梁 文 吳 潤(rùn) 胡 俊 劉 斌 劉永前 彭 周

(1.武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武鋼研究院，湖北 武漢 430080)

熱軋鐵素體/馬氏體(F/M)雙相鋼具有高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、初始加工硬化率高以及強(qiáng)度和韌性良好等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼種(advanced high strength steel，AHSS)之一[1- 2]。然而在汽車車輪和底盤的制造中，鋼材需進(jìn)行翻邊和擴(kuò)孔，要求其具有良好的擴(kuò)孔性能(延伸凸緣性能)[3]。F/M雙相鋼的擴(kuò)孔性能較差，如果鋼中的馬氏體被貝氏體取代，則可顯著提高其擴(kuò)孔性能[4]。這種鐵素體/貝氏體(F/B)雙相鋼兼具高強(qiáng)度和良好的冷成形性能，而且焊接性和耐疲勞性能良好，是制作汽車底盤和車輪等部件的理想材料[5]。目前，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)大量采用擴(kuò)孔性能良好的60 kg級(jí)FB60鋼制造汽車零部件。

大量研究結(jié)果表明[6- 13]，影響鋼板擴(kuò)孔性能的因素主要有鋼材純凈度、組織類型和圓孔的加工工藝。在對(duì)顯微組織的研究方面，業(yè)已做了大量的工作，所研究材料的強(qiáng)度[14- 17]和成分[14- 16,18]差異均很大，或者顯微組織相同[19- 21]，但很少有人研究成分相同、強(qiáng)度相同時(shí)，不同類型組織對(duì)擴(kuò)孔性能的影響。本文在實(shí)驗(yàn)室對(duì)FB60鋼板采用不同的工藝進(jìn)行熱處理，得到了強(qiáng)度相同或接近、顯微組織不同的鋼板試樣，研究了顯微組織對(duì)鋼板擴(kuò)孔性能的影響，并探討了其擴(kuò)孔開裂的機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用原料為工業(yè)用3.5 mm FB60鋼板材，化學(xué)成分見表1。為得到不同的組織，采用同一卷FB60鋼板在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱處理(原料為試樣A)，熱處理工藝見圖1。

表1 FB60鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the FB60 steel (mass fraction) %

圖1 試驗(yàn)鋼的熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic of heat treatment process for the tested steel

在熱處理前、后，沿板材橫向截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，用Zwick Z600E電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min。每件鋼板試樣加工3片90 mm×90 mm的擴(kuò)孔用試樣，沖制出φ10 mm的圓孔，按照GB/T 24524—2009采用Zwick/roell BUP400板材成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，錐形沖頭頂角為60°，沖頭運(yùn)行速率為60 mm/min，直至圓孔邊緣有明顯貫穿裂紋為止。采用LEICA DM6000金相顯微鏡和FEI Quanta 400掃描電鏡觀察試樣的微觀組織，并借助Analysis pro 5圖象分析軟件測(cè)量鐵素體的平均晶粒尺寸和第二相的體積分?jǐn)?shù)。在掃描電鏡觀下觀測(cè)擴(kuò)孔后試樣圓孔端面和貫穿裂紋斷口的形貌，以及縮頸區(qū)域內(nèi)縱剖面的孔洞分布。采用HYSITRONTI 750原位納米壓痕儀測(cè)定顯微硬度，試驗(yàn)力為4 mN，壓痕點(diǎn)間距5 μm，每件試樣100個(gè)壓痕，并用掃描電鏡觀察納米壓痕點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

試樣的力學(xué)性能如表2所示，工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線如圖2所示。由表2可知，試樣A、C、D抗拉強(qiáng)度相同，均為610 MPa左右，斷后伸長(zhǎng)率也基本相同，為22%～26%，屬于力學(xué)性能相同的產(chǎn)品。但它們的屈強(qiáng)比差異較大，試樣A為0.90，而試樣C、D約為0.6，由圖2可知，試樣C、D曲線光滑無屈服平臺(tái)，為典型的F/M雙相鋼拉伸曲線。試樣B抗拉強(qiáng)度最低，僅為481 MPa，斷后伸長(zhǎng)率最高。

