供稿|王亞東，劉宏亮，王亞芬，王忠東 /

汽車車身制造中使用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板，可有效減輕汽車自重，目前在車身制造中先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板主要使用雙相鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼和熱成形鋼等，但對(duì)強(qiáng)度、成形性能及有效減輕車身重量的零件來說具有更高強(qiáng)塑性匹配的Q&P鋼無疑是最佳的選擇[1]。Q&P鋼采用“淬火—配分”工藝生產(chǎn)，其金相組織主要為馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體等多相復(fù)合組成，利用馬氏體帶來的超高強(qiáng)度和殘余奧氏體的相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)，使其具有很高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和較好的延展性，沖壓成形能力高，用于汽車板可減輕車身的自重，降低油耗；同時(shí)高強(qiáng)度配合良好的塑性，使其吸收沖擊功的能力較強(qiáng)，能夠抵御汽車在撞擊時(shí)的塑性變形，顯著的提高汽車的安全性能，已經(jīng)成為最具潛力的汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼[2]。

化學(xué)成分

Q&P鋼的成分主要有硅錳系、低硅含鋁系和低硅含磷系等，均依靠碳的配分富集來穩(wěn)定殘余奧氏體，依靠錳提高淬透性及殘余奧氏體的穩(wěn)定性，鋁、硅及磷添加則依據(jù)冶煉、焊接及表面質(zhì)量等因素綜合考慮[3]。鋁、硅及磷均可在促進(jìn)鐵素體生成的同時(shí)避免在配分過程中碳化物的析出，提高殘余奧氏體的碳含量以實(shí)現(xiàn)在室溫時(shí)的穩(wěn)定。其中，鋁和硅兩種元素的作用相近且含量較多，鋁會(huì)加大冶煉難度而硅則會(huì)降低表面質(zhì)量[4]，因此在成分設(shè)計(jì)時(shí)要控制好合理的加入量，含磷系的Q&P鋼在適當(dāng)添加硅時(shí)還需要提高錳的含量以提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性。合理的成分設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)Q&P優(yōu)異強(qiáng)塑性匹配及良好應(yīng)用性能的關(guān)鍵[5]。

生產(chǎn)工藝

Q&P鋼的生產(chǎn)工藝分一步配分及兩步配分。一步配分時(shí)配分溫度等于淬火溫度，兩步配分時(shí)配分溫度則高于淬火溫度；退火溫度多為在奧氏化溫度以上，也有的學(xué)者選擇研究在兩相區(qū)退火[6]，工藝曲線如圖1所示。在奧氏體化溫度以上退火時(shí)，初始組織為奧氏體，淬火后組織為馬氏體及殘余奧氏體，強(qiáng)度較高，塑性相對(duì)較差；而在兩相區(qū)退火時(shí)，初始組織為鐵素體及奧氏體，因存在部分鐵素體，原始奧氏體中碳含量及合金含量相對(duì)更高，淬火后馬氏體中碳含量高于在奧氏體化溫度以上退火時(shí)，在配分過程中有更多的碳向奧氏體中擴(kuò)散，使得最終形成的殘余奧氏體更加穩(wěn)定[7]，同時(shí)由于鐵素體的引入，使其塑性進(jìn)一步提高[8]，因基體中含有鐵素體而導(dǎo)致馬氏體含量相對(duì)較少，因此強(qiáng)度偏低，最高只能達(dá)到1200 MPa級(jí)，伸長率要高于在奧氏體化溫度以上退火的Q&P鋼。

圖1 Q&P鋼生產(chǎn)工藝曲線：(a) 奧氏體區(qū)退火；(b) 兩相區(qū)退火

隨著學(xué)者對(duì)Q&P工藝的深入研究和對(duì)Q&P工藝的改進(jìn)，Q&P工藝適用的鋼種也越來越廣泛。改進(jìn)的Q&P工藝主要有Q&P&T、I&Q&P及Q&P&B工藝等。Q&P&T工藝在鋼中加入碳化物形成元素，如鈮或鉬，使其在一定溫度時(shí)析出復(fù)雜碳化物，增加沉淀強(qiáng)化來進(jìn)一步提高強(qiáng)度[9]。I&Q&P工藝為首先在兩相區(qū)保溫使碳及合金元素向奧氏體內(nèi)富集，并進(jìn)行Q&P工藝處理，從而達(dá)到穩(wěn)定更多殘留奧氏體的效果[10]。Q&P&B工藝為在貝氏體區(qū)配分，配分階段開始前得到較高體積分?jǐn)?shù)的奧氏體組織，以彌補(bǔ)在貝氏體區(qū)配分時(shí)奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，最終得到無碳貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體的三相組織，貝氏體的引入可以協(xié)調(diào)變形能力進(jìn)而提高整體塑性，材料整體強(qiáng)度的損失不會(huì)太大[11]。三種改進(jìn)的Q&P工藝，均得到良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其對(duì)應(yīng)的金相組織見圖2。對(duì)馬氏體鋼、熱成形鋼及不銹鋼Q&P工藝組織性能的研究，及在原始成分中添加硅或其他合金元素來增加奧氏體穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究，均獲得了良好的綜合力學(xué)性能[12-15]。

Q&P鋼的組織與性能

Q&P鋼中利用馬氏體來提高抗拉強(qiáng)度，殘余奧氏體和(或)鐵素體及貝氏體提高塑性，使其擁有1500 MPa左右抗拉強(qiáng)度的同時(shí)伸長率可達(dá)20%以上?？估瓘?qiáng)度主要由一次淬火形成的馬氏體決定，馬氏體析出相數(shù)量及尺寸、配分過程中的回火程度、板條間距等均對(duì)抗拉強(qiáng)度有明顯的影響。延伸率主要由殘余奧氏體決定，殘余奧氏體含量直接影響強(qiáng)塑積，研究結(jié)果表明強(qiáng)塑積的變化規(guī)律與斷后伸長率的變化規(guī)律基本一致[16]。

