析應變。拉伸試驗試樣尺寸見圖2。

對淬火狀態(tài)、烘烤狀態(tài)下的試驗材料分別在平行軋制方向（規(guī)定為0°方向）和垂直軋制方向（規(guī)定為90°方向）進行準靜態(tài)拉伸正交試驗，每組試驗數(shù)量為3件，試驗結(jié)果的算數(shù)平均值如表2所示。由表2可以看出，試驗材料的拉伸性能存在各向異性，0°方向的強度值明顯高于90°方向，而斷后伸長率為0°方向低于90°方向。烘烤后材料的規(guī)定塑性延伸強度和斷后伸長率均有明顯提升，抗拉強度明顯降低，其中：規(guī)定塑性延伸強度提高125 MPa以上，提高比例9.1%以上；抗拉強度降低127 MPa以上，降低比例6.2%以上；斷后伸長率提高0.4%以上，提高比例8%以上。

考慮到試驗材料拉伸性能的各向異性，動態(tài)拉伸試驗試樣按強度較低即90°方向取樣以提高碰撞仿真分析的安全裕度，烘烤后進行試驗。動態(tài)拉伸試驗的應變速率分別為0.1 s-1、1 s-1、10 s-1、100 s-1和500 s-1，每個應變速率進行3次試驗，輸出工程應力-工程應變曲線并與準靜態(tài)拉伸曲線比較，不同應變速率的工程應力-工程應變曲線如圖3所示，從圖中可以看出，不同應變速率的曲線非常接近，材料抗拉強度沒有表現(xiàn)出明顯的應變速率敏感性。

為定量分析材料在不同應變速率下的拉伸性能特征，記錄每個應變速率下的規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度及斷裂總延伸率數(shù)值，試驗結(jié)果平均值如表3所示。

由表3中不同應變速率的數(shù)據(jù)可以看出：強度指標規(guī)定塑性延伸強度表現(xiàn)出一定的應變速率敏感性，隨應變速率的提高，規(guī)定塑性延伸強度提高，在應變速率500 s-1時較準靜態(tài)時提高106 MPa，提高比例為7.2%；抗拉強度沒有表現(xiàn)出明顯的應變速率敏感性，高應變速率下的抗拉強度較準靜態(tài)時最大提高僅20 MPa，比例為1%；塑性指標斷裂總延伸率在應變速率0.1～500 s-1的范圍表現(xiàn)出明顯提升，最大提高比例38.2%。動態(tài)拉伸的強度和塑性指標的變化情況如圖4所示。研究表明，材料在高應變速率下發(fā)生的塑性變形會導致位錯密度增大，位錯增殖嚴重，導致位錯滑移變得困難，宏觀表現(xiàn)為材料強度的提高；材料在發(fā)生塑性變形的同時還會發(fā)生絕熱溫升現(xiàn)象[18]，即在高應變速率時，拉伸速度快導致試樣局部產(chǎn)生大量的熱能來不及全部擴散到空氣中，導致試樣局部升溫出現(xiàn)軟化而材料塑性提升現(xiàn)象，材料的應變速率強化和絕熱溫升引起的軟化相互作用解釋了材料的強度和塑性指標的應變速率敏感性特征。

3.2 彎曲性能

熱成形鋼的彎曲性能是其應用評價的關(guān)鍵指標之一，使用極限尖冷彎試驗獲得的極限尖冷彎角表征其彎曲韌性已成為行業(yè)通用的方法，按照T/CSAE 154—2020《汽車用鋼板極限尖冷彎性能測試及評價規(guī)范》進行試驗，試驗裝置及加載如圖5所示[19]，試驗樣件寬度b和長度l均為60 mm，樣件采用激光切割，兩側(cè)滾輪的直徑D=30 mm，兩滾輪之間的間隙L=3.7 mm，S為壓頭的位移，F(xiàn)為加載載荷。規(guī)定加載壓頭棱邊方向平行軋制方向為0°方向，垂直軋制方向為90°方向。對試驗樣件分別進行2個方向（0°、90°）和2種狀態(tài)（淬火狀態(tài)、烘烤狀態(tài)）的試驗，每組試驗數(shù)量為3件，獲得力-位移曲線，并根據(jù)標準中的公式計算極限尖冷彎角，計算結(jié)果如表4所示。

