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

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]。根據歐洲車身會議資料統計，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[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，為該級別鋼的產業化應用提供了基礎。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響應的，其力學性能表現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研究的熱點。

以國內鋼廠生產的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、涂裝耐腐蝕等關鍵性能，分析其產業化應用的可行性。

2. 試驗材料

試驗材料在傳統的34MnB5 材料基礎上開發，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，并實現馬氏體的低碳控制技術，保障強度、塑性、韌性同時提高，可以得到綜合性能優異的2 000 MPa 級熱成形鋼。

表1 試驗材料主要化學成分（質量分數）%

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構。為研究熱成形零件隨整車經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。

圖1 淬火平板金相組織

3. 試驗方法及結果分析

3.1 拉伸性能

對淬火平板取樣進行室溫下準靜態拉伸、動態拉伸試驗分析其性能。準靜態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》，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，結合數字圖像方法（Digital Image Correlation，DIC）分析應變。拉伸試驗試樣尺寸見圖2。

圖2 拉伸試驗試樣尺寸

對淬火狀態、烘烤狀態下的試驗材料分別在平行軋制方向（規定為0°方向）和垂直軋制方向（規定為90°方向）進行準靜態拉伸正交試驗，每組試驗數量為3件，試驗結果的算數平均值如表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。

表2 試驗材料在不同狀態及不同方向的拉伸性能

考慮到試驗材料拉伸性能的各向異性，動態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出明顯的應變速率敏感性。

圖3 不同應變速率的應力-應變曲線

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定塑性延伸強度、抗拉強度及斷裂總延伸率數值，試驗結果平均值如表3 所示。

表3 不同應變速率的拉伸性能

由表3 中不同應變速率的數據可以看出：強度指標規定塑性延伸強度表現出一定的應變速率敏感性，隨應變速率的提高，規定塑性延伸強度提高，在應變速率500 s-1時較準靜態時提高106 MPa，提高比例為7.2%；抗拉強度沒有表現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 的范圍表現出明顯提升，最大提高比例38.2%。動態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，宏觀表現為材料強度的提高；材料在發生塑性變形的同時還會發生絕熱溫升現象[18]，即在高應變速率時，拉伸速度快導致試樣局部產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軟化而材料塑性提升現象，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。

圖4 動態拉伸的強度和塑性指標的變化情況

3.2 彎曲性能

熱成形鋼的彎曲性能是其應用評價的關鍵指標之一，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 為加載載荷。規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（淬火狀態、烘烤狀態）的試驗，每組試驗數量為3 件，獲得力-位移曲線，并根據標準中的公式計算極限尖冷彎角，計算結果如表4 所示。

圖5 極限尖冷彎試驗裝置及加載示意

表4 極限尖冷彎角計算結果

由表4 中試驗結果可以看出，試驗材料的彎曲韌性存在各向異性，在淬火狀態，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，表明該材料具有優異的彎曲韌性，文獻[20]研究結果表明，通過V 微合金化，實現了納米尺寸的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 鋼相當的彎曲斷裂韌性。

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、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境中靜置300 h，通過觀察試樣是否產生裂紋及發生斷裂以定性地評價試驗材料的氫脆敏感性。試驗結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，沒有斷裂現象發生，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。

圖6 試驗裝置及加載示意

圖7 試驗后試樣形貌

試驗裝置外彎曲表面應力為：

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），為了穩定電極帽狀態，試驗在新電極帽的第11 點至第100 點的范圍內進行，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。規定第一次出現最小剝離焊點直徑 圖片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2 個焊點都產生飛濺，電流以100 A步進遞減后繼續試驗，出現連續3 個平行點焊試驗都不產生飛濺時的電流值規定為最大焊接電流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，焊接工藝參數和剝離焊點試驗結果如表5 所示。根據表5 數據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。可以看出，當焊接時間為 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。

圖8 焊接電流窗口

表5 焊接工藝參數及剝離焊點試驗結果

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（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，對點焊接頭進行顯微硬度測量，測量結果如圖9 所示?？梢钥闯?，熔核區的顯微硬度在620～670 HV之間波動，熱影響區存在明顯軟化，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軟化的性能變化。

圖9 點焊接頭顯微硬度分布

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，在現生產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標準進行循環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。

表6 耐腐蝕性能試驗結果

4. 結論

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，材料的規定塑性延伸強度和斷裂總延伸率表現出應變速率敏感性特征，抗拉強度未表現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，空氣環境中靜置300 h未出現裂紋和斷裂。

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 個循環的交變腐蝕試驗和1 000 h 的耐中性鹽霧試驗結果滿足標準要求。

來源：期刊《汽車工藝與材料》作者：曹廣祥1,2 趙隆卿1,2 井琦1 夏廣明1,2 巨萌1,2 劉豐寧1,2

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013； 2.高端汽車集成與控制全國重點實驗室，長春 130013）