鄧彩艷，劉 策，劉秀國，龔寶明，王東坡，許全軍

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，汽車輕量化成為了世界各國對下一代汽車的設(shè)計目標(biāo)．DP800 雙相鋼作為一種高強鋼，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，以滿足高強度和輕量化的要求．焊接方法中，激光焊憑借能量密度高、變形小、工藝靈活等特點廣泛地應(yīng)用在汽車制造領(lǐng)域[1-3]．然而焊接接頭的微觀組織不均勻，對服役產(chǎn)生很大的影響，其中，焊接接頭的軟化是一個重要的問題．Zhao 等[4]研究了焊接速度對DP 鋼焊接接頭的微觀組織和力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明，焊接速度越小，熱影響區(qū)軟化區(qū)的范圍越大，軟化現(xiàn)象越嚴(yán)重；Xia 等[5]研究了強度在450～980 MPa 時3 種雙相鋼的激光焊接過程，結(jié)果表明，焊接接頭存在軟化區(qū)，軟化區(qū)軟化的程度和DP 鋼的強度，即馬氏體的體積分數(shù)有關(guān)．目前的研究大都對焊接接頭軟化區(qū)的軟化程度以及軟化范圍等因素進行分析，但是對建立焊接接頭軟化區(qū)的力學(xué)行為與微觀組織關(guān)系的研究并不多，因此有必要對其進行研究．

本文首先通過硬度試驗確定焊接接頭軟化區(qū)的位置，利用拉伸試驗結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法得出焊接接頭不同區(qū)域的變形行為．進而通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及電子背散射衍射表征來分析焊接接頭軟化區(qū)微觀組織特點．

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗使用的材料是鞍鋼生產(chǎn)的1.2 mm DP800 高強雙相鋼軋制板材，通過直讀光譜儀測出其主要化學(xué)成分如表1 所示．金相組織主要是由鐵素體基體(F)和分布在基體上的馬氏體島嶼(M)組成，力學(xué)性能如表2 所示．

表1 試驗用DP800雙相鋼的化學(xué)元素組成Tab.1 Chemical composition of the experimental DP800 steel %

表2 試驗用DP800雙相鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of the experimental DP800 steel

1.2 試驗方法

采用JK2003 SM 型Nd：YAG 固體激光器對DP800 雙相鋼進行焊接，焊接試樣裝配示意如圖1 所示，焊接方向平行于軋制方向，焊接試板尺寸為99 mm×60 mm×1.2 mm，接頭形式為對接．焊接試驗參數(shù)如表3 所示．

硬度試驗采用HV-1000 A 顯微維氏硬度計，試驗根據(jù)GB/T 4340.1—2009 標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，試驗力為2 N，保荷時間為 15 s．母材區(qū)域的測試間隔為0.2 mm，熱影響區(qū)和焊縫的測試間隔為0.15 mm．

圖1 焊接試樣裝配示意Fig.1 Diagrammatic sketch of laser welding

表3 激光焊接參數(shù)Tab.3 Parameters of laser welding

拉伸試驗根據(jù)GB/T 2651—2008 標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，試樣尺寸如圖2 所示，厚度為1.20 mm．試驗采用MTS萬能試驗機，拉伸速率為0.5 mm/min．通過DIC 技術(shù)測量拉伸過程中試樣厚度方向的變形行為．試驗前對試樣側(cè)面噴上隨機分布的黑白斑點．圖像采集的速度設(shè)置為每秒一張，應(yīng)變計算區(qū)域為5 像素×569像素．

圖2 拉伸試樣尺寸示意(單位：mm)Fig.2 Dimension of the tensile test specimen(unit：mm)

利用金相試樣制備方法制備焊接接頭試樣，其中侵蝕劑為 4% 的硝酸酒精，并利用光學(xué)顯微鏡和JSM-7800 F 熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行觀察．

焊接接頭試樣各區(qū)域的晶體特征利用EBSD 進行表征，其中，電解拋光液主要是由體積分數(shù)為95%的無水乙醇和5%的高氯酸溶液組成．EBSD 測試時，工作電壓為20 kV，掃描步長為0.2 μm．

