一种高强钢板材料抗氢脆性能的试验及评价方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及高强钢金属材料及零件的抗氢脆性能的试验及评价方法，尤其是涉及汽车用高强钢抗氢脆性能的试验及评价方法。

背景技术

先进高强钢尤其是第三代高强钢兼顾良好的成形性、碰撞吸能性和经济性，在汽车轻量化应用方面有着巨大的应用潜力。典型的材料包括孪晶诱发塑性(TwinningInduced Plasticity，TWIP)钢和奥氏体钢为主，其强度一般为800～1200MPa，强塑积达50GPa％以上。此类材料的Mn、Si、Al等元素含量高，组织中含有一定量的残余奥氏体，发生塑性变形过程中易引起氢在材料微观结构上，如晶界、夹杂物、孔洞、位错等，形成富集和聚焦，最终促进氢脆现象产生。

正是由于此尖高强钢材料复杂的相组成和化学成分，使其具有氢脆敏感性高的特征，并常在加工成形和服役期间表现出氢脆延迟开裂或失效现象，限制了其使用范围。且随着材料强度的提高，其塑性和可加工性能会不可避免地降低，氢脆敏感性亦随之升高。

高强钢氢脆是由于氢原子进入钢的组织并扩散富集，近而导致机械性能失效的过程。因此，在保证高强钢性能的条件下，如何准确预测或评价高强钢中的氢脆延迟性能，尽可能的避免或减少氢脆敏感性大的材料的应用，是目前面临的一个巨大的挑战。

高强钢的氢脆性能评价是近年来学术和工业界研究的热点领域之一。高强钢氢脆本征在于，构成其非均匀微观组织易导致微裂纹的形成，即表现为较低的扩孔率和较低的局部变形能力。因此，扩孔率可以直接或间接地表征高强钢材料的抗氢脆性能。

常见的汽车用钢零件的氢脆失效模式主要是边缘开裂或由带损伤的边缘引起，而边缘开裂可通过基于应变的、可量化的扩孔试验进行评估。因此，将扩孔实验应用于评价高强钢的氢脆性能是本文研究的主要内容。

国内外相关评价实验或相似方法较多，其中比较典型的方法包括以下几种：

1)恒应力试验法——通过获得临界断裂应力评价；

2)恒应变试验——通过获得临界断裂应变评价；

3)慢应变速率试验——通过强度及失效应变；

4)U型恒弯曲载荷试验；

5)冲杯浸泡或充氢静置试验；

6)准静态试验等。

上述氢脆性能试验方法，均是基于对矩形样条进行拉伸加载条件下，辅以加速充氢环境，对矩形样条的断裂时间和形式进行评价定性评价，材料的失效位置不一定从样片边部开始。而实际的氢脆现象中，氢脆主要发生均在带损伤的剪切边，即忽略了边缘开裂是氢脆发生的主要形式。

另一方面，现行的国标GB/T 24524或ISO 16630扩孔率实验，虽然广泛用于评价材料的边缘开裂性能和局部塑性变形能力，但其裂纹评价标准宽且难以测量(贯穿裂纹评价，开口内侧最大宽度要求为0.1mm，超过0.1mm无效)，评价结果受人为的主观影响大，易造成不确定性。

发明内容

针对高强钢剪切边易出现氢脆开裂且难以准确量化评估问题，本发明的目的在于提供一种高强钢板材料抗氢脆性能的试验及评价方法，通过设计一种基于固定行程的扩孔实验方法，将典型扩孔实验与冲裁落料工艺相结合，实现对材料抗氢脆性能的准确量化评价。

第一方面，本发明设计的高强钢板材料抗氢脆性能的试验方法，包括：

S1，制备多个尺寸相同、冲孔直径不同的试样；

S2，进行标准扩孔试验，获得扩孔率所对应的初始冲头行程；

S3，固定冲头行程进行扩孔试验，逐步减小行程，直到无裂纹产生；

S4，固定该无裂纹产生的行程，增加行程进行试验，直至产生裂纹；

S5，重复步骤S3～S4，完成所有试样的试验。

优选的，步骤S3中，以0.2mm为间隙逐步减小行程。

优选的，步骤S3中，以0.1mm为间隙增加冲头行程。

第二方面，本发明设计的高强钢板材料抗氢脆性能的评价方法，包括：

S1，计算试验中获得的扩孔率；

S2，定义氢脆敏感系数为1-扩孔率；

S3，绘制扩孔率与冲孔间隙关系曲线。

该方法通过固定冲头行程的扩孔试验，定量地评估了高强钢的抗氢脆性能。

优选的，扩孔率λ

式中：λ为扩孔率，％；d

优选地，冲孔直径相邻试样间隔为0.1mm；判定裂纹标准为贯穿裂纹或初始裂纹。

优选地，所述固定行程为无裂纹产生行程与初始裂纹产生行程的平均值。

本发明的有益效果是：

提出了基于固定行程的扩孔试验方法，实现了准确定量地评估高强钢材料的氢脆敏感性；

采用固定加载行程的平均值作为判定标准，减少了人为因素带来的误差；

测试方法操作简单，评价结果可靠，适合推广应用。

本发明基于固定行程的扩孔实验，实现定量地评估高强钢材料的氢脆敏感性，具有易实施、效果好、低成本、效率高的特点。

本发明采用固定行程加载，设置“无裂纹”和“有裂纹”两个状态的过渡点作为评价标准，可以准确定量地评估高强钢材料的氢脆敏感性。相比现有方法，该方法测试简单，结果可靠，适合推广应用。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明的“有贯穿裂纹”试样的孔边缘状态，其中a为有贯穿裂纹，b为无贯穿裂纹；

