中圖分類號(hào)：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250088

Abstract：Taking 22O MPa grade ultra-low carbon bake-hardening stels as the research object，this paper compares and aralyzes test steel with Nb single-addition （H220BD-1） and Nb+Ti dual-addition （H22OBD-2） systems. Through solid solutioncarbon calculationsand internal friction methoddetermination，the paper explores the influence of solidsolution carbon onaging behavior underdiferent compositionsystems，andcombines with microstructuregriain sizecharacterization to elucidate the correlation mechanism between grain dimensions and Bake-Hardening （BH） value with aging resistance.Results demonstrate that Ti adition significantly reduces solid solution carbon content， efectivelysuppressing dynamiccarbon segregation during aging.Thedual-addition system achieves grainrefinement， enhancing strength via Hall-Petch effect while improving aging stability.

Keywords：Bake-hardeningsteels，Solid solutioncarbon，Agingresistance，Grainrefinement

1前言

超低碳烘烤硬化鋼板（UCL-BH）是車身覆蓋件的理想材料，因具有優(yōu)異的沖壓成形性能、良好的塑性、抗凹陷性能及抗沖擊性能等，可以很好地解決汽車面板成形性能與抗凹陷性能間的矛盾，其是在超低碳IF鋼的成分基礎(chǔ)上通過(guò)加入Ti、Nb、V等穩(wěn)定化元素，使鋼中的絕大部分C、N原子被固定成碳氮化物，以獲得較好的深沖性能[1-4]，后經(jīng)退火工藝使得基體內(nèi)殘留一定數(shù)量的固溶C原子，沖壓鋼板在經(jīng)過(guò)烤漆處理后，獲得性能的提升，從而提高了汽車的抗凹陷性能。

國(guó)內(nèi)外BH鋼產(chǎn)品均存在不同程度的時(shí)效問(wèn)題，如何在保證烘烤硬化特性的同時(shí)，保證鋼板的耐時(shí)效性，是當(dāng)前的行業(yè)難題，BH鋼主要成分體系包括Ti體系、Nb體系及 Nb+Ti 雙加體系，均存在不同程度的性能波動(dòng)，核心在于鋼中固溶C的穩(wěn)定化控制，研究鋼中固溶C與烘烤硬化特性及耐時(shí)效性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4-5]，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)及工藝控制，實(shí)現(xiàn)鋼中固溶C的穩(wěn)定化控制，是解決當(dāng)前問(wèn)題的關(guān)鍵。

本文通過(guò)成分體系對(duì)比、微觀組織分析及性能評(píng)價(jià)，分析 220MPa 級(jí)烘烤硬化鋼耐時(shí)效性能及烘烤硬化性能的影響機(jī)理，為后續(xù)優(yōu)化烘烤硬化鋼成分設(shè)計(jì)及解決時(shí)效問(wèn)題提供理論依據(jù)，支撐具有良好加工性能和使用性能的耐時(shí)效超低碳熱鍍鋅烘烤硬化鋼板的開發(fā)。

2 試驗(yàn)料與方法

試驗(yàn)所用的材料為工業(yè)化生產(chǎn)的熱鍍鋅烘烤硬化鋼板H220BD，選取的試驗(yàn)鋼采用Nb體系及ΔNb+Ti 雙加體系，H220BD-1及H220BD-2成分如表1所示，其他相關(guān)的強(qiáng)化元素成分一致，表中未列出。

