萬榮春

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105)

延遲開裂是材料在靜止應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時間后突然脆性破壞的一種現(xiàn)象，是材料－環(huán)境－應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化[1-3]。目前實(shí)驗(yàn)室所采用的加速型延遲開裂試驗(yàn)方法大致為：恒載荷試驗(yàn)、慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）、恒應(yīng)變（彎梁）試驗(yàn)和斷裂力學(xué)試驗(yàn)，其中采用比較廣泛的是慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）方法，該方法能準(zhǔn)確地反映材料的氫致延遲開裂的敏感性[4-6]，但慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果相對分散，對不同強(qiáng)度級別鋼的延遲開裂性能也不能準(zhǔn)確評價。

本文利用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)方法研究DP980、QP980和TWIP980三種980 MPa強(qiáng)度級汽車薄板鋼延遲開裂性能，并觀察試驗(yàn)鋼顯微組織，分析試驗(yàn)鋼的延遲斷裂性能與其組織之間的聯(lián)系，為980 MPa及以上級別超高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)的廣泛應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

三種980 MPa強(qiáng)度級別試驗(yàn)鋼牌號分別為：DP980、QP980和TWIP980，具體化學(xué)成分如表1所示。DP980和QP980鋼化學(xué)成分基本接近，QP980鋼的Si含量（1.37%） 高于DP980鋼的Si含量（0.54%）。TWIP980鋼的化學(xué)成分與其他兩種試驗(yàn)鋼差別較大，C含量和Mn含量較高，C含量到達(dá)0.52%，Mn含量達(dá)到18.57%，Mn含量高的目的是為了獲得單一的奧氏體組織。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

對980 MPa級汽車鋼的板材進(jìn)行取樣，沿軋制方向?qū)⒃嚇幽テ?、拋光，?%的硝酸酒精浸蝕，利用蔡司EVO 15掃描電子顯微鏡對試樣顯微組織進(jìn)行觀察分析。

對980 MPa級汽車鋼的板材進(jìn)行取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB/T 228—2010），慢應(yīng)變速率拉伸試樣尺寸如圖1所示，試樣總長160 mm，標(biāo)距段長度80 mm，寬為6 mm，厚度隨汽車鋼的板材原始厚度，試樣表面打磨到800#砂紙，同一試驗(yàn)條件下三個平行試樣。利用WAW-600萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行慢速率拉伸試驗(yàn)（SSRT），試樣浸泡在5%NaCl溶液和空氣中，同時以1×10-3 s-1（空氣中） 和1×10-5 s-1（5%NaCl溶液中） 應(yīng)變速率拉伸試樣，直至試樣斷裂。

圖1 試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

如圖2所示為三種980 MPa級汽車鋼的顯微組織。DP980鋼的組織主要為鐵素體（F） 及島狀馬氏體（M），QP980鋼的組織主要為板條馬氏體、鐵素體以及馬氏體板條間的島狀殘留奧氏體（A’）。如圖2（a） 和（b） 所示，鐵素體組織相對容易腐蝕為圖中形貌凹部分組織，馬氏體組織相對不容易腐蝕為圖中形貌凸部分組織。DP980鋼與QP980鋼中的馬氏體組織形貌不大相同，DP980鋼中為島狀馬氏體，QP980鋼中為板條狀馬氏體。TWIP980鋼的組織為單一奧氏體，在奧氏體組織內(nèi)部可以觀察到有大量退火孿晶，如圖2（c）所示。此外，組織中仍然保留軋制流線型變形帶，這些由于冷軋后保留下來的流線變形帶，在低溫退火過程中不容易消失，層狀的分布結(jié)構(gòu)對材料的強(qiáng)度和塑性都有重要的影響。

圖2 試驗(yàn)鋼的顯微組織圖

2.2 慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

DP980、QP980和TWIP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3（a） 中可以看出，在5%NaCl溶液中，DP980、QP980和TWIP980鋼的斷裂時間依次增加。DP980和QP980鋼斷裂時間在100秒左右，TWIP980鋼的斷裂時間明顯大于其他兩種鋼，達(dá)到400秒。同樣，在空氣中DP980、QP980和TWIP980鋼的斷裂時間依次增加，DP980和QP980鋼斷裂時間在150秒左右，TWIP980鋼的斷裂時間明顯大于其他兩種鋼，接近600秒。在5%NaCl溶液和空氣中，TWIP980鋼的斷裂時間遠(yuǎn)大于DP980和QP980鋼。再看圖3（b），可發(fā)現(xiàn)斷后伸長率的變化規(guī)律和斷裂時間一樣，在5%NaCl溶液和空氣中，DP980、QP980和TWIP980鋼的斷后伸長率依次增加，DP980和QP980鋼的斷后伸長率在10%～15%之間，TWIP980鋼的斷后伸長率達(dá)到50%左右。根據(jù)試驗(yàn)鋼在介質(zhì)中的斷裂時間和斷后伸長率，可以判斷出DP980、QP980和TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能也是依次變好，TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能最好。