表2 不同狀態(tài)FB60鋼試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the FB60 steel specimens in different conditions

圖2 FB60鋼試樣的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線圖Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of the FB60 steel specimens

2.2 顯微組織

FB60鋼試樣的顯微組織見表4和圖3、圖4。由圖3、圖4可知，試樣A為典型的F+B組織，試樣B為F+P，這與其空冷至室溫有關(guān)。試樣C、D均為F+M，與試樣C相比，試樣D的鐵素體晶粒較粗大，馬氏體量少。這是因?yàn)樵嚇覦加熱后空冷至670 ℃才淬水，其空冷時(shí)間較試樣C延長(zhǎng)了約60 s。隨著空冷時(shí)間的延長(zhǎng)， 奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的量增多，且鐵素體晶粒長(zhǎng)大，剩余的奧氏體水冷轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體呈彌散的孤立島狀[22- 23]。F/M雙相鋼板中的屈服強(qiáng)度決定于鐵素體[23]，試樣D的鐵素體晶粒較粗大，故其屈服強(qiáng)度較試樣C低32 MPa?？估瓘?qiáng)度則決定于軟硬相比例以及馬氏體的強(qiáng)度，而馬氏體的強(qiáng)度隨其碳含量的增加而提高[23]。

2.3 擴(kuò)孔性能(延伸凸緣性能)

圖3 FB60鋼試樣A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的顯微組織Fig.3 Microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

圖4 FB60鋼試樣A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的掃描電鏡組織Fig.4 SEM microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

避開貫穿裂紋所在的方向，對(duì)擴(kuò)孔后試樣(見圖5)的圓孔進(jìn)行測(cè)量，取3次測(cè)量的平均值，并根據(jù)式(1)計(jì)算其擴(kuò)孔率，結(jié)果如表3所示。

圖5 擴(kuò)孔后的FB60鋼試樣Fig.5 Hole- expanded FB60 steel samples

表3 FB60鋼試樣的擴(kuò)孔性能Table 3 Hole expanding rate (HER) of the FB60 steel specimens

(1)

式中：λ—擴(kuò)孔率，%；D0—擴(kuò)展前孔的直徑，mm；Dh—擴(kuò)展至開裂時(shí)孔的平均直徑，mm。

由表3可知，試樣B的擴(kuò)孔性能最好，試樣A次之，試樣D最差，且試樣C、D的擴(kuò)孔率接近。即F/B雙相試樣A的擴(kuò)孔率約為F/M雙相試樣C、D擴(kuò)孔率的3倍大。

2.4 顯微硬度

對(duì)FB60鋼試樣中4種不同的顯微組織進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)，其典型的試驗(yàn)力—壓痕深度曲線如圖6所示。對(duì)納米壓痕點(diǎn)進(jìn)行篩選，剔除不合格的納米壓痕點(diǎn)(見圖7)，每個(gè)試樣有效壓痕數(shù)為70～80個(gè)。對(duì)這些合格的壓痕點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見圖8)，將其算術(shù)平均值作為該試樣組織的顯微硬度，結(jié)果如表4所示。

圖6 FB60鋼試樣中馬氏體(M)、貝氏體(B)、珠光體(P)和鐵素體(F)的試驗(yàn)力- 壓痕深度曲線Fig.6 Load- indentation depth curves for martensite (M), bainite (B), pearlite (P) and ferrite (F) in the FB60 steel specimens

圖7 試樣A的納米壓痕SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM micrograph of nano- indentation of the sample A

由表4可知，不同試樣中的鐵素體硬度值略有區(qū)別，鐵素體的平均顯微硬度為2.66～3.08 GPa，珠光體為3.22 GPa， 貝氏體為3.84 GPa， 馬氏體為5.46～6.57 GPa。鐵素體顯微硬度波動(dòng)較大可能與不同試樣中鐵素體的大小、晶內(nèi)位錯(cuò)、亞晶結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)；馬氏體的硬度與其含碳量有關(guān)，含碳含量越高，馬氏體的硬度越高[19]。對(duì)于F/B雙相鋼板，硬/軟相硬度比值為1.25，遠(yuǎn)小于F/M雙相鋼板的1.84～2.17。硬/軟相硬度比值大小為試樣B<試樣A<試樣C<試樣D，即F+P組織