對(duì)2個(gè)試驗(yàn)鋼采用相同的退火工藝，在熱鍍鋅產(chǎn)線上進(jìn)行退火試驗(yàn)，其中退火溫度為820°C ，具體工藝如圖1所示，后續(xù)采用固溶碳檢測(cè)儀，通過(guò)內(nèi)耗法（Snoek峰分析）定量表征試驗(yàn)鋼中固溶碳含量。同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效性能及BH值測(cè)定，將試樣在 100° 下分別時(shí)效 ^0h 、24h.168h ，測(cè)試屈服強(qiáng)度變化用于表征時(shí)效性能，對(duì)拉伸試樣進(jìn)行預(yù)應(yīng)變 2% 后，在 170^°C 下烘烤 20min ，計(jì)算烘烤硬化增量，烘烤硬化值為試樣經(jīng)過(guò)保溫處理后的下屈服強(qiáng)度或者非比例延伸 0.2% 對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度與烘烤前同一試樣2% 預(yù)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度的差值，用BH值表示。最后通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察試驗(yàn)鋼H220BD-1及H220BD-2的組織差異性，通過(guò)晶粒尺寸和晶粒的均勻性探索成分、組織及性能的關(guān)聯(lián)性。

圖1試驗(yàn)鋼H220BD退火工藝制度

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1固溶碳對(duì)時(shí)效行為的影響

鋼中固溶碳含量與鋼的成分密切相關(guān)，通過(guò)鋼中C、N、Nb、Ti的含量及各元素間反應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，考慮到氮化物和碳化物的析出順序，按照如下方式進(jìn)行鋼中固溶碳的核算[5]：

a.Ti/N原子比 ?1 時(shí)， 主要與Ti、Al結(jié)合，C主要與 Nb 結(jié)合：

式中： W（C）_unstabilized 為鋼中固溶碳含量理論計(jì)算值， W（C）_tatal 為鋼中碳含量， 為鋼中 Nb 元素碳含量。

b.Ti/N原子比 gt;1 時(shí)， N 主要與Ti結(jié)合，C與Ti、 Nb 結(jié)合：

式中： W（Ti） 為鋼中Ti元素碳含量， W（N） 為鋼中N元素碳含量。

以上計(jì)算過(guò)程，可通過(guò)化學(xué)成分對(duì)鋼中固溶碳含量進(jìn)行初步估計(jì)，但實(shí)際上鋼中固溶碳含量還與熱軋、冷軋及退火工藝緊密相關(guān)，涉及鋼中碳化物的析出及回溶，因此可通過(guò)固溶碳檢測(cè)儀對(duì)鋼中晶內(nèi)固溶碳進(jìn)行檢測(cè)，理論計(jì)算及實(shí)際檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2試驗(yàn)材料中的固溶碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ×10-

同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效性能檢測(cè)，將試樣在100° 下分別時(shí)效 0h，24h，168h 后，檢測(cè)屈服強(qiáng)度的變化，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

結(jié)果顯示，H220BD-1的固溶碳含量理論計(jì)算結(jié)果為 13×10^-6 ，內(nèi)耗法檢測(cè)晶內(nèi)固溶碳含量約為9×10^-6 ，而H220BD-2因Ti的碳化物形成作用使晶內(nèi)固溶碳含量降至 5.5×10^-6 。時(shí)效過(guò)程中，H220BD-1屈服強(qiáng)度增幅達(dá) 35MPa（168h） ，顯著高于H220BD-2的 18MPa 。在H220BD-1（Nb體系）中，由于只有Nb的存在，碳原子更傾向于與 Nb 結(jié)合形成細(xì)小的NbC析出相。這些析出相在時(shí)效過(guò)程中逐漸形成，釘扎位錯(cuò)，從而提高屈服強(qiáng)度。此外，較高的固溶碳含量（ 13×10^-6 ）可能提供了更多的碳原子參與析出，增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化效果。在H220BD-2（ Nb+Ti 體系）中，Ti的加入改變了碳的分配。Ti與C的結(jié)合能力可能比Nb更強(qiáng)，因此會(huì)優(yōu)先形成TiC析出相。然而，TiC的形成消耗了一部分碳原子，導(dǎo)致可用于NbC析出的碳減少。以上分析表明，鋼中Ti的添加通過(guò)固定殘余碳原子有效降低了鋼中固溶碳含量，抑制了時(shí)效初期碳-位錯(cuò)交互作用，從而延緩強(qiáng)度波動(dòng)，提高了材料的耐時(shí)效性能。

