王衛(wèi)遠(yuǎn)，楊少華，施劉健

(馬鋼股份公司制造部 安徽馬鞍山 243003)

1 概述

雙相鋼(Dual Phase Steel，簡(jiǎn)稱DP鋼)是指主要由鐵素體和馬氏體相構(gòu)成的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)退火時(shí)間對(duì)雙相鋼組織、性能影響的研究越來(lái)越多。牛楓等[1]研究了退火溫度、退火時(shí)間和過(guò)時(shí)效溫度對(duì)雙相鋼鋼組織、力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，雙相鋼強(qiáng)度先下降后上升，屈強(qiáng)比不變，鐵素體晶粒長(zhǎng)大，馬氏體增多。陳繼林等[2]研究了冷軋雙相鋼的組織再結(jié)晶演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)保溫時(shí)間一定情況下，隨著退火溫度的逐漸升高，鐵素體的組織形態(tài)由纖維條帶狀逐漸變成多邊形等軸狀，且有少量點(diǎn)狀滲碳體和碳化物的分布。田超等[3]研究不同保溫時(shí)間對(duì)鋼板的金相組織、拉伸性能的影響，結(jié)果表明增加保溫時(shí)間有利于消除帶狀組織，790 ℃退火60 s為700 MPa雙相鋼的最佳工藝條件。本文通過(guò)在790 ℃分別退火保溫30 s、60 s、120 s以及300 s，研究不同的兩相區(qū)退火時(shí)間對(duì)組織及力學(xué)性能影響。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)材料為1000 MPa級(jí)雙相鋼冷軋中間品，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)方法

在冷軋板上切取尺寸為250 mm×450 mm的矩形試樣作為模擬退火樣板(其中250 mm為軋向)，利用MULTIPAS多功能退火模擬器對(duì)試驗(yàn)鋼板進(jìn)行連續(xù)退火模擬。主要試驗(yàn)方法為：將試樣以10 ℃/s加熱的速度升至兩相區(qū)溫度790 ℃，并保溫一段時(shí)間后(兩相區(qū)保溫時(shí)間分別取30 s、60 s、120 s以及300 s)以5 ℃/s 緩冷至690 ℃，再以25 ℃/s 的冷速快冷至290 ℃并保溫240 s，最后以20 ℃/s的冷速冷卻至室溫，見(jiàn)圖1。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器

沿試驗(yàn)鋼板軋制方向(0°方向)截取試樣，通過(guò)FEI QUANTA 600場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。在JEOL JXA-8530F型場(chǎng)發(fā)射電子探針顯微分析儀上進(jìn)行高倍觀察及元素分析(EPMA)。沿試驗(yàn)鋼板90°方向取樣，通過(guò)Zwick/roell 050拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)力學(xué)性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 兩相區(qū)退火時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼組織結(jié)構(gòu)的影響

圖2(a)～(f)是不同退火時(shí)間的試驗(yàn)鋼的顯微組織圖。可以看出，不同退火時(shí)間后的組織基本都是多邊形鐵素體和馬氏體。試驗(yàn)鋼中鐵素體組織在保溫30s時(shí)就已經(jīng)基本完成了再結(jié)晶，見(jiàn)圖2(a)。而奧氏體則才開(kāi)始長(zhǎng)大，直到保溫120s時(shí)開(kāi)始逐漸改變?cè)瓉?lái)的長(zhǎng)大方向，沿鐵素體晶界邊緣均勻性長(zhǎng)大。

圖1 試驗(yàn)方法

為了初步分析碳、錳元素在試驗(yàn)鋼馬氏體及鐵素體組織中的分布，對(duì)不同退火保溫時(shí)間30 s和120 s工藝條件下的試樣在8000倍下進(jìn)行面掃，結(jié)果見(jiàn)圖3和4。其中電子圖像亮白條為富碳相。由圖3(b)可以分析出，在此工藝條件下，碳元素在奧氏體中充分富集。碳元素在兩相區(qū)退火時(shí)從鐵素體中向奧氏體富集。保溫30 s時(shí)，錳元素有一定的富集，但是保溫時(shí)間較短，置換型錳原子的擴(kuò)散不明顯。

圖2 不同退火時(shí)間的試驗(yàn)鋼的掃描顯微組織

對(duì)比圖3(b)和圖4(b)，在保溫120 s的工藝條件下，出現(xiàn)了亮黃色部分，說(shuō)明碳進(jìn)一步富集了。同時(shí)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，錳元素在兩相組織中的化學(xué)勢(shì)發(fā)生變化，從鐵素體向奧氏體中擴(kuò)散的錳元素含量增加，但變化量也不大。錳元素在奧氏體中起到穩(wěn)定奧氏體并且阻礙奧氏體長(zhǎng)大的作用，有利于提高試驗(yàn)鋼的性能[4]。