圖8 試樣A中鐵素體(a)和貝氏體(b)的顯微硬度統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Micro- hardness statistical graphs for ferrite (a) and bainite (b) in the specimen A

表4 試樣的顯微組織及其顯微硬度Table 4 Microstructures in the specimens and their micro- hardness

注：軟相指F，硬相指P、B、M

2.5 斷口形貌

對(duì)擴(kuò)孔后的試樣用SEM觀察孔的端面、貫穿裂紋以及縮頸區(qū)截面的微觀形貌，結(jié)果如圖9～11所示。

由圖9(c)可知，試樣的圓孔端面有大量的微裂紋，并與板厚呈45°或135°角，裂紋夾角近90°，這些裂紋是鋼板在擴(kuò)孔過程中沿最大切應(yīng)力方向起裂所致[24- 25]。圖9(b)、9(d)為貫穿裂紋斷口形貌，可知所有試樣的斷口均為延性斷口。F/B雙相鋼貫穿裂紋斷口的韌窩大而深，大小均勻，說明F/B雙相鋼具有良好的塑性。而F/M雙相鋼斷口韌窩小而淺，且大小不均勻，說明F/M雙相鋼塑性較差。這是因?yàn)镕/M雙相鋼中存在較多的位錯(cuò)，導(dǎo)致其難以滑移[26]。

圖9 擴(kuò)孔后孔的形貌(a)以及(a)中所示裂紋斷口(試樣A(b)和C(d))和圓孔凸緣(c)的形貌Fig.9 (a)Expanded hole in the specimen and micrographs of ((b)specimen A and (d) specimen C) crack fracture and (c) hole flange showed in (a)

圖10 試樣A(a)、C(b)和D(c)擴(kuò)孔后圓孔截面的微觀形貌 Fig.10 Micrographs of cross- section of the expanded hole in the samples A (a), B (b) and D(c)

圖10為縮頸區(qū)截面上裂紋尖端的形貌。對(duì)于試樣A，見圖10(a)，在裂紋的四周，貝氏體和鐵素體發(fā)生了明顯的形變，且存在大量的孔隙，分布范圍寬達(dá)60 μm。而試樣C僅在裂紋擴(kuò)展的方向有少量的變形鐵素體和馬氏體，分布范圍僅10 μm寬，見圖10(b)。試樣D幾乎看不到變形的鐵素體和馬氏體，且孔隙數(shù)量更少，見圖10(c)。

圖11為F/M雙相鋼中擴(kuò)展的裂紋形貌。由圖可知，試樣C裂紋兩側(cè)存在斷裂的馬氏體，裂紋為穿晶擴(kuò)展。試樣D中裂紋沿晶界擴(kuò)展，這是因?yàn)樵嚇覦中的馬氏體硬度高，不易破裂。

圖11 試樣C(a)和D(b)裂紋擴(kuò)展照片F(xiàn)ig.11 Micrographs of expanded crack in the specimens C (a) and D (b)

3 分析與討論

對(duì)于F/B和F/P鋼，試樣在擴(kuò)孔過程中最先形變的是強(qiáng)度最低的鐵素體，變形導(dǎo)致鐵素體晶粒內(nèi)位錯(cuò)增多。當(dāng)位錯(cuò)強(qiáng)化使得鐵素體強(qiáng)度與珠光體、貝氏體接近時(shí)，不同的組織一起變形，宏觀表現(xiàn)為擴(kuò)孔性能良好。隨著變形量的進(jìn)一步增大，在兩相界面或鐵素體晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量孔隙，孔隙被拉長(zhǎng)、聚集而形成宏觀裂紋[17]。由于F/B和F/P鋼變形范圍大，且形變均勻，孔隙擴(kuò)大的速率也基本相同，其貫穿裂紋斷口上的韌窩大小也較均勻。