同時(shí)，鋼中固溶碳含量與鋼的成分及微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。除Nb、Ti對(duì)碳的固定作用外，晶粒細(xì)化導(dǎo)致的晶界密度增加亦顯著影響C、N原子的擴(kuò)散與偏聚行為。研究表明，晶界作為高能區(qū)域，易成為間隙原子（如C、N）的偏聚場(chǎng)所H220BD-2中因Nb、Ti的添加，會(huì)實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，導(dǎo)致晶界面積增加，為C、N提供了更多偏聚位點(diǎn)。晶界偏聚的C、N原子可與Ti、Nb結(jié)合形成穩(wěn)定的碳氮化物（如TiC、NbC、TiN），從而降低晶內(nèi)固溶碳含量。此外，晶界偏聚的C原子在時(shí)效初期可能優(yōu)先參與晶界附近析出相的形核，抑制晶內(nèi)碳原子向位錯(cuò)線的擴(kuò)散，延緩動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效（Dynamic StrainAging，DSA）進(jìn)程[7]。這一機(jī)制進(jìn)一步解釋了H220BD-2中固溶碳含量降低 （5.5×10^-6） 0但時(shí)效強(qiáng)度增幅較?。?18MPa 的原因：晶界偏聚不僅減少晶內(nèi)固溶碳，還通過(guò)局域析出消耗部分碳原子，削弱了碳-位錯(cuò)交互作用的時(shí)效強(qiáng)化潛力。

3.2晶粒尺寸與成分體系的關(guān)聯(lián)性

對(duì)基板的顯微組織進(jìn)行觀察，顯微組織照片（ ×200 倍）如圖2所示，試驗(yàn)鋼H220BD-1的晶粒尺寸約為 22μm ，而H220BD-2通過(guò) Nb+Ti 雙加的成分體系，有效實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化，晶粒尺寸約為 16μm Nb和Ti在鋼中優(yōu)先與C、N結(jié)合，形成穩(wěn)定的納來(lái)級(jí)碳氮化物（如NbC、TiC、TiN等）8]。這些析出物在高溫奧氏體化過(guò)程中（如連鑄或熱軋加熱階段）仍能保持穩(wěn)定性。同時(shí)，析出的碳氮化物顆粒（尤其是TiN）在奧氏體晶界處形成物理障礙，通過(guò)Zener釘扎機(jī)制阻礙晶界遷移，從而有效抑制奧氏體晶粒的粗化，奧氏體晶界處的碳氮化物（如NbC）可作為鐵素體形核的有效位置，增加形核密度，細(xì)化鐵素體晶粒，最終使退火后的基體晶粒尺寸發(fā)生了明顯細(xì)化。

對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行背向散射電子衍射（ElectronBackScatterDiffraction，EBSD）微觀分析，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸的分布情況，如圖3所示，可見H220BD-2實(shí)現(xiàn)了整體晶粒尺寸細(xì)化的同時(shí)，均勻性也明顯提高，有效改善了晶粒異常長(zhǎng)大的情況。Nb和Ti的添加通過(guò)形成多尺度、高穩(wěn)定性的析出相，在高溫至低溫的不同階段持續(xù)抑制晶界遷移，同時(shí)與控軋控冷工藝協(xié)同，促進(jìn)高密度均勻形核并限制晶粒生長(zhǎng)速率差異，最終實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化與均勻性的雙重提升，這種機(jī)制對(duì)烘烤硬化鋼的強(qiáng)度、韌性及成形性能優(yōu)化具有重要意義

（a）試驗(yàn)鋼H220BD-1微觀組織

（b）試驗(yàn)鋼H220BD-2微觀組織

圖2試驗(yàn)鋼微觀組織

（a）試驗(yàn)鋼H220BD-1EBSD結(jié)果

（b）試驗(yàn)鋼H220BD-1EBSD結(jié)果統(tǒng)計(jì)