圖2 三種工藝金相組織圖

影響Q&P鋼組織性能的因素主要有：①退火溫度：兩相區(qū)退火時(shí)成品組織主要為鐵素體、馬氏體及殘余奧氏體，奧氏體區(qū)退火時(shí)成品組織主要為馬氏體和殘余奧氏體，兩相區(qū)退火塑性更高而奧氏體區(qū)退火則強(qiáng)度更高。②快冷速度：在最佳的淬火溫度下，大于臨界冷卻速率即滿足原始奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，但更高的冷卻速率則可提高奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，使其形核點(diǎn)增多的同時(shí)還可以細(xì)化馬氏體板條間距進(jìn)一步提高抗拉強(qiáng)度。③淬火溫度：影響最終得到的馬氏體、貝氏體及殘余奧氏體的比例，合理淬火溫度的選擇是獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵[17]。④配分溫度：為保證殘余奧氏體的含量，配分溫度不能過高，在配分溫度過高的情況下奧氏體會(huì)發(fā)生分解，一次淬火馬氏體會(huì)發(fā)生回火軟化，從而降低Q&P鋼的伸長率及抗拉強(qiáng)度。⑤配分時(shí)間：文獻(xiàn)研究表明，有效配分時(shí)間在10～100 s，配分時(shí)間的延長雖有利于碳從馬氏體擴(kuò)散到殘余奧氏體，增加殘余奧氏體的穩(wěn)定性有利于伸長率的提高[18]，但一次淬火馬氏體中碳含量的降低則導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低，因此合理的配分時(shí)間對(duì)于獲得良好性能也非常關(guān)鍵。

針對(duì)Q&P鋼沖壓成形能力，學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)得出Q&P鋼可完美解決零件對(duì)強(qiáng)度及良好成形性的需求，對(duì)汽車安全性和輕量化都具一定的應(yīng)用價(jià)值[19]。零件成形后的延遲斷裂現(xiàn)象對(duì)汽車使用安全性影響嚴(yán)重，學(xué)者對(duì)QP980和DP980電化學(xué)充氫后在不同預(yù)應(yīng)變條件下強(qiáng)度及伸長率損失規(guī)律及斷口分析，得出Q&P鋼更易受到氫的侵入從而脆化[20]，因此Q&P鋼組織中有必要引入一定量的“氫陷阱”[知識(shí)小貼士]來避免延遲開裂。通過對(duì)比其他先進(jìn)高強(qiáng)鋼S-N曲線和疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，Q&P鋼組織中部分殘余奧氏體隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，轉(zhuǎn)變速度和最終轉(zhuǎn)變量和應(yīng)力水平正相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力水平降低到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)變速度和最終轉(zhuǎn)變量不再變化，表明Q&P鋼具有更優(yōu)的疲勞性能。關(guān)于Q&P焊接性能的研究表明，其熔核直徑對(duì)點(diǎn)焊接頭疲勞強(qiáng)度的影響很小，點(diǎn)焊接頭拉剪疲勞性能與其他先進(jìn)高強(qiáng)鋼相近[21]，焊接性能良好。

結(jié)束語

目前寶鋼為國內(nèi)穩(wěn)定供貨Q&P鋼的廠家，能夠批量生產(chǎn)1200 MPa級(jí)冷軋、熱鍍鋅及鋅鐵合金產(chǎn)品。鞍鋼980 MPa及1180 MPa級(jí)的Q&P鋼也已經(jīng)成功生產(chǎn)并在國內(nèi)率先生產(chǎn)出強(qiáng)度達(dá)1400 MPa級(jí)的Q&P鋼。唐鋼實(shí)現(xiàn)了在傳統(tǒng)連續(xù)退火生產(chǎn)線上生產(chǎn)出Q&P980產(chǎn)品。本鋼和首鋼等也對(duì)Q&P鋼工藝、組織性能、成形性能及焊接性能等進(jìn)行了深入研究。隨著國內(nèi)外對(duì)Q&P鋼研發(fā)力度加大，能夠有效實(shí)現(xiàn)車身減重并提高汽車安全性的第三代汽車用鋼典型代表之一的Q&P鋼因其優(yōu)異的強(qiáng)塑性能和適合工業(yè)化批量生產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn)而成為其中最為矚目的“明星”。

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知識(shí)小貼士

隨著對(duì)氫致開裂和氫脆現(xiàn)象研究的深入，人們基于缺陷捕捉氫的事實(shí)提出了氫陷阱的概念。它實(shí)質(zhì)上是一種陷阱：氫原子固溶于金屬中，處于晶核間隙位置，占據(jù)體心立方金屬的四面體位置，面心立方金屬的八面體位置。氫原子在這些間隙位置會(huì)使周圍點(diǎn)陣發(fā)生畸變，點(diǎn)陣常數(shù)隨之改變，因此間隙原子周圍存在一個(gè)畸變場(chǎng)(即有應(yīng)變能)。而多晶體各種缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷，這些缺陷周圍也有畸變場(chǎng)，它們與氫畸變場(chǎng)作用，把氫吸引到自己周圍，可以降低總的畸變能，客觀上這些陷阱對(duì)氫起了捕獲作用，因此被稱為“氫陷阱”。