王金榮，許 強(qiáng)，逯志強(qiáng)，靳 斌 ，王誠斯 ，吳 磊 ，