由表4中試驗結(jié)果可以看出，試驗材料的彎曲韌性存在各向異性，在淬火狀態(tài)，90°方向的極限尖冷彎角較0°方向高7.6°，烘烤后0°和90°方向的極限尖冷彎角分別提高6.3°和6.1°，均有明顯提升。試驗材料在烘烤態(tài)的極限尖冷彎角大于56°，接近1 500 MPa鋁硅鍍層熱成形鋼的水平，表明該材料具有優(yōu)異的彎曲韌性，文獻[20]研究結(jié)果表明，通過V微合金化，實現(xiàn)了納米尺寸的VC析出顆粒在熱成形后馬氏體中彌散分布，同時大量VC的析出降低了基體的C含量，有效抑制了脆性孿晶馬氏體的生成，使34MnB5V材料在達成2 000 MPa強度的同時保持了與1 500 MPa的22MnB5鋼相當?shù)膹澢鷶嗔秧g性。

3.3 氫脆敏感性

熱成形鋼的氫脆敏感性是其在應用中重點關(guān)注的評價項目，試驗方法有恒載荷下U彎、三點/四點彎曲、應力環(huán)、慢應變速率拉伸等。本文采用恒載荷四點彎曲試驗方法，試樣尺寸為125 mm（軋制方向）×40 mm，試驗裝置及加載方式如圖6所示[21]。四點彎曲試驗的彎曲應力為烘烤后試樣的100%屈服強度即1 493 MPa，試驗數(shù)量為3組平行試樣，按式（1）計算得出試樣的加載位移平均值為7.76 mm，試樣加載后在空氣環(huán)境中靜置300 h，通過觀察試樣是否產(chǎn)生裂紋及發(fā)生斷裂以定性地評價試驗材料的氫脆敏感性。試驗結(jié)束后的試樣形貌如圖7所示，對試樣加載最高點和外邊緣位置進行觀察，均無裂紋出現(xiàn)，沒有斷裂現(xiàn)象發(fā)生，表明材料具有良好的抗氫脆性能，通過微合金化使試驗材料基體中形成碳氮化物作為不可逆氫陷阱，可捕獲氫原子，減少氫在鋼中的擴散和聚集，從而提高試驗材料的抗氫脆性能。

試驗裝置外彎曲表面應力為：

[σ=12Ety/（3H2-4A2）] （1）

式中：[σ]為外彎曲表面應力，[E]為彈性模量，[t]為試樣厚度，[y]為加載位移，[H]為外支架間距，A為內(nèi)支架間距。

3.4 點焊工藝及性能

點焊工藝試驗采用OBARA DB-220型固定式逆變點焊機，標稱功率為220 kV·A，電極端面直徑為8 mm（電極材料為鉻鋯銅），為了穩(wěn)定電極帽狀態(tài)，試驗在新電極帽的第11點至第100點的范圍內(nèi)進行，試驗過程中不對電極帽進行修磨。點焊后進行剝離焊點試驗，剝離試驗后用精度為0.02 mm的游標卡尺測量最小剝離焊點直徑。規(guī)定第一次出現(xiàn)最小剝離焊點直徑 [dmin≥4t]時的焊接電流為最小焊接電流[Imin]，從[Imin]開始，焊接電流以200 A遞增，當連續(xù)2個焊點都產(chǎn)生飛濺，電流以100 A步進遞減后繼續(xù)試驗，出現(xiàn)連續(xù)3個平行點焊試驗都不產(chǎn)生飛濺時的電流值規(guī)定為最大焊接電流[Imax]。對于1.6 mm的試驗材料，最小剝離焊點直徑要求為5.06 mm。點焊工藝及性能測試內(nèi)容包括焊接電流窗口、剪切拉伸、十字拉伸以及顯微硬度測試。

