高强马氏体钢MS1300在车型中的应用研究
2023-05-10贾仕博袁超罗浩瑄郭秋彦
贾仕博，袁超，罗浩瑄，郭秋彦
吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江宁波 315336
0 引言
近年来，随着国家对汽车安全性能和节能减排要求的不断提高，在不增加重量的前提下提高车身材料强度是满足这些要求的重要手段[1]。马氏体钢作为冷成型钢中强度最高的钢，在车身上的应用比例不断提高，如A柱、门槛梁、防撞梁和座椅横梁等安全结构件[2]。马氏体钢合金含量不高，其成分通常以C-Si-Mn为基础，再添加少量的微合金元素以细化晶粒，进而改善性能[3]，并依靠快速淬火获得马氏体组织和高强度。其性能特点是强度高、延伸率低，适用于辊压成型[4]。而辊压成型工艺与传统的冲压成型工艺相比，具有生产效率高、材料利用率高、劳动强度低等优势[5]。本文对高强马氏体钢MS1300材料级性能进行试验和分析，并选取门槛梁与高强度钢DP1180进行对比验证，验证马氏体高强钢在碰撞性能及车身减重方面更具优势。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料与试验项目
本研究所使用的试验材料为首钢生产的厚度为1.2 mm的MS1300高强钢，材料的主要化学成分和力学性能技术要求见表1。所进行的试验项目包括材料化学成分、力学性能、金相组织、焊接性能、延迟开裂及动静态的三点弯曲对比试验。
表1 MS1300的化学成分和力学性能技术要求
1.2 试验方法
材料的化学成分采用直读光谱仪按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》进行试验，力学性能采用Instron5982拉力试验机按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》进行试验。金相组织采用Imager.M2m金相显微镜按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》进行试验。焊接性能测试采用OBARAst31 IT85点焊机进行试验，电阻点焊（RSW）工艺参数见表2。延迟开裂性能按照试验标准T/CSAE 155—2020《超高强度汽车钢板氢致延迟断裂敏感性U形恒弯曲载荷试验方法》，将试样在0.1 mol/L HCl溶液中浸泡300 h。静态和动态三点弯曲试验：弯曲加载的冲头半径为152.4 mm，跨距为450 mm的两个支承座，支承座上端圆柱直径为40 mm，落锤重量为130 kg。三点弯曲试验设备参数见表3，试验矩阵见表4。
表2 RSW工艺参数
表3 三点弯曲试验设备参数
表4 试验矩阵
2 试验结果及讨论
2.1 化学成分、力学性能及金相组织
MS1300的断后伸长率为7.3%，将近技术要求的1倍，P、S含量远小于技术要求，具体性能参数见表5，金相检测显示其组织全部为马氏体，符合技术要求。MS1300金相组织如图1所示。
图1 MS1300金相组织
表5 MS1300的化学成分和力学性能
2.2 焊接性能
在表2的工艺参数下进行点焊试验，具体试验结果如图2所示，由此分析出焊接电流的左边界是5.5 kA，焊接电流的右边界是7.2 kA，焊接电流的窗口为1.7 kA。在最大焊接电流下，对焊点进行剪切力拉伸试验，熔核直径为5.8～6.0 mm，剪切力均值为21624 N，失效形式为熔核拔出（表6）。对板材按照母材—热影响区—熔核—热影响区—母材的顺序进行显微硬度试验，试验位置如图3所示，显微硬度曲线如图4所示。从图4可以看出，焊点部位显微硬度的变化规律一致，均为先逐渐增大，而后趋于稳定，再逐渐降低。熔核处硬度高于母材，均值为450 HV1，热影响区硬度低于母材，为330 HV1，软化率为17.5%。这是由于熔核处冷速较快，形成了马氏体组织，热影响区（软化区）由于冷却速度较慢，形成的组织相当于回火马氏体，导致其硬度较低。焊区内未出现严重脆化点。
图2 焊接试验结果
图3 显微硬度试验位置
图4 显微硬度曲线
表6 不同焊点在最大电流力下的剪切力拉伸试验结果
表7 MS1300与DP1180动静态冲击功
2.3 延迟开裂性能
按照试验标准T/CSAE 155—2020《超高强度汽车钢板氢致延迟断裂敏感性U形恒弯曲载荷试验方法》，对MS1300进行延迟开裂性能测试，试样在0.1 mol/L HCl溶液中浸泡300 h没有出现微裂纹，样品浸泡22 d（528 h），表面均未有微裂纹及锈蚀断裂的迹象（图5）。
图5 延迟开裂照片
2.4 三点弯曲性能
通过对DP1180和 MS1300门槛梁进行静态和动态三点弯曲试验测得载荷与位移曲线，如图6和图7所示。通过两组材料的载荷与位移曲线，得知静态和动态三点弯曲试验MS1300所吸收的能量均高于DP1180，说明在同等厚度情况下，MS1300的安全碰撞吸能大于DP1180，应用于整车后会提升整车的安全性能。具体冲击功见表8。
图6 DP1180动静态载荷与位移曲线
图7 MS1300动静态载荷与位移曲线
3 结论
（1） 高强度马氏体钢MS1300的化学成分、力学性能及金相组织满足相关技术要求，断后延伸率将近是技术要求的1倍。
（2） 焊接工艺窗口为1.7 kA，最大电流下的剪切力为22544 N，其焊点部位显微硬度的变化规律一致，均为先逐渐增大，而后趋于稳定，再逐渐降低。焊区内未出现严重脆化点。
（3）试样在0.1 mol/L HCl溶液浸泡300 h没有出现微裂纹，试样浸泡22 d（528 h）后，表面均未有微裂纹及锈蚀断裂。
（4）通过对比动静态的MS1300与DP1180三点弯曲试验，得出MS1300的碰撞吸能效果优于DP1180。
