高强IF（无间隙原子）钢是在IF钢的基础上添加了P、Mn、Si等固溶强化元素和Nb、Ti等强固碳、氮化物形成元素，以固定钢中存在的碳、氮等间隙原子，该钢具有较高的强度和良好的成形性能。因其独特的自身优势，该钢一般用于制作车门外板、发动机盖板、横梁、纵梁等加强件和结构件，也可用于制作冲压形状较为复杂的零部件。采用冲压工艺制造汽车零部件可以使钢的厚度适当减薄，降低汽车自身质量，在保证性能的同时也可以获得良好的经济效益。

     低温脆性是指材料的冲击吸收能量随温度的降低而减小，在低于某一温度时，冲击吸收能量明显减小，材料由韧性状态转变为脆性状态。由于高强IF钢的钢质纯净，晶界上缺乏固溶的C元素和N元素，晶界结合强度低，故该钢在冲压成形后的使用过程中有因低温冲击而断裂的危险，即存在二次加工脆性现象（也称冷加工脆性）。

     P元素对高强IF钢的固溶强化效果最为显著，但P元素的添加易造成晶格畸变，使位错运动的阻力增大，进而使钢的强度和硬度增大；同时P元素易偏聚于晶界，引起晶界脆化，尤其在低温冲击作用下，易造成材料开裂，对车辆使用安全不利。笔者以450MPa级高强IF钢为例，对其脆性‒韧性转变温度的影响因素进行研究和分析，以期为高强IF钢的安全使用提供理论支撑。

1、试样制备及试验方法

1.1 试验材料

     试验材料为某钢厂连退生产线生产的厚度为1.2mm的SR250P1钢。采用直读光谱仪对试验钢板进行化学成分分析，结果如表1所示。利用拉伸试验机对试验钢板的拉伸性能进行测试，结果如表2所示。

1.2 样杯的制备

     将现场取好的试验钢板线切割成直径为66mm的圆片（见图1）。将圆片置于成形试验机凸模的中心位置，并在圆片顶面涂上一层凡士林，启动设备,将圆片冲压成直径为33mm的样杯。由于材料的各向异性，制取样杯边部存在不平整的制耳，需采用线切割方式将样杯边缘的制耳切除，同时保证样杯高度为22mm（见图2）。切割后，样杯边部的粗糙度较大，需在磨样机上用400目（1目=25.4mm）的砂纸对样杯边部进行打磨。

1.3 试验方法

      将制备好的样杯完全浸入装有乙醇和液氮的冷却槽中，设定不同的初始冷却温度，待样杯冷却到设定温度后，保温5min。将样杯从冷却槽中取出，杯口朝上放置在锤头正下方的基座上（基座上有定位环），释放锤头，使其自由落下冲击样杯。样杯从冷却槽取出至冲击样杯应在3s内完成。

2、试验结果

2.1 二次加工脆化温度

    首先对边部未打磨的试样1进行冲击试验，将冷却温度设定为-20℃，选取4个样杯进行试验，其中有1个样杯发生开裂现象。根据 GB/T 24173—2016《钢板二次加工脆化试验方法》规定，需要增加4个样杯继续试验，发现8个样杯中有2个发生开裂。将试验温度提高至-15 ℃，该温度条件下8个样杯均未开裂。

    为了验证结果的准确性，将试验温度设定为-15℃，重复上述冲击试验，发现4个样杯中有1个开裂，增加到8个样杯后有2个样杯开裂，但开裂样杯中有1个是因为放置位置偏离中心造成的。因此在-15℃条件下重复试验，发现8 个样杯均未开裂，于是得出二次加工脆化温度为-15℃。

     对与试样1化学成分相同且边部打磨后的试样2重复上述试验步骤，得出二次加工脆化温度为-30℃。由此可见，样杯边部粗糙度对二次脆化温度有一定的影响。当样杯边部未打磨时，其边部粗糙度为6.67μm；砂纸打磨后，样杯的粗糙度为0.3μm，两者差距较大。样杯表面粗糙度越大，在冲击过程中越易发生膨胀破裂，形成微裂纹，微裂纹易萌生于外表面粗糙度相对较大的界面处，并由内向外扩展。

    对B元素含量增大且边部打磨后的试样3重复上述试验步骤。在-10℃条件下，4个样杯均未开裂；将试验温度降至-20℃，4个样杯均未开裂；将试验温度降至-30℃，4个样杯均未开裂；按上述顺序，每次试验温度均在前一次试验温度的基础上降低10℃，依此类推，直至试验温度为-60℃，4个样杯依旧未开裂。试样3的冲击试验结果如表3所示。由表3可知：试样3的二次加工脆化温度小于-60℃，满足GB/T 24173—2016的要求。

     冲击试验后试样3 的宏观形貌如图3所示。由图3可知：样杯边部出现较明显的塑性扩张，且试验温度越高，塑性扩张现象越明显。

     综上所述，对于化学成分相同的样杯，边部粗糙度越大，其二次加工脆化温度越高。适当增大B元素含量，可有效降低二次加工脆化温度，提高材料的抗低温冲击性能。

2.2 断口分析

2.2.1 宏观观察

     冲击试验后样杯断口及切割小片的宏观形貌如图4所示。由图4可知：断口呈直线状，从杯沿开裂至杯底，且断口平齐，无毛刺等异物。

2.2.2 扫描电镜（SEM）及能谱分析

     在样杯断裂部位截取试样，再用超声波溶液清洗干净，对试样进行SEM 分析，结果如图5所示。由图5可知：断口呈现分层状，样杯外侧可见典型韧性断裂形貌；断口心部呈河流花样，断裂表面清洁光滑，棱角清晰，符合脆性断裂特征。

      对断口试样进行能谱分析，发现试样中主要含有Fe元素，断口上无异常夹杂物。

      在冲击力的作用下，样杯内侧首先发生脆性断裂，与之相连的外侧随后断裂，断裂前存在一定的塑性变形；断口有韧窝，呈韧性断裂特征；从杯沿到杯底，断口塑性变形的程度逐渐变大，样杯外侧断口处的韧窝形貌逐渐明显。

     综合上述分析可知，临界温度下，样杯断口具有脆性断裂和韧性断裂特征，且脆性区域和韧性区域之间被一条明显的台阶隔开。

3、综合分析

       在低温冲击作用下样杯发生开裂的原因为：随着温度的降低，冲击吸收能量减小，当样杯受到的冲击圆周应力达到材料极限时，便会发生开裂现象。开裂的本质是位错在晶界处塞积，形成裂纹源，由于高强IF钢的钢质纯净，晶界上缺乏固溶的C、N元素，导致晶界结合强度低。此外，高强IF钢中的P元素含量较高，P元素容易以FeTiP沉淀相的形式析出，并在晶界偏聚，引起钢的晶界脆性。在成品零件受到外力后，裂纹源会沿着结合强度低的晶界扩展，最终导致材料断裂。在高强IF钢中适当加入B元素，使钢中有效B元素的质量分数不小于0.0007%，可以提高材料的抗低温冲击性能。

4、结论

    （1）样杯边部粗糙度对二次加工脆化温度的影响较大，粗糙度越大，二次加工脆化温度越高。

    （2）对于450MPa级高强IF钢，适当增大B元素含量，可抑制P元素在晶界上偏析，增强晶界结合力，从而降低二次加工脆化温度，提高钢板的抗低温冲击性能。

作者：冯帆

单位：山东钢铁集团日照有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第11期