試驗選定的焊接壓力為6 kN，焊接時間依次為525 ms、656 ms、787 ms，焊接工藝參數(shù)和剝離焊點試驗結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5數(shù)據(jù)繪制試驗材料的焊接電流窗口，將各焊接時間下所得到的[Imin]和[Imax]分別記為點A、B、C、D、E、F，如圖8所示?？梢钥闯觯敽附訒r間為 525 ms、656 ms、787 ms時，最大焊接電流范圍均為 1.5 kA，能夠滿足工程應用要求。

為驗證焊點性能，以焊接時間656 ms、最大焊接電流[Imax]減去200 A為工藝參數(shù)（圖8中G點）分別制備3個焊接剪切拉伸試樣、3個十字拉伸試樣以及1個硬度試樣進行焊點性能測試。使用 Zwick-Z100型拉伸試驗機測試焊點剪切拉伸和十字拉伸性能，拉伸速率為10 mm/min，剪切拉伸試驗的最大力為16 887 ～17 353 N，十字拉伸試驗的最大力為3 227 ～3 555 N，焊點失效形式均為紐扣斷裂。使用FLC-ARS9000維氏硬度測量系統(tǒng)，對點焊接頭進行顯微硬度測量，測量結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯酆藚^(qū)的顯微硬度在620～670 HV之間波動，熱影響區(qū)存在明顯軟化，硬度為399 HV，相對于母材硬度衰減約30%，因此在碰撞仿真分析中應考慮焊點熱影響區(qū)軟化的性能變化。

3.5 涂裝耐腐蝕性能

采用淬火后的平板進行激光切割制備試驗樣板，尺寸為100 mm×200 mm，在現(xiàn)生產(chǎn)涂裝線上掛片進行電泳以模擬零件涂裝過程，涂裝工藝流程為前處理→電泳→烘干。對電泳后的樣板按照企業(yè)標準進行循環(huán)交變腐蝕試驗及耐中性鹽霧試驗以評價其耐腐蝕性能，試驗結(jié)果如表6所示。可以看出，該試驗材料具有良好的耐腐蝕性能。

4 結(jié)論

a.微合金化2 000 MPa級熱成形鋼在加熱溫度930 ℃、加熱時間300 s、保壓時間10 s的工藝條件下，淬火狀態(tài)的材料抗拉強度達到2 000 MPa以上，其力學性能存在各向異性，0°方向的強度高于90°方向，斷后伸長率低于90°方向；烘烤后，抗拉強度降低6.2%以上，規(guī)定塑性延伸強度提高9.1%以上，斷后伸長率提高8%以上。在0.1～500 s-1應變速率下，材料的規(guī)定塑性延伸強度和斷裂總延伸率表現(xiàn)出應變速率敏感性特征，抗拉強度未表現(xiàn)出明顯的應變速率敏感性。

b.微合金化2 000 MPa級熱成形鋼具有良好的彎曲韌性，其彎曲韌性存在各向異性，90°方向的極限尖冷彎角高于0°方向；淬火狀態(tài)的極限尖冷彎角大于50°，烘烤后的極限尖冷彎角大于56°。

c.微合金化2 000 MPa級熱成形鋼具有良好的抗氫脆性能，在1 493 MPa彎曲應力下進行四點彎曲試驗，空氣環(huán)境中靜置300 h未出現(xiàn)裂紋和斷裂。

d.微合金化2 000 MPa級熱成形鋼具有較好的點焊性能，電流工藝窗口達到1.5 kA，焊點熱影響區(qū)有明顯的軟化，硬度為399 HV，較母材硬度下降約30%。

e.微合金化2 000 MPa級熱成形鋼具有良好的涂裝耐腐蝕性能，60個循環(huán)的交變腐蝕試驗和1 000 h的耐中性鹽霧試驗結(jié)果滿足標準要求。

參考文獻：

[1] 路洪州， 趙巖， 馮毅， 等. 鈮微合金化熱成形鋼的最新進展[J]. 汽車工藝與材料， 2021（4）： 23-32.