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭硬度分布

圖3 為焊接接頭橫截面厚度中線上的硬度測試結(jié)果，可以看出整個焊接接頭的硬度分布不均勻．其中，母材的平均硬度值約256 HV，靠近母材區(qū)的熱影響區(qū)的硬度值范圍為221～243 HV，位于距離焊縫中心約2.0～3.6 mm 的位置．該區(qū)域的硬度值比母材區(qū)域的硬度值下降了約10%，因此定義為焊接接頭的軟化區(qū)．焊縫金屬區(qū)域的硬度最高，平均硬度值為376 HV．靠近焊縫的熱影響區(qū)的硬度也高于母材，硬度值范圍為263～356 HV，此區(qū)域和焊縫金屬區(qū)共同構(gòu)成了焊接接頭的硬化區(qū)．在焊接接頭橫截面沿厚度方向的其他部位也有著類似的硬度分布．

圖3 DP800雙相鋼焊接接頭硬度分布Fig.3 Hardness profile of the DP800 laser welded joint

2.2 拉伸試驗結(jié)果及應(yīng)變測試

對焊接接頭拉伸試樣進行拉伸試驗，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 所示．可以得出，焊接接頭拉伸試樣的抗拉強度為816 MPa，屈服強度為509 MPa，斷后伸長率為9.84%．

圖4 焊接接頭的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of the welded joint

利用DIC 技術(shù)對拉伸過程中焊接接頭各區(qū)域的應(yīng)變進行測試，從焊接接頭的拉伸曲線中選取5 個特征點A、B、C、D、E，其中點A的宏觀應(yīng)變εA＝7.72×10-4，位于彈性階段；點B的宏觀應(yīng)變εB＝4.26×10-3，位于屈服階段；點C的宏觀應(yīng)變εC＝0.026，位于塑性變形的強化階段；點D的宏觀應(yīng)變εD＝0.092，是抗拉極限點；點E的宏觀應(yīng)變εE＝0.101，位于斷裂前的部分．這5 個不同宏觀應(yīng)變下試樣沿拉伸方向的微觀應(yīng)變(εyy)分布如圖5 所示．從圖5(a)可以看出，試樣在彈性階段微觀應(yīng)變分布變化不大，并沒有出現(xiàn)某一區(qū)域的應(yīng)變集中．當(dāng)試樣拉伸至屈服點時，如圖5(b)所示，硬化區(qū)基本上沒有應(yīng)變，其他區(qū)域應(yīng)變相較于彈性階段較大，說明塑性變形剛開始時，組織不均勻造成的應(yīng)變集中就開始產(chǎn)生．隨著焊接接頭試樣進一步拉伸，達到屈服點時，焊接接頭的軟化區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變集中，分布在焊縫區(qū)的兩側(cè)，如圖5(c)所示，此時應(yīng)變值達到0.07，超過了其宏觀應(yīng)變值．當(dāng)試樣拉伸至抗拉極限時，微觀應(yīng)變分布如圖5(d)所示．可以看出，其中一個軟化區(qū)的應(yīng)變集中開始變大，應(yīng)變達到0.22．當(dāng)試樣拉伸至斷裂前，即拉伸曲線的點E時，軟化區(qū)的應(yīng)變發(fā)生突變，達到0.58.母材區(qū)應(yīng)變量約0.10，相對于軟化區(qū)的變形可以忽略不計．整個拉伸過程中，硬化區(qū)(焊縫區(qū)和靠近焊縫區(qū)的熱影響區(qū))應(yīng)變量很小，幾乎為0．最終焊接接頭拉伸試樣斷裂在軟化區(qū)．

2.3 焊接接頭軟化區(qū)的組織特點

2.3.1 組織特點

焊接接頭各區(qū)域不均勻的硬度分布和應(yīng)變分布是由它的微觀組織決定的．圖6 是DP800 雙相鋼焊接接頭橫截面的宏觀組織形貌．其中a 所對應(yīng)的區(qū)域是母材區(qū)，b 所對應(yīng)的區(qū)域是亞臨界熱影響區(qū)，c 所對應(yīng)的區(qū)域是臨界熱影響區(qū)，d 所對應(yīng)的區(qū)域是細晶熱影響區(qū)，e 所對應(yīng)的區(qū)域是粗晶熱影響區(qū)，f 所對應(yīng)的區(qū)域是焊縫金屬區(qū)．

