本文由Zeran Hou、Junying Min、Jianfeng Wang、Qi Lu、Zhikang He、Zhisong Chai和Wei Xu共同撰写，分别来自同济大学机械工程学院、通用汽车全球研发中心中国科学实验室以及东北大学轧制与自动化国家重点实验室。该研究于2021年9月22日发表在《JOM》期刊上，题为《Effect of Rapid Heating on Microstructure and Tensile Properties of a Novel Coating-Free Oxidation-Resistant Press-Hardening Steel》。
研究背景
热成形钢（Press-Hardening Steel, PHS）因其高强度和适中的延展性，广泛应用于汽车车身结构的抗碰撞部件。传统的PHS材料如22MnB5钢，在热成形过程中需要加热至900°C以上以实现完全奥氏体化，通常采用辊底式炉或多层箱式炉进行加热，加热时间较长（4-8分钟），导致设备投资高、能耗大、碳排放高。近年来，随着感应加热和传导加热等快速加热技术的发展，钢板的加热时间可以大幅缩短，从而减少生产周期和设备投资。然而，关于快速加热对PHS材料微观结构和力学性能影响的研究较少，尤其是针对新型无涂层抗氧化PHS的研究更为稀缺。
研究目的
本研究旨在探索快速加热（加热速率超过100°C/s）对一种新型无涂层抗氧化PHS的微观结构和拉伸性能的影响，并与传统22MnB5钢进行对比，评估其在热成形工艺中的可行性和潜在优势。
实验流程
- 材料准备：实验采用新型无涂层抗氧化PHS和传统22MnB5钢，厚度均为2.0 mm。新型PHS中添加了较高的Cr和Si含量，以提高抗氧化性和力学性能。
- 快速加热实验：使用热膨胀仪和自制的感应加热装置进行快速加热实验。试样以100°C/s的速率加热至930°C，随后进行不同时间的保温（30 s、60 s、120 s、240 s），然后以50°C/s的速率冷却至室温。
- 拉伸实验：使用感应加热装置对狗骨形拉伸试样进行快速加热，加热至930°C后保温2分钟，随后水淬至室温。部分试样在170°C下进行20分钟的烘烤处理，模拟汽车涂装烘烤过程。
- 微观结构分析：通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析试样的微观结构、氧化层厚度和残余奥氏体含量。
- 力学性能测试：使用万能试验机进行拉伸测试，记录应力-应变曲线，计算抗拉强度（UTS）、均匀延伸率（UEL）和总延伸率（TEL）。
主要结果
- 微观结构演变：快速加热后直接淬火的试样主要包含铁素体，而经过120秒保温的试样则完全奥氏体化，最终微观结构为马氏体和少量未溶解的碳化物。保温时间的增加促进了合金元素的扩散，降低了马氏体转变温度（Ms），提高了奥氏体的稳定性。
- 氧化层厚度：新型PHS在快速加热和保温后的氧化层厚度小于5 µm，远低于22MnB5钢的36 µm。EDS分析表明，新型PHS表面形成了Cr和Si富集的致密氧化层，有效阻止了进一步氧化。
- 力学性能：快速加热、保温、水淬和烘烤处理后，新型PHS的抗拉强度达到1722 MPa，均匀延伸率为5.1%，显著优于传统22MnB5钢（1583 MPa和4.1%）。烘烤处理提高了试样的总延伸率，表明其具有更好的能量吸收能力。
结论与意义
- 科学价值：本研究首次系统研究了快速加热对新型无涂层抗氧化PHS微观结构和力学性能的影响，揭示了快速加热条件下奥氏体化动力学和微观结构演变规律。
- 应用价值：快速加热工艺可大幅缩短PHS的热成形周期，减少设备投资和能耗，降低碳排放。新型PHS在快速加热条件下表现出优异的力学性能和抗氧化性，具有替代传统22MnB5钢的潜力。
- 未来展望：研究结果表明，快速加热工艺在汽车工业中具有广阔的应用前景，能够为热成形车身结构部件提供低成本、低能耗的制造解决方案。
研究亮点
- 创新性：首次将快速加热技术应用于新型无涂层抗氧化PHS，揭示了其在热成形工艺中的优势。
- 实用性：新型PHS在快速加热条件下表现出优异的力学性能和抗氧化性，具有显著的应用潜力。
- 环保性：快速加热工艺能够大幅减少能耗和碳排放，符合制造业可持续发展的趋势。
其他有价值的内容
本研究还探讨了快速加热工艺对残余奥氏体含量和晶粒尺寸的影响，为进一步优化PHS的热成形工艺提供了理论依据。未来的研究将深入探讨快速加热对残余奥氏体形成机制的影响，以及其在提高材料韧性和延展性方面的作用。