而F/M雙相鋼中兩相的強(qiáng)度差別很大，其顯微硬度相差1倍，形變的鐵素體強(qiáng)度仍不能達(dá)到或接近馬氏體的強(qiáng)度，導(dǎo)致變形難以協(xié)調(diào)。而鐵素體的強(qiáng)度不高，當(dāng)變形量達(dá)到兩相界面的極限變形量時(shí)，兩相界面將產(chǎn)生孔隙，故其擴(kuò)孔性能很差。這些孔隙是在兩相界面產(chǎn)生，而馬氏體晶粒大小不一，孔隙的大小也不均勻，這些孔隙聚集擴(kuò)大時(shí)，導(dǎo)致其斷口的韌窩尺寸也不均勻。與F/B和F/P鋼相比，F(xiàn)/M鋼中均勻變形的范圍大，產(chǎn)生的孔隙少，使擴(kuò)孔過程中的應(yīng)力更易集中，從而在擴(kuò)孔過程的初期即開裂。

對(duì)于馬氏體含量不同、但擴(kuò)孔性能接近的試樣C、D，擴(kuò)孔性能除與兩相硬度差有關(guān)外，還與鋼中兩相的比例、兩相界面的面積、裂紋擴(kuò)展的方式等因素有關(guān)[27]。試樣D中的馬氏體硬度高，即硬/軟相硬度比值大，其開裂概率大；如馬氏體含量少，其兩相界面少，發(fā)生開裂的部位也少。此外，馬氏體硬度高，在一定程度上又阻止鐵素體變形，增大了裂紋擴(kuò)展所需的外力。試樣D中裂紋為沿晶擴(kuò)展，所需的外力與穿晶擴(kuò)展的試樣C不同。各種因素的綜合影響使試樣C、D的擴(kuò)孔性能相近。還有待進(jìn)一步研究。

對(duì)于試樣B，其擴(kuò)孔率最大，達(dá)129%。這主要與其顯微組織為F+P有關(guān)。其兩相強(qiáng)度差最小，硬/軟相比值最小，擴(kuò)孔時(shí)兩相協(xié)調(diào)最好。但珠光體強(qiáng)度太低，故試樣的強(qiáng)度最低，僅為480 MPa。而擴(kuò)孔性能與抗拉強(qiáng)度成反比，當(dāng)抗拉強(qiáng)度從500 MPa增加至600 MPa時(shí)，擴(kuò)孔率下降約25%～35%[15]。相對(duì)而言，F(xiàn)+P兩相組織不是延伸凸緣性能良好的鋼板的最佳選擇。

綜上所述，F(xiàn)/B組織兼具高的強(qiáng)度和良好的擴(kuò)孔性能，提高F/B雙相鋼中鐵素體強(qiáng)度以降低兩相的強(qiáng)度差[21]，或開發(fā)含有大量細(xì)小鐵素體單相組織的鋼，是高強(qiáng)度易擴(kuò)孔的鋼的研究熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，這種易擴(kuò)孔的鋼的抗拉強(qiáng)度為780 MPa，擴(kuò)孔率仍高達(dá)80%[28]。

4 結(jié)論

(1)成分相同、抗拉強(qiáng)度相同的F/B雙相鋼板的擴(kuò)孔性能(延伸凸緣性能)是F/M雙相鋼板的3倍；成分相同時(shí)，F(xiàn)/P兩相組織的擴(kuò)孔性能最好，但強(qiáng)度最低。

(2)擴(kuò)孔開裂的直接原因是鋼板中兩相組織存在強(qiáng)度差，強(qiáng)度差越大，兩相的協(xié)同變形越差，在兩相界面越容易產(chǎn)生孔隙，孔隙聚集擴(kuò)大而形成裂紋。

(3)對(duì)于F/P和F/B鋼板，擴(kuò)孔過程中產(chǎn)生的大量形變區(qū)域和孔隙能緩解擴(kuò)孔過程中的應(yīng)力集中，吸收能量，并提供擴(kuò)孔所需的空間，使鋼板具有良好的擴(kuò)孔性能。對(duì)于F/M雙相鋼板，擴(kuò)孔性能除與兩相的硬度差有關(guān)外，還與鋼板中兩相的比例、界面的面積、裂紋擴(kuò)展的方式等因素有關(guān)。

(4)降低兩相強(qiáng)度差，或選擇析出強(qiáng)化的鐵素體單相組織，是高強(qiáng)度易擴(kuò)孔鋼的發(fā)展方向。