深入了解汽车行业材料时效现象及其对机械性能的影响

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在日常生活中常能发现，像低碳钢板这类材料，经过热加工或者冷加工之后，在室温下放置一段时日，其机械性能出现了变化。这种金属材料的性能会随着时间的不断延长而发生改变，这种现象被称作时效。

时效的条件

时效常常会让材料的性能变差，在生产实际中需要留意并防止这种情况发生。同时，也能够掌握其变化规律，以便在生产中加以运用。因为钢材的化学成分存在差异，预先的热加工或冷加工以及使用温度各不相同，所以钢的时效会有不同的表现形式。

钢材固溶处理后急冷至时效温度，合金元素会处于过饱和状态。若合金元素仍有扩散能力，随着时间增加，钢材中的合金元素会从固溶体中脱落或沉淀，从而使材料性能发生变化，这种情况就叫做时效。

材料性能随时间变化的过程都被统称为时效过程，这就是时效过程的定义。

时效的条件：

1） 对合金元素具有一定的溶解度；

2） 溶解度随温度的降低而减小；

3） 高温固溶的合金元素，急冷后成为过饱和状态；

4） 在低温状态下，合金元素仍具有一定的扩散速度。

时效现象是一种自发现象，它由非平衡状态向平衡状态转变。固溶处理后若以极缓慢的速度冷却，能达到平衡状态且未经冷变形，那么此时时效现象就不会出现。

钢的时效现象主要是由钢中的碳和氮这两种间隙原子引起的。碳和氮属于钢中的间隙原子，间隙原子通常在室温下具备一定的扩散能力，并且它们的溶解度会随着温度的降低而减小。所以，只要经过固溶处理后快速冷却，使钢处于过饱和状态，就能够引发时效现象。因此，时效现象可以分为淬火时效和应变时效（形变时效、机械时效）。淬火时效是固溶体快速冷却到某一温度后所引发的沉淀硬化现象。在这一温度下，第二相元素会处于过饱和状态。当处于较高温度且多次应用时，会发生沉淀，进而致使屈服强度、拉伸强度和硬化程度增加。

应变时效是在塑性变形之后某些材料会出现的一种现象。对于低碳钢板来说，应变时效会使得不连续屈服再次出现，屈服强度和硬度会上升，韧性会降低，然而拉伸强度却没有明显的变化。

性能变化

由于材料发生时效，其性能将发生较大的变化，主要有以下变化:

1） 材料的硬度增加；

钢的强度方面，屈服强度增加、抗拉强度增加或者保持不变；在塑性和韧性方面，延伸率降低，断面收缩比降低，抗冲击功降低。

某些电学性能发生了变化，比如电阻降低了；某些物理性能也发生了变化，例如磁矫顽力提高了。

过时效

时效过程是一种自发现象，它由非平衡状态向平衡状态转变。碳、氮等间隙原子处于过饱和状态，在低温时凭借扩散能力，从固溶体中脱落（或沉淀），从而使材料的性能发生变化。为保证所要求带钢的各种性能，我们必须采用相应的生产工艺措施，以防止带钢时效现象的发生。这些相应的生产工艺措施就是过时效。

在连续退火炉中设置了过时效段。此段用于对一些有过时效要求的钢种进行时效处理，这些钢种包括 DQ-AK、DDQ-AK、DP 钢、TRIP 钢等。在钢种的过时效温度范围内，要让带钢保持足够的过时效时间，促使碳、氮等间隙原子充分析出。然而，这类钢中碳、氮的析出与普通低碳钢的析出有很大差别。主要是因为这类钢同时添加了铝、钒、铌等合金元素，这些元素会与氮形成稳定的氮化物并同时析出，从而使铁素体基体强化（称为第二相的弥散硬化），还能使晶粒细化，使钢的强度和韧性都能显著提高，同时也能抑制较低温度的时效现象。

以下是时效性对冲压影响的具体分析及应对措施：

1. 时效性对冲压的影响

（1）机械性能变化

时效后钢材的屈服强度（YS）有所上升，这使得钢材的屈服强度升高了。屈服强度升高后，冲压所需的成形力就会增大，同时模具的磨损也会加剧。

塑性下降表现为延伸率降低，这种情况容易引发冲压开裂，尤其对于复杂形状的零件，像深冲件和翻边件。

时效或许会使材料的各向异性增强，从而引发成形不均匀的情况，例如会出现制耳效应。

（2）残余应力与尺寸稳定性

冲压后的零件若带有残余应力，在长期存放过程中，有可能因为应力的释放而出现翘曲的情况，也有可能出现扭曲等变形问题，这些都会对装配精度产生影响。

（3）成形性劣化

时效硬化后的材料，其成形极限图（FLD）向左移动，这样就降低了材料的极限拉深比（LDR），同时也增加了拉深破裂的风险。

高强钢，例如 DP 钢和 TRIP 钢，其时效性需在工艺设计中加以特别考虑。烘烤硬化钢，即 BH 钢，其时效性也需在工艺设计中特别予以考虑。

（4）表面质量与回弹

强度升高会使得回弹量增大，回弹量增大进而会影响零件尺寸精度，同时也会增加模具调试的难度。

表面应变时效有可能引发吕德斯带。吕德斯带会导致冲压件的表面出现不均匀应变条纹。

（5）储存条件的影响

潮湿环境之下，部分钢种像含磷高强钢这类，有可能会由于时效以及腐蚀同时发挥作用，从而使性能变得更加恶劣。

2. 应对措施

（1）材料选择与处理

选用时效敏感性较低的材料，例如超低碳钢（IF 钢），或者选用添加了稳定化元素（Ti、Nb）的钢种。

烘烤硬化钢（BH 钢）的应用在于：通过人工时效（例如涂装烘干等方式）来提升其强度，并且在冲压之前能够保持良好的成形性。

去应力退火：对冲压后的零件进行低温退火，消除残余应力。

（2）工艺优化

控制库存周期：避免冷轧钢板长期存放（建议

调整冲压参数，对于时效后的材料强度进行处理。优化压边力，使其符合要求。改善润滑条件，以达到更好的效果。调整模具间隙，确保其合理性。

预应变处理：通过预拉伸或预变形加速时效过程，稳定材料性能。

（3）模具设计与模拟

补偿回弹设计：基于材料时效后的回弹趋势，修正模具型面。

CAE 仿真：利用有限元分析，像是 AutoForm 和 Dynaform 等，来对时效影响冲压的情况进行预测，并且优化工艺窗口。

（4）质量控制

定期对材料性能进行检测，要监控库存钢材的屈服强度，同时要监控库存钢材的延伸率，还要监控库存钢材的时效指数（如 BH 值）。

加速时效试验：利用加热的方式，例如 100°C 持续加热 1 小时，以此来模拟长期的自然时效，进而提前对冲压风险进行评估。

3. 典型应用场景

汽车覆盖件中，BH 钢能够通过涂装烘干这一过程来实现时效强化。并且，它在兼顾冲压成形性的同时，还能保障零件的强度。

精密电子件：需严格控制储存条件，防止因时效导致尺寸超差。

马氏体钢零件需在冲压后快速进入下一工序，以避免性能波动。

总结

钢的时效性对冲压的影响主要表现在以下几个方面：材料会硬化，塑性会下降，回弹会增大，尺寸稳定性会降低。通过合理地选择材料、对工艺进行优化以及设计模具，能够有效地控制时效性带来的负面影响。并且可以利用烘烤硬化等特性来提升零件的性能。在实际的生产过程中，需要结合材料的特性、储存的周期以及零件的要求来制定具有针对性的策略。

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