圖5 焊接接頭沿拉伸方向微觀應(yīng)變(εyy)的分布Fig.5 Microscopic strain(εyy) distribution of the welded joint along the tensile direction

圖6 焊接接頭宏觀組織形貌Fig.6 Macroscopic morphology of the welded joint

根據(jù)圖3 的硬度分布以及焊接接頭各區(qū)域的組織特點，DP800 雙相鋼的軟化主要發(fā)生在亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)．

圖7(a)和(b)是軟化區(qū)包含的亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的SEM 放大圖．亞臨界熱影響區(qū)的范圍較寬，大約為1.4 mm．從細微結(jié)構(gòu)上可以觀察到部分馬氏體內(nèi)部和邊界中存在“白點”或“白條”，這說明馬氏體發(fā)生了分解，形成回火馬氏體結(jié)構(gòu)．通過IMAGEJ 軟件進行統(tǒng)計，回火馬氏體的尺寸范圍約為0.5～6.5 μm，回火馬氏體的體積分數(shù)為36.54%．根據(jù)文獻[6]，這些“白點”或“白條”為碳化物．由于該區(qū)域經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)峰值溫度低于Ac1，相當(dāng)于回火過程，原始馬氏體出現(xiàn)分解，形成碳化物，導(dǎo)致合金元素的固溶度下降，引起硬度和強度的下降．臨界熱影響區(qū)的寬度較窄，約為133 μm．從微觀組織形貌可以看出，該區(qū)域鐵素體含量較多，達到71.01%．該區(qū)域的焊接熱循環(huán)峰值溫度處于Ac1～Ac3之間[7]，在焊接加熱過程中，馬氏體和部分鐵素體發(fā)生奧氏體(γ)轉(zhuǎn)化．當(dāng)快速冷卻時，不穩(wěn)定的奧氏體又生成新的鐵素體和馬氏體．然而由于該區(qū)的冷卻速度較快，部分奧氏體沒有發(fā)生完全轉(zhuǎn)化，形成殘余奧氏體．未轉(zhuǎn)變的鐵素體和新生成的鐵素體使得該區(qū)域鐵素體含量增加，形成焊接接頭的軟化區(qū)．亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的這些組織特點使得這兩個區(qū)域發(fā)生軟化，形成軟化區(qū)，宏觀上呈現(xiàn)硬度下降、容易變形的力學(xué)性能．

圖7(c)是母材區(qū)的SEM 放大圖，可以看出，母材主要由鐵素體和馬氏體組成．經(jīng)統(tǒng)計，母材中馬氏體的尺寸約0.7～4.5 μm，體積分數(shù)約為37.09%．根據(jù)圖7(a)和圖7(b)，亞臨界熱影響區(qū)馬氏體的尺寸和含量與母材相比變化不大；臨界熱影響區(qū)中鐵素體的含量比母材增加了8.1%，引起了該區(qū)域的軟化.

圖7(d)～(f)是由細晶熱影響區(qū)、粗晶熱影響區(qū)和焊縫金屬區(qū)所組成的硬化區(qū)的微觀組織．其中細晶熱影響區(qū)的寬度約為375 μm．該區(qū)域的鐵素體含量很少，僅有3.23%，微觀組織主要是細小的板條馬氏體結(jié)構(gòu)．粗晶熱影響區(qū)寬度約為250 μm，該區(qū)域主要由粗大的板條馬氏體組成．焊縫區(qū)的焊接加熱最高溫度超過了鋼的熔點，在冷卻過程形成了垂直于熔合線的柱狀晶．微觀組織主要由板條馬氏體組成．這些主要為馬氏體結(jié)構(gòu)的區(qū)域組成了焊接接頭的硬化區(qū)．與母材相比，硬化區(qū)中馬氏體含量明顯增多．

