钢板在一定温度下烘烤并保温一段时间后其屈服强度会升高，这种现象称为烘烤硬化现象。通常在汽车制造工艺流程中，车身结构件会有冲压成形、油漆烘烤等环节，所以具有烘烤硬化特性的钢板就可紧密结合汽车制造工艺，广泛应用在汽车零件上。

     烘烤硬化值（Bake-Hardening-Index,简称BH值）是衡量烘烤硬化性能的重要性能指标，可通过单轴拉伸试验得到，烘烤硬化值试验原理示意图见图1。其中：Rp0.2,t为试样经2.0%应变并烘烤后，对应塑性应变为0.2%时的应力(无明显屈服时)；ReL,t为试样经2.0%应变并烘烤后测定的下屈服强度，Rt2.0为试样变形至总应变2.0%时的应力。

图1 烘烤硬化值试验原理示意图

      各国标准对计算烘烤硬化值的定义和要求存在差异，如GB/T 24174—2009《钢 烘烤硬化值（BH2）的测定方法》和ASTM A653/A653M：2019a Standard Specification for Steel Sheet, Zinc-Coated (Galvanized) or Zinc-Iron Alloy-Coated(Galvannealed) by the Hot-Dip Process中规定同一拉伸试样预拉伸应变2.0%后，170℃烘烤并保温20 min，用第二次拉伸测得的下屈服强度ReL减去第一次拉伸测得的屈服强度Rt2.0就得到BH2值。而DIN EN 10325：2006 Steel-Determination of Yield Strength Increase by the Effect of Heat Treatment (Bake-Hardening-Index)中同样的预拉伸应变量和烘烤温度、保温时间，但计算BH2值时第一次拉伸用的屈服类型是Rp2.0而不是Rt2.0，用的是第二次拉伸测得的下屈服强度ReL。在JIS G 3135：2018 Cold-Reduced High Strength Steel Sheet and Strip with Improved Formability for Automobile Uses附录A中，计算BH2值时第二次拉伸的屈服类型则改成了上屈服ReH。

      对于烘烤温度和保温时间，曾有某汽车制造厂家提出采用175℃保温30min的烘烤条件，不同于EN，JIS等标准中要求的170℃并保温20min的烘烤条件。

     对于预拉伸应变量，一般标准都选择2.0%的预拉伸应变量，而SEW 094:1987《冷成型用较高屈服点含磷和烘烤硬化钢》制定了一种不需要提前进行预拉伸应变的BH值测定方法。

     GB/T 24174—2009自实施以来，对国内钢铁行业汽车板烘烤硬化值的测定起到了积极的指导作用。但近年来，随着烘烤硬化钢产品的不断开发和完善，烘烤硬化值的测定方法不再单一，一些汽车制造厂也在其产品标准中制定了烘烤硬化值的测定方法，因此有必要结合国外先进标准对现行标准进行修订，以适应新形势下烘烤硬化钢板的发展需要。来自宝山钢铁股份有限公司制造管理部的田慧玲和徐惟诚两位研究人员阐述了GB/T 24174—2009的修订内容，并对新增的4种烘烤硬化值测定方法提出的目的和主要技术内容的变化做了介绍，同时给出了相关验证试验结果，分析了不同试样型号、拉伸试验速率、烘烤条件（放置方式、加热设备）、烘烤温度、保温时间和预拉伸应变量设置偏差等对烘烤硬化值测定结果的影响。

01 GB/T 24174—2009主要修订内容

     (1) 增加了4种烘烤硬化值的测定方法。除了现行标准中规定的预拉伸应变量和规定的屈服强度计算类型外，增加了不同预拉伸应变量条件和其他屈服类型用于计算烘烤硬化值的测定方法。增加的测定方法有：试样烘烤处理前采用Rt2.0,t，烘烤处理后采用ReL，t计算烘烤硬化值(BH0)；试样烘烤处理前采用Rt2.0，烘烤处理后采用ReH，t计算烘烤硬化值(BH2H)；试样烘烤处理前采用Rp2.0，烘烤处理后采用ReL,t或Rp0.2,t计算烘烤硬化值(BH2L)；不烘烤处理试样采用ReL，或Rp0.2，烘烤处理后试样采用ReL,t或Rp0.2,t计算烘烤硬化值(BH2P)。

     (2) 明确了试样类型编号。根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的技术要求，结合具有烘烤硬化特性汽车板（厚度通常小于3mm）的特点以及ISO，ASTM，JIS拉伸试验标准常用的试样类型（试样编号），明确了应采用GB/T 228.1—2010中附录B的P5，P6，P7的带头试样。对于P7试样，结合ISO和JIS标准，提出了其平行长度可适当缩短但不应小于60mm，以及当产品标准或合同未规定时应采用P7试样的规定。

