上海交通大学团队牵头的一项研究近期刊登于《Journal of Materials Science》期刊上，题为“Mechanical and microstructure properties of ultra-high strength boron steel using rapid resistance heating without soaking”（通过快速电阻加热(无保温)研究超高强度硼钢的力学性能与微观结构演变）。第一作者为双文（Shuang Wen）和刘毅（Yi Liu），通讯作者为韩献红（Xianhong Han）。研究团队包括来自上海交通大学、中国宝钢股份、以及西班牙Gestamp研究院的学者们。

背景与研究动机

超高强度硼钢22MnB5因其优异的抗拉强度，近年来在汽车减重及安全性方面备受关注，特别是在热冲压技术中有广泛应用。然而，传统的热冲压加热工艺依赖于炉内加热，通常需要将硼钢加热至900°C以上并在奥氏体完全转变的条件下保温约5分钟，仅该阶段便消耗整个工艺超过80%的时间。同时，传统的炉加热加热速率较低，仅约每秒10°C，能量利用率也不足60%。因此，开发高效节能热处理技术成为解决此问题的重要方向。

近年来，快速电阻加热因其升温速率高（可达每秒400°C以上）和能量利用率优异（约87%）而备受青睐。然而，此方法在无保温阶段仍存在加热温度均匀性及高强钢组织转变等问题。这些问题的解决，将为该技术在实际热冲压生产中的推广应用提供关键技术支持。

实验设计与研究方法

材料及加热模式

研究使用22MnB5硼钢进行实验，钢材由宝钢公司提供，初始组织为铁素体和粒状渗碳体，成分包括0.235%C、1.133%Mn、0.177%Cr等。钢板尺寸为150mm × 20mm × 1.4mm，材料加热采用如下模式： - 传统炉加热实验：在920°C保温5分钟红外加热后水淬。 - 快速电阻加热实验：用高频脉冲电源加热，未设置保温阶段，最终温度为1100°C至1200°C，并立即通过水淬冷却至室温。

在样品处理过程中，研究重点探索了不同温度及加热速率（通过调节电流密度控制）对于微观组织演变及力学性能的影响。

温度均匀性改善研究

快速电阻加热因电极接触热损导致材料长度两端加热不均，为改善温度均匀性，研究引入了导热系数较低的钛合金（如TC4）垫片，用于优化电极与钢板间的传热条件。

实验检测及数据分析

对处理后的实验样品进行了以下表征： 1. 力学性能测试：通过拉伸测试评估抗拉强度（TS）与延展率（EL），并结合硬度测试（Vickers，一次加载200g，停留10秒）综合分析强塑性产品（TS*EL）。 2. 微观组织分析： - 光学显微镜（OM）与扫描电镜（SEM）结合用于观测马氏体析出形态并重构奥氏体组织。 - 采用电子背散射衍射（EBSD）与X射线衍射（XRD）技术定量分析残余奥氏体含量及晶粒界分布。

重要发现与实验结果

1.快速电阻加热技术的性能优越性

实验显示，在电流密度为30 A/mm²条件下，快速电阻加热下的22MnB5力学性能优越，其中： - 抗拉强度达到最高1703 MPa，比传统炉加热提高了10%以上，延展率略有提升。 - 同样优异的硬度值（约530 HV），且整体组织表现为优质的细化马氏体。

此外，由于在快速过程中升温速率可达94°C/s，整体加热时间缩短至仅15秒，而无需如传统炉加热保温5分钟以上。这对于提升热冲压生产效率具有重大意义。

2.温度均匀性优化——嵌入钛垫片效果显著

通过在电极与钢板间加入低导热垫片（如TC4钛合金），有效缩短了低温传导区的长度（由45mm减少至27mm），提升了加热区域的温度均匀性。这为非矩形钢板工艺探索提供了思路。

3.加热速率与奥氏体转变行为

实验发现，奥氏体完全转变温度（Ac3）显著随加热速率升高而增加，例如，当加热速率从10°C/s升高到150°C/s时，Ac3曲线从891.57°C提高到946.72°C。这表明在快速加热条件下需要更高的峰值温度以弥补保温过程缺失的影响。

快速电阻加热促使奥氏体形成时期显著缩短至不到1.5秒，实现“过热”条件下的完全转变，促进钢材性能提升的同时极大缩减工艺周期。

4.组织特征差异

快速电阻加热后，22MnB5样品的马氏体晶粒分布显著细化，平均奥氏体晶粒尺寸降低至约5.59μm，且微观显示细晶与粗晶呈滚动方向上的局部分布。这种组织的细晶部分可有效抑制裂纹扩展，提升强度。

XRD结果显示快速电阻加热后，残余奥氏体相比例从1.245%（炉加热）提高到2.023%，这为提升钢材延展性能提供了一定支持。此外，残余氧化皮厚度极低，仅接近样板原始粗糙度（仅微增至1.15μm）；相比传统炉内氧化皮厚度（约17μm），样品表面质量显著优化。

研究意义与未来展望

1. 工业应用潜力：快速电阻加热显著缩短了热冲压工艺时间，具有高效生产与节能降耗的实际价值。对于汽车制造组件的高强度零部件成型，研究表明其有望成为替代传统炉加热的核心技术。

2. 方法学创新：结合实验中创新的电极优化设计与无氧化保护自由条件下的优异表面表现，研究为新一代钢铁热处理工艺方法提供了示范。

3. 未来研究方向：尽管此次研究在抗拉强度领域取得显著突破，但如何在快速条件下更高效提升延展性，以及扩展至更复杂几何形态板材的均匀加热仍需进一步探讨。同时，开发适配工业应用的大规模装置将是未来进一步推动产业化的重要方向。

总结来看，快速电阻加热技术因其高效、节约能源，更适配现代工业需求，具有广泛的实际应用前景。这项研究所展示的方法学思路及实验体系为热冲压行业的进步提供了重要科学依据与技术参考。