圖3 保溫30 s工藝條件下試樣中C和Mn元素的分布

3.2 兩相區(qū)退火時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼性能的影響

兩相區(qū)退火時(shí)間通過(guò)影響奧氏體晶粒的生長(zhǎng)及其淬透性等因素來(lái)影響鋼的力學(xué)性能。不同兩相區(qū)退火保溫時(shí)間下試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5(a)，各力學(xué)性能具體數(shù)值見(jiàn)表2。從圖5可以看出，不同退火時(shí)間連續(xù)退火試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)連續(xù)屈服行為，以殘余塑性應(yīng)變0.2%時(shí)的強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度。

結(jié)合表2和圖5(b)、(c)可以看出，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨兩相區(qū)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而先增大后減少，都在120 s保溫時(shí)間時(shí)達(dá)到最大，分別為592.7 MPa和1097.3 MPa；斷裂延伸率隨著退火的時(shí)間先減少后增加之后趨于穩(wěn)定，最高能達(dá)到13.2%，而屈強(qiáng)比隨兩相區(qū)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸上升。

圖4 保溫120 s工藝條件下試樣中C和Mn元素的分布

抗拉強(qiáng)度先升高后減少是由于隨兩相區(qū)退火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)形成的奧氏體數(shù)量增多，進(jìn)而導(dǎo)致在冷卻過(guò)程中形成硬相馬氏體的體積分?jǐn)?shù)增大，隨著時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，馬氏體體積分?jǐn)?shù)基本不再變化，但馬氏體島狀尺寸逐漸增大，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度也先升高后降低，升高主要有兩個(gè)原因，一是隨退火時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵素體含量減少，組織中總的可動(dòng)位錯(cuò)減少，變形時(shí)屈服不容易發(fā)生，進(jìn)而屈強(qiáng)比也隨之逐漸增大；二是與帶狀組織有關(guān)：當(dāng)出現(xiàn)帶狀組織時(shí)，鐵素體在變形過(guò)程中受到硬相馬氏體的阻礙小，屈服相應(yīng)低；而當(dāng)帶狀組織消失后，則鐵素體變形時(shí)受到阻礙增大，從而導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度升高。當(dāng)退火保溫時(shí)間延長(zhǎng)至300s時(shí)，晶粒會(huì)有所粗化，導(dǎo)致其屈服強(qiáng)度降低[5]。

圖5 不同兩相區(qū)退火保溫時(shí)間下的性能曲線

表2 不同兩相區(qū)保溫時(shí)間下試驗(yàn)鋼各力學(xué)性能的具體值

試驗(yàn)鋼的延伸率從30 s到60 s大幅降低，主要是因?yàn)殡S退火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體迅速的長(zhǎng)大，鐵素體含量減少。試驗(yàn)鋼延伸率從60 s到120 s明顯提高，主要由于帶狀組織的影響。因?yàn)樵诶斓恼麄€(gè)過(guò)程中，鐵素體會(huì)優(yōu)先在馬氏體存在較少的部位發(fā)生變形。所有延伸率會(huì)在帶狀組織出現(xiàn)到消失整個(gè)過(guò)程中呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。而試驗(yàn)鋼延伸率從120 s到300 s有所降低主要是由于馬氏體內(nèi)部碳含量增加導(dǎo)致馬氏體和鐵素體兩相之間的變形不協(xié)調(diào)性更加明顯而引起的。

從性能表現(xiàn)上看可知保溫300 s時(shí)，可獲得抗拉強(qiáng)度1080.8 MPa，均勻延伸率達(dá)到9.6%，斷裂延伸率為13.2%，強(qiáng)塑積達(dá)到14.27GPa%，綜合力學(xué)性能最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

研究了連續(xù)退火工藝中兩相區(qū)退火保溫時(shí)間對(duì)冷軋?jiān)囼?yàn)鋼組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，并通過(guò)對(duì)比選擇最佳的連續(xù)退火工藝，具體結(jié)論如下：

兩相區(qū)保溫時(shí)間主要通過(guò)影響碳原子的分布狀態(tài)和馬氏體的形貌特征來(lái)影響試驗(yàn)鋼的組織性能。

保溫120 s或300 s都可得到良好綜合力學(xué)性能的試驗(yàn)鋼，強(qiáng)塑積最佳能達(dá)到14.27GPa%。

考慮到工業(yè)生產(chǎn)效率，退火時(shí)間以120 s左右為宜。