图3是本发明的“有贯穿裂纹”，直径为10.3mm的裂纹，冲头行程为6.2mm的孔边缘状态，

图4是本发明的“有贯穿裂纹”，直径为10.4mm的裂纹，冲头行程为7.0mm的孔边缘状态；

图5是本发明的“有贯穿裂纹”，直径为10.5mm的裂纹，冲头行程为7.2mm的孔边缘状态。

图6是HC780DP材料的扩孔率与冲孔间隙之间变化规律绘制成二维曲线。

具体实施方式

下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明设计的高强钢板材料抗氢脆性能的试验方法，包括：

制备不同直径的冲孔试样；进行固定行程的扩孔试验，确定无裂纹的最小固定行程；增加固定行程进行扩孔试验，观察裂纹情况；重复试验，获得各组试样的平均冲头行程和平均孔径；计算各组试样的扩孔率和氢脆敏感系数。

(1)抗氢脆性能的试样制备，主步骤包括：

步骤一、制备若干尺寸为90mm×90mm的矩形扩孔试样；

步骤二、分m组对扩孔试样进行不同直径下的冲孔，直径分别为d

步骤三、步骤二中的相邻的两组冲孔直径关系为，d

(2)基于固定行程的扩孔试验方法，主要步骤包括：

步骤一、选取上述制备完成的一组扩孔试样组，如直径为d1的试样组；

步骤二、按照国标GB/T 24524中的扩孔实验方法，连续做三次扩孔实验，初步确认材料的扩孔率，记录扩孔率对应的冲头行程s

步骤三、将扩孔实验中冲头停止条件改为达到固定行程即停止。以

步骤四、通过放大镜观察步骤三中获得试样的孔边缘裂纹，若可观察到图2中两种情况的裂纹，则更新初始值为

步骤五、基于初始值

步骤六、通过放大镜观察步骤五中获得试样的孔边缘裂纹，若可观察到图2中裂纹状态中的一种，则停止并完成一组(直径为d

需要注意的是，步骤五中提到的两种边缘裂纹情况，实际使用时只用选择一种即可。

步骤七、循环步骤一至六，完成剩余m-1组试样的扩孔实验，并记录冲头行程为

(3)基于固定行程的扩孔裂纹判定方法，主要步骤包括：

步骤一、基于固定行程的扩孔试验裂纹判定，采用“固定行程加载和裂纹有无判定”，裂纹判定标准采用“毛刺朝上的贯穿裂纹”、或“毛刺朝上的初始裂纹”两者中的一种；其固定加载行程等于“有裂纹”和“无裂纹”的固定加载行程的平均值；

步骤二、观察裂纹的设备选用可放大50～200倍的光学显微镜。

步骤三、“有裂纹”包括图2展示的两种状态，即有贯穿裂纹和无有贯穿裂纹。实际使用时，只用选择一种即可。

(4)数据记录，主要步骤如下：

将m组试样分别按“直径-1”到“直径-10”的顺序进行编号，将实验中获得的冲头行程和平均直径分别整理填入表1中。

表1固定行程的扩孔试验数据记录表

(5)扩孔率及氢脆敏感系数计算

计算有效试样的扩孔率λ

式中：

λ-扩孔率，％；

d

d

定义氢脆敏感系数为：

H

式中：

H

将通过计算出m种状态下的扩孔率λ

根据计算出的材料扩孔率及其对应扩孔间隙，即为材料抗氢脆性能的参数。将扩孔率与冲孔间隙之间变化规律绘制成二维曲线，亦可表征材料的抗氢脆性能。

下面结合材料HC780DP-t1.8mm为案例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本专利的限定。

其流程图如图1所示，步骤包括：

步骤一、制备五组孔径分别为10.3mm、10.4mm、10.5mm、10.6mm、10.7mm的扩孔实验，以获得0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm等五种不同的冲孔间隙；每组10个试样，以保证实验的重复率。

步骤二、对制作的扩孔试样进行同一条件下的固定行程扩孔试验。扩孔试验方法采用“固定行程加载和裂纹有无判定”，裂纹判定标准采用“毛刺朝上&贯穿裂纹”，对冲孔试样进行扩孔试验，获取有效试样，所述有效试样指用于测定扩孔率的扩孔后试样，其固定加载行程采用至少三次的平均值。

步骤三、将试样编号和编组，测量并记录有效试样扩孔后的冲头行程和扩孔后的内径。

步骤四、计算各组试样的平均扩孔率和氢脆敏感系数。记录结果如表2。

表2 HC780DP固定行程的扩孔试验数据记录表

步骤五、将HC780DP材料的扩孔率与冲孔间隙之间变化规律绘制成二维曲线如图4所示。

表2中数据表示物理意义是：材料不同的冲孔间隙下，材料的氢脆敏感系数不同。冲头行程越大，扩孔率越大，其氢脆敏感性越低；反之氢脆敏感性越高。

图4中数据表示物理意义是：材料的冲孔间隙对材料的氢脆敏感系数有影响，间隙低于0.4mm或者高于0.5mm，材料的氢脆敏感性增加。为了降低HC780DP-t1.8mm的敏感性，其剪切边采用的切边工艺间隙必须在0.4mm～0.5mm之间。

本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。