     (3) 增加了试样放置要求。由于烘烤保温时间仅20min，为避免试样因叠放而影响测定结果，提出烘烤时，试样不应叠放，应单个放置在搁架上。

     (4) 增加了测定上屈服强度的推荐拉伸试验速率。给出了测定上屈服强度ReH时的横梁位移速率推荐值2.5% Lc·min-1（LC为哑铃型试样的平行长度）。

02 试验材料及试验设备

2.1 试样制备

     试验选用符合GB/T 228.1—2010中附录B要求的试样，用于测定烘烤硬化值的试样类型及尺寸见表1。

表1试样类型及尺寸

注：1)结合ISO和JIS标准，且只测屈服强度，因此其平行长度取60mm。

      选取不同屈服等级的两类性能稳定的烘烤硬化钢180BH钢（抗拉强度大于等于300MPa）和340BH钢（抗拉强度大于等于340MPa），分别编号为1，2，制取若干数量的拉伸试样。试样均取自同一大样板的相邻部位，按照垂直于轧制方向取样，并采用同一加工工艺加工。

2.2试验设备

     试验采用Zwick Z100型全自动拉伸试验机（1级精度），纵向引伸计采用接触式引伸计（1级精度），加热设备有烘烤炉和油加热炉，其中烘烤炉的温度控制精度保持在±2℃，温度测量装置的分辨力为1℃，加热介质为空气；油加热炉的温度控制精度保持在±2℃，温度测量装置的分辨力为1℃，加热介质为硅油。

03 烘烤硬化值测定试验的影响因素

3.1 试样类型

     该次标准修订重点是新增了4种不同的烘烤硬化值测定方法，同时明确了标准应用的3种试样类型。研究人员采用1号试样对应的P5，P6，P7 3种试样类型进行试验，其结果见表2。

表2 1号试样不同试样类型的烘烤硬化值

     对于不同的烘烤硬化值测定方法，相同试样类型得到的BH值结果不同且差距大；相同的烘烤硬化值测定方法，不同试样类型得到的BH值极差多在6MPa以内，结果一致性好。新增的4种测定方法增加了与ASTM，JIS，EN等烘烤硬化值测定方法的对接，提供了更多的评价手段，可用于研究钢板材料的BH值参数。

3.2 测定上屈服强度ReH时的拉伸试验速率

      该次标准修订拉伸试验速率仍推荐采用横梁位移速率。对于新增的烘烤硬化值BH2H值测定方法，需用到上屈服强度参与BH值的计算。如采用现行标准推荐值5%Lc·min-1，将不满足JIS Z 2241：2011 Metallic Materials—Tensile Testing—Method of Test at Room Temperature规定的测定上屈服强度的速率，为兼容不同标准，提高不同标准间测定BH2H值的可比性，增加了测定上屈服强度的横梁位移速率推荐值2.5%Lc·min-1。研究人员取试验速率为1.5%，2.5%，3.5%，5%Lc·min-1，在每个试验速率下对3根平行试样分别测定烘烤硬化值BH2H值，结果见图2。

图2 不同横梁位移速率下的上屈服强度和烘烤硬化值（BH2H）

     由图2可知，该试验中不同的横梁位移速率获得的上屈服强度ReH不同，上屈服强度随速率的升高而增大，在1.5%，2.5%Lc·min-1速率下上屈服强度ReH增加不显著，而当速率升高至3.5%Lc·min-1和5.0%Lc·min-1时，上屈服强度ReH结果差异增大。由于BH2H值测定方法是通过上屈服强度ReH计算BH2H值，故速率上升导致的上屈服强度升高也明显影响BH2H值的结果。此外，由图2可知，在1.5%，2.5%Lc·min-1速率下，BH2H值没有明显变化，且极差小于6MPa；随着速率升高至3.5%Lc·min-1和5.0%Lc·min-1时，BH2H值的平均值显著升高，同时极差显著增加。可见横梁位移速率的变化对上屈服强度测定结果产生影响，进而影响BH2H值的测定结果。

3.3 烘烤时的试样放置

      该次标准修订对烘烤时的试样放置方式给出了建议，要求试样不应叠放，宜单个放置在搁架上。分散放置定义为试样等间隔放置在试样搁架上，烘烤时加热介质能无阻碍地接触每根试样表面；重叠放置定义为试样重叠捆绑成一摞，烘烤时加热介质不容易接触每根试样表面。为此设计了分散和重叠两种试样放置方式进行试验。

