回火溫度對高強(qiáng)鋼板硬度的影響

蔡夢華，陳海彬，徐 進(jìn)，李陽嘉

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著節(jié)能要求的突出和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，在保證安全性能的前提下進(jìn)行整車輕量化，是目前汽車工業(yè)的發(fā)展方向。特別是車身骨架件的輕量化設(shè)計，是整車輕量化的關(guān)鍵[1]。研究表明，汽車燃油消耗與汽車的自身質(zhì)量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗降低0.6%～1.0%，燃油消耗的下降，排放也會減少[2]。而使用高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼替代傳統(tǒng)鋼材，也是汽車輕量化發(fā)展的重要方向之一[3]。DP鋼 （Dual Phase Steel） 和 QP鋼 （Quenching and Partitioning Steel）都可用于減輕車身自重，降低油耗，但由于QP鋼還具有較強(qiáng)的能量吸附力，因而在汽車輕量化領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，逐漸取代前者的地位[4]。由于DP鋼和QP鋼的廣泛應(yīng)用，前人已經(jīng)對這2種鋼材進(jìn)行了較多的研究。任水利等[5]采用正交試驗法對DP980冷軋雙相鋼進(jìn)行了激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化。萬榮春等[6]利用U型彎曲試驗研究了3種1180 MPa級超高強(qiáng)汽車薄板鋼，即DP1180鋼、MS1180鋼和QP1180鋼的延遲斷裂性能。

回火是將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度Ac1（加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度）的適當(dāng)溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝；或?qū)⒋慊鸷蟮暮辖鸸ぜ訜岬竭m當(dāng)溫度，保溫若干時間，然后緩慢或快速冷卻。一般用于減小或消除淬火鋼件中的內(nèi)應(yīng)力，或者降低其硬度和強(qiáng)度，以提高其延性或韌性。淬火后的工件應(yīng)及時回火，通過淬火和回火的相配合，才可以獲得所需的力學(xué)性能。

本實驗以QP980、MS1180、DP980及780TR 4種高強(qiáng)鋼為研究對象，通過分析其關(guān)鍵成分，研究回火溫度對它們硬度的影響，以期為高強(qiáng)鋼熱處理工藝的制定及工業(yè)應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 實驗原理

對于含碳量為0.77%的共析鋼，其淬火后，在不同溫度下進(jìn)行回火時，其過冷奧氏體會形成不同類型的珠光體類組織：700～650℃會形成珠光體；650～600℃會形成索氏體；600～550℃會形成托氏體；550～350℃會形成上貝氏體；350～200℃會形成下貝氏體；小于200℃時為馬氏體。這種珠光體類組織和貝氏體類組織的力學(xué)性能各不相同，最主要因素是片層間距的大小。

QP980、MS1180、DP980及780TR 4種高強(qiáng)鋼的碳含量小于0.77%，這4種鋼為亞共析鋼。在不同溫度下進(jìn)行回火時，和共析鋼一樣，產(chǎn)生不同的珠光體類和貝氏體類組織，所以不同的回火溫度會導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼板的硬度不同。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

實驗用2 mm厚的QP980、MS1180、DP980及780TR高強(qiáng)鋼片材，經(jīng)裁成尺寸為15 mm×40 mm×2 mm的試樣。它們的化學(xué)成分[1，5-7]組成如表1所示。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分wt%

2.2 試驗方法

采用對比實驗研究熱處理工藝對實驗鋼硬度的影響。實驗設(shè)計如表2所示。

表2 實驗鋼回火處理設(shè)計表

使用800目的砂紙做細(xì)磨后，用7000目的砂紙進(jìn)行拋光，減小測試的誤差。用HD-1000TM顯微硬度計分別測量4組試樣的初始硬度，該過程在室溫條件下進(jìn)行。實驗選擇在試樣中心線上進(jìn)行硬度測量，每個試樣測5個點，相隔兩壓痕間距設(shè)定為100 m，取其平均值作為試樣的硬度。壓頭載荷為2.942 N，保載時間為5 s，自動加載和卸載實驗力。利用兩平行線測出壓痕對角線長度，進(jìn)而計算出測試點的公式為：

式中：HV為維氏硬度值；F為壓頭載荷，取2.942 N；K為物鏡倍率；D1、D2為對角線長度。

采用萬用電爐分別將試樣加熱至相應(yīng)的回火溫度，恒溫一定時間，經(jīng)水冷冷卻至室溫。本次試驗設(shè)定回火溫度分別為300℃、400℃、500℃，保溫時間設(shè)定為3 min。實驗過程中每隔5 min用FLIR E60熱像儀測量試樣的溫度。熱像儀測量的溫度范圍為-20～650℃。

去除表面氧化層后，再次對試樣進(jìn)行研磨和拋光處理，重復(fù)測量初始硬度的步驟，記錄下經(jīng)過熱處理后的試樣硬度。

3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如圖1所示。

表3 試驗鋼的初始硬度HV

圖1 不同回火溫度下試驗鋼的硬度

4 實驗分析

如圖1所示，各試樣的硬度隨熱處理溫度升高而逐漸降低。QP980高強(qiáng)鋼在300～500℃間呈均勻變化，斜率為-0.198 5。雖然780TR高強(qiáng)鋼的硬度也隨熱處理溫度的升高而降低，但300℃和400℃的數(shù)據(jù)存在異常，都偏高。可知2試樣在實驗過程中的熱處理溫度都未達(dá)到設(shè)定溫度。DP980高強(qiáng)鋼在300～400℃時硬度的變化較400～500℃時的硬度變化更加明顯，300～500℃的斜率是-0.213 8。MS1180高強(qiáng)鋼的硬度變化也比較均勻，300～500℃之間的斜率為-0.151 9。

分析實驗數(shù)據(jù)可知初始硬度越高的實驗鋼，在同一溫度區(qū)間內(nèi)的硬度變化越大。但硬度最高的DP980實驗鋼在經(jīng)過不同回火溫度的處理后，在進(jìn)行相同處理的試樣中的硬度仍是最高的，其他實驗鋼硬度高低順序也基本沒有變化，只是回火處理后的硬度差有所減小。

由此可以判斷780TR實驗鋼在300℃的數(shù)據(jù)應(yīng)是200～250℃時的硬度，而400℃的數(shù)據(jù)則是300℃左右的硬度數(shù)據(jù)。

與其他試驗鋼相比，MS1180高強(qiáng)鋼在同樣溫度回火后硬度下降最小，可知其抗回火性能力最強(qiáng)。并且根據(jù)黃春峰[8]整理的鋼的力學(xué)性能及熱處理工藝經(jīng)驗公式可以推出：加熱溫度在300～500℃之間時，試驗鋼的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而減弱，疲勞極限也隨之減弱。

5 結(jié)束語

在300～500℃間，試樣的硬度隨回火溫度升高而逐漸降低，抗拉強(qiáng)度和疲勞極限也隨溫度的升高而逐漸降低。并且初始硬度越高，在同一溫度區(qū)間內(nèi)的硬度變化越大，但實驗鋼的硬度高低順序并沒有變化，只是在經(jīng)過回火處理后各實驗鋼之間的硬度差有所減小。與其它實驗鋼相比，MS1180高強(qiáng)鋼在同樣溫度回火后硬度下降最小，因此抗回火性能力最強(qiáng)。