圖3 試驗(yàn)鋼慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 所示為DP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看到在空氣和5%NaCl溶液中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本類似，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和斷后伸長率也基本一致，只是在5%NaCl溶液中略小些，這表明5%NaCl溶液對DP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響甚微。圖5所示為QP980在空氣和5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看到在空氣和5%NaCl溶液中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本類似，但相似程度低于DP980鋼。QP980鋼在5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段明顯短于其在空氣中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段，QP980鋼在5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段基本消失。這也可以從QP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中的斷裂時間和斷后伸長率變化得到印證，QP980鋼在5%NaCl溶液中的斷裂時間和斷后伸長率低于其在空氣中的斷裂時間和斷后伸長率，這表明5%NaCl溶液對QP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響明顯。圖6所示為TWIP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看到在空氣和5%NaCl溶液中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本類似，但相似程度低于DP980鋼而高于QP980鋼。TWIP980鋼在5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段略短于其在空氣中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段，這也可以從TWIP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中的斷裂時間和斷后伸長率變化得到印證，TWIP980鋼在5%NaCl溶液中的斷裂時間和斷后伸長率低于其在空氣中的斷裂時間和斷后伸長率，這表明5%NaCl溶液對QP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響較明顯?？傮w來講，5%NaCl溶液對試驗(yàn)鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響程度，DP980鋼、TWIP980鋼和QP980鋼是依次增大的。

圖4 DP980鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 QP980鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 TIWP980鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 所示為DP980、QP980和TWIP980鋼空氣中正常拉伸斷口。從圖7（a） 中可以發(fā)現(xiàn)DP980鋼拉伸斷口主要為解理斷口，在斷面上有明顯的河流花樣，塑性相對較低，這也可以從DP980鋼在空氣中的斷后伸長率得到印證，其在空氣中的斷后伸長率僅為11.1%。從QP980鋼的斷口形貌，如圖7（b）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)河流花樣解理面，還有大大小小圓形或橢圓形的韌窩出現(xiàn)，這屬于準(zhǔn)解理斷裂，其塑性好于解理斷裂，在空氣中QP980鋼的斷后伸長率達(dá)到12.8%高于DP980鋼。TWIP980鋼的斷口形貌，如圖7（c） 所示，主要是大大小小圓形或橢圓形的韌窩，屬于韌性斷裂，在空氣中TWIP980鋼的斷后伸長率達(dá)到50.3%，是三種試驗(yàn)鋼塑性最好的。

圖7 試驗(yàn)鋼空氣中拉伸的斷口形貌

此外，還利用掃描電鏡觀察了試驗(yàn)鋼慢速率拉伸試驗(yàn)后斷口形貌，如圖8所示，分別為DP980、QP980和TWIP980鋼在5%NaCl溶液中慢速率拉伸試驗(yàn)后的斷口形貌。5%NaCl溶液中拉伸試樣斷口形貌與空氣中拉伸試樣斷口形貌相比氧化現(xiàn)象比較明顯，在試驗(yàn)鋼斷口可以明顯看到腐蝕產(chǎn)物存在。從圖8（a） 中還可以發(fā)現(xiàn)DP980鋼的斷口形貌中解理面比較多，韌窩較少，屬于脆性斷裂，其在5%NaCl溶液中的斷后伸長率僅為10.9%。QP980鋼的斷口形貌中大大小小圓形或橢圓形的韌窩增多，塑性變好，其在5%NaCl溶液中的斷后伸長率約為13%。TWIP980鋼的斷口形貌和其在空氣中拉伸類似，如圖8（c）所示。主要是大大小小圓形或橢圓形的韌窩，屬于韌性斷裂，在5%NaCl溶液中TWIP980鋼的斷后伸長率達(dá)到50%以上，是三種試驗(yàn)鋼塑性最好的。此外，由于試驗(yàn)鋼斷口腐蝕產(chǎn)物存在，不利于斷口形貌更為細(xì)致觀察，如圖8（c）所示，在斷面上分布較多的腐蝕產(chǎn)物，在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)TWIP980鋼容易被腐蝕。

圖8 試驗(yàn)鋼在5%NaCl慢拉伸的斷口形貌

試驗(yàn)鋼的組織對其抗延遲斷裂性能會有重要影響，TWIP980鋼的組織為單一奧氏體組織，奧氏體的塑性好，在慢應(yīng)變速率拉伸速率相對大的時候，TWIP980鋼斷后伸長率大優(yōu)勢變形明顯，抗延遲斷裂性能也相對最好。同樣，DP980鋼的組織主要為鐵素體和馬氏體，QP980鋼的組織主要為馬氏體、鐵素體以及殘留奧氏體。由于QP980鋼組織中存在殘留奧氏體，其塑性好于DP980鋼，在慢應(yīng)變速率拉伸速率相對大的時候，QP980鋼抗延遲斷裂性能好于DP980鋼。

3 結(jié)論

DP980鋼的組織主要為鐵素體及島狀馬氏體，QP980鋼的組織主要為板條馬氏體、鐵素體以及馬氏體板條間的島狀殘留奧氏體組織。TWIP980鋼的組織為單一奧氏體，在奧氏體組織內(nèi)部可以觀察到有大量退火孿晶。

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明DP980、QP980和TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能也是依次變好，TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能最好。