     按照以上两种放置方式利用烘烤炉进行烘烤硬化值测定试验，结果见表3。

表3 不同试样放置方式的烘烤硬化值（BH2）

      试样在烘烤箱中的加热过程实质是热对流的过程，以空气为流动介质将热量由空间的一处向另一处传递，而试样作为热的良导体接受了这部分的热量传递。当试样分散放置时，空气在试样间形成良好的对流，试样受热均匀，而当试样被重叠放置后，空气与试样间缺少了自然对流，且试样叠放造成导热体厚度增加，进一步影响热对流。由测定结果可知，重叠放置的烘烤硬化值BH2均低于分散放置的。为此，测定BH值时应避免试样叠放。

3.4 加热设备和加热介质

      现行标准中未对加热设备的类型和相应的加热介质进行规定，业内常用的加热介质为空气和油。现采用符合标准温度控制精度和分辨力要求的两种代表性的加热设备，将试样放置到目标温度为170℃的空气和油介质中保温20min进行试验，选择具有代表性的BH2值和BH2H测定方法进行试验，结果见表4。

表4 不同加热设备和加热介质的烘烤硬化值（BH2，BH2H）

     由表4可见，采用不同的加热设备和加热介质测得的BH2值和BH2H值结果一致性均很好，两种测定方法的t检验结果显示，不同加热设备和加热介质的烘烤硬化值没有显著性差异。

3.5 烘烤温度和保温时间

      烘烤硬化测定时烘烤温度和保温时间对烘烤硬化效果有很大的影响，随烘烤温度的升高和保温时间的延长，BH值会增大。有文献表明，在一定烘烤温度下，刚开始烘烤的时间延长则烘烤硬化值（BH2）也随着升高，但当烘烤硬化值升高到最大值后，烘烤硬化值不再升高，趋于平稳。

      研究人员以标准规定的烘烤温度和保温时间为基准，讨论烘烤温度和保温时间偏差对BH值的影响，烘烤温度设置为165，170，175℃，保温时间设置为15，20，25min，热处理采用油加热炉进行，其烘烤硬化值测定结果见表5。

表5 不同烘烤温度和保温时间的烘烤硬化值（BH2，BH0）

      由表5可见，随着烘烤温度的升高，无论哪种烘烤硬化值测定方法，其BH值均是增大的，而在相同烘烤温度下，保温时间延长也导致BH值增大。可见，烘烤温度和保温时间都会对BH值测定结果产生一定的影响，因此在执行标准的烘烤条件时，应把握好加热设备的精度和保温时间的精确度。 

3.6 预拉伸应变量

     有文献表明，预拉伸应变量小于4%时，BH值随预拉伸应变量增加而迅速增大，而大于4%时，BH值随预拉伸应变量增加而缓慢降低。过去在进行该类试验研究时通常采用的是BH2测定方法，故笔者采用BH2测定方法，分别在预拉伸应变量1.8%，2.0%，2.2%下进行试验，并分析两者之间的关系，烘烤硬化值测定结果见表6。

表6 不同预拉伸应变量的烘烤硬化值（BH2）

     由表6可见，BH值均随预拉伸应变量的增加而增大，与相关文献研究的结论一致。因此，执行标准时，不能忽视引伸计的精度，须满足标准规定引伸计的精度应不小于1级的要求，同时保证当预拉伸达到规定的应变量时，试验设备能立即停止拉伸。

04 结论

      该次标准修订过程中，参考了很多国外涉及烘烤硬化值测定方法的相关产品标准，增加了标准适用的试样尺寸要求、拉伸试验速率要求、预拉伸应变量要求和不同类型的屈服类型参与计算烘烤硬化值的要求，拓宽了标准的应用范围。

      采用相同的烘烤硬化值测定方法，GB/T 228.1—2010中的P5，P6，P7类型试样测得的BH值无明显差异；测定BH2H值时，拉伸试验速率的大小对上屈服强度影响较明显，需严格按照标准的推荐值设置拉伸试验速率；试样叠放烘烤，会降低烘烤硬化值，应避免叠放；采用空气和油两种加热介质，测定结果没有明显差异，因此满足标准精度规定的设备均可使用；试样加热温度偏离标准规定值5℃，或试样保温时间偏离标准规定值5min，对BH值均有一定影响，测定时应控制在标准规定的范围内；预拉伸应变量偏离标准规定值0.2%时略有影响，测定时应按照标准规定值设置应变量，同时试验设备的精度应符合标准规定；研究人员该次进行的验证试验，未考虑加热设备的加热速率，存在不足。

作者：田慧玲, 徐惟诚

单位：宝山钢铁股份有限公司 制造管理部

来源：《理化检验-物理分册》2021年第7期