2.3.2 晶體學(xué)特征

圖8 是DP800 雙相鋼焊接接頭各個區(qū)域的電子背散射衍射反極圖(inverse pole figure，IPF)，圖9 為焊接接頭各區(qū)域晶粒尺寸的統(tǒng)計結(jié)果. 可以看出：軟化區(qū)包含的亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸為5.78 μm 和8.55 μm；母材的平均晶粒尺寸為5.20 μm；硬化區(qū)包含的細晶熱影響區(qū)和粗晶熱影響區(qū)的晶粒大小分別為2.53 μm 和5.56 μm．從晶粒尺寸的角度來看，相對于母材，軟化區(qū)晶粒的粗化使得硬度和強度降低．

圖7 焊接接頭各個區(qū)域的SEM圖Fig.7 SEM graph of different zones of the welded joint

圖8 焊接接頭各個區(qū)域的IPFFig.8 Inverse pole figure of different zones of the welded joint

圖10 統(tǒng)計了焊接接頭各個區(qū)域在40 μm×40 μm 范圍內(nèi)的晶界總長度．可以看出，軟化區(qū)包含亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的總晶界長度分別為 2.223 mm、1.539 mm；母材區(qū)的晶界總長度為3.528 mm；硬化區(qū)包含的細晶熱影響區(qū)、粗晶熱影響區(qū)和焊縫金屬區(qū)的晶界總長度分別為5.163 mm、6.040 mm、5.110 mm．軟化區(qū)的晶界總長度明顯小于母材區(qū)和硬化區(qū)．晶界的存在會對材料的位錯運動起阻礙作用，致使塑性變形抗力提高，宏觀表現(xiàn)為較高的強度和硬度[8]．因此軟化區(qū)的硬度較小，拉伸過程中更容易發(fā)生變形．

圖9 平均晶粒尺寸統(tǒng)計結(jié)果Fig.9 Graph of the average grain size

圖10 各區(qū)域的晶界總長度Fig.10 Total grain boundary length of different zones

圖11 焊接接頭各個區(qū)域的KAM圖Fig.11 KAM figure of different zones of the welded joint

圖12 平均KAM值統(tǒng)計結(jié)果Fig.12 Average KAM value statistics graph

圖11 是焊接接頭各區(qū)域的局部平均取向差(Kernel average misorientation，KAM)分布圖，圖12為各個區(qū)域的平均KAM 值統(tǒng)計圖．KAM 值表示給定點與所有相鄰點之間的平均取向差大小，用來反映晶粒內(nèi)部位錯的密度和分布情況[9-10]．從圖11(a)和(b)中可以看出，軟化區(qū)包含的亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的亮綠色的比例少于其他區(qū)域．經(jīng)統(tǒng)計，軟化區(qū)內(nèi)亞臨界熱影響區(qū)的KAM 值為0.663，臨界熱影響區(qū)的KAM 值為0.645；母材的KAM 值為0.783；硬化區(qū)包含的細晶熱影響區(qū)、粗晶熱影響區(qū)和焊縫金屬區(qū)的KAM 值分別為0.810、1.098、1.103．可以看出，軟化區(qū)內(nèi)具有較少的位錯密度，有利于位錯的滑移，進而促進材料的變形．因此亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)所組成的軟化區(qū)的硬度較低，拉伸過程中應(yīng)變集中較為嚴(yán)重．

3 結(jié) 論

(1) DP800 雙相鋼焊接接頭硬度分布不均勻，熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)軟化區(qū)，硬度值范圍為221～243 HV，位于距離焊縫中心約2.0～3.6 mm 的位置．焊接接頭試樣拉伸過程中，焊接接頭軟化區(qū)應(yīng)變集中最為嚴(yán)重，并最終斷裂在軟化區(qū)．

(2) 根據(jù)微觀組織特征，焊接接頭的軟化主要分布在焊接接頭的亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)．從組織相變角度分析，一方面亞臨界熱影響區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，析出碳化物，引起了接頭的軟化；另一方面臨界熱影響區(qū)鐵素體含量增多，引起了接頭的軟化．從材料晶體學(xué)角度分析，亞臨界熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的晶粒尺寸大于母材，晶界總長度小于母材，KAM 值低于母材．這三方面使得軟化區(qū)在宏觀上呈現(xiàn)出硬度下降，拉伸過程中產(chǎn)生應(yīng)變集中的力學(xué)性能特點．