（c）試驗(yàn)鋼H220BD-2EBSD結(jié)果

圖3試驗(yàn)鋼EBSD結(jié)果

3.3 時(shí)效性能優(yōu)化機(jī)制

烘烤硬化鋼性能的關(guān)鍵在于烘烤硬化特性與耐時(shí)效性能的兼顧，對(duì)上述試驗(yàn)鋼H220BD-1及H220BD-2選取3個(gè)不同位置的試樣，進(jìn)行預(yù)應(yīng)變2% 后，在 170^°C 下烘烤 20min ，測(cè)量BH值[]，結(jié)果如表4所示，同時(shí)結(jié)合表3中的耐時(shí)效性能，分析2種不同的成分體系下BH值及耐時(shí)效性能的優(yōu)化機(jī)制。

結(jié)果顯示，試驗(yàn)鋼H220BD-2因 Nb+Ti 的添加，導(dǎo)致鋼中的固溶碳含量降低，但BH值未明顯下降。Nb和Ti的復(fù)合添加顯著細(xì)化了鋼的晶粒尺寸[。Nb和Ti作為強(qiáng)碳氮化物形成元素，在熱軋或退火過(guò)程中通過(guò)抑制奧氏體晶界遷移，顯著細(xì)化最終鐵素體晶粒尺寸[1]。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒尺寸的減小直接提升材料屈服強(qiáng)度，H220BD-2中晶粒細(xì)化帶來(lái)的強(qiáng)度增益部分抵消了因固溶碳減少導(dǎo)致的時(shí)效強(qiáng)化潛力損失。此外，細(xì)晶材料在預(yù)應(yīng)變（ 2% 時(shí)，由于晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用更為顯著，位錯(cuò)在晶界附近堆積密度更高，導(dǎo)致位錯(cuò)增殖速率加快[2]。高密度位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)不僅為烘烤過(guò)程中碳原子擴(kuò)散提供了更多通道，還通過(guò)“位錯(cuò)-碳原子\"交互作用形成更均勻的Cottrell氣團(tuán)。這種形變強(qiáng)化效應(yīng)與析出強(qiáng)化的協(xié)同作用，使得H220BD-2在固溶碳較低 （5.5×10^-6 ）時(shí)仍能維持較高BH值，細(xì)化晶粒導(dǎo)致的位錯(cuò)密度提升可能部分抵消因固溶碳減少造成的時(shí)效強(qiáng)化損失，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與耐時(shí)效性的平衡[13-14]H220BD-2中Nb與Ti的復(fù)合添加通過(guò)“細(xì)晶強(qiáng)化-位錯(cuò)調(diào)控-析出相協(xié)同”的多級(jí)機(jī)制，在固溶碳含量降低的條件下仍維持了高BH值與強(qiáng)度。這一設(shè)計(jì)策略突破了單一析出強(qiáng)化路徑的局限性，為兼顧高成形性、耐時(shí)效性及烘烤硬化的烘烤硬化鋼開發(fā)提供了理論依據(jù)。

4結(jié)論

（20 a.Nb+Ti 雙加體系通過(guò)TiC析出固定碳原子，降低固溶碳含量，同時(shí)晶粒細(xì)化誘導(dǎo)的C、N晶界偏聚進(jìn)一步抑制時(shí)效強(qiáng)度波動(dòng)。b.雙加體系細(xì)化晶粒至 16μm ，可有效實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，并改善晶粒均勻性，通過(guò)Hall-Petch效應(yīng)保證BH值，同時(shí)晶界密度增加延緩碳擴(kuò)散，改善耐時(shí)效性能。c.綜合調(diào)控固溶碳與晶粒尺寸是優(yōu)化烘烤硬化鋼時(shí)效穩(wěn)定性的有效途徑，可通過(guò)“細(xì)晶強(qiáng)化-位錯(cuò)調(diào)控-析出相協(xié)同\"的多級(jí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)烘烤硬化特性及耐時(shí)效性能的均衡。

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