[2] 許偉， 方剛， 張鈞萍， 等. 面向汽車碰撞安全的熱成形鋼斷裂失效表征與驗證[J]. 塑性工程學報，2020，27（6）：121-128.

[3] 馬鳴圖. 先進汽車用鋼[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2008.

[4] 世界汽車車身技術(shù)及輕量化技術(shù)發(fā)展跟蹤研究編委會. 世界汽車車身技術(shù)及輕量化技術(shù)發(fā)展研究[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2018.

[5] 高宏適. 1 800 MPa級汽車車體部件熱成形技術(shù)開發(fā)[N]. 世界金屬導報， 2015-06-23（B12）.

[6] 楊海根， 趙征志， 楊源華， 等. 1 800 MPa級冷軋熱成形鋼的組織與性能[J]. 材料熱處理學報， 2017， 38（7）： 120-125.

[7] 王彭濤， 李學濤， 李翔宇， 等. 2 000 MPa熱沖壓鋼相變行為及熱沖壓溫度工藝研究[J]. 冶金與材料， 2019， 39（5）：1-4.

[8] 陳波， 尹樹春， 梁振威， 等. 高韌性2GPa級熱成形鋼熱沖壓工藝及應用性能分析[J]. 金屬熱處理， 2023， 48（7）：166-175.

[9] 田秀剛， 王朝， 孫旭， 等. 加熱溫度對34MnB5熱成形鋼組織性能的影響[J]. 金屬熱處理， 2023， 48（3）： 135-139.

[10] 耿志宇， 張宇， 薛晗，等. 微合金化2 000 MPa熱成形鋼的析出相熱力學計算與強韌性[J]. 金屬熱處理， 2022， 47（11）： 192-198.

[11] 王鵬程， 趙棪， 路洪洲， 等. 超高強度熱成形鋼研究進展及展望[J]. 中國冶金， 2023， 33（11）： 12-28.

[12] 曹廣祥， 蘆強強， 宋起峰， 等. 基于1 800 MPa級熱成形鋼的車門防撞梁輕量化設(shè)計分析[J]. 汽車工藝與材料，2021（4）： 40-43.

[13] 諶康， 夏彬， 徐樂， 等. 2 000 MPa級馬氏體鋼的氫脆敏感性[J]. 材料熱處理學報， 2017， 38（8）： 76-82.

[14] KOMATSUZAKI Y， JOO H， YAMADA K. Influence of Yield Strength Levels on Crack Growth Mode in Delayed Fracture of Structural Steels[J]. Engineering Fracture Mechanics， 2008， 75（3）： 551-559.

[15] 賈耿偉， 趙渭良， 王愛民， 等. 雙相鋼780DP的動態(tài)拉伸性能[J]. 四川冶金， 2020， 42（3）： 18-21.

[16] 梁江濤， 趙征志， 尹鴻詳， 等. 超高強熱成形鋼的應變速率敏感性[J]. 工程科學學報， 2018， 40（9）： 1083-1090.

[17] 晉家春， 鄧宗吉， 楊崢， 等. 不同應變速率下的1 800 MPa級熱成形鋼力學性能研究[J]. 安徽冶金科技職業(yè)學院學報， 2020（3）： 6-8.

[18] 唐長國， 朱金華， 周惠久. 金屬材料拉伸的高應變率增塑現(xiàn)象及分析[J]. 材料研究學報， 1996， 10（1）： 19-24.

[19] 汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟. 汽車用鋼板極限尖冷彎性能測試及評價規(guī)范： T/CSAE 154-2020[S]. 北京：中國汽車工程學會， 2020.

[20] 易紅亮， 常智淵， 才賀龍， 等. 熱沖壓成形鋼的強度與塑性及斷裂應變[J]. 金屬學報， 2020， 56（4）： 429-443.

[21] BSI. Corrosion of Metals and Alloys—Stress Corrosion Testing—Part 2： Preparation and Use of Bent-Beam Specimens： BS EN ISO 7539-2 [S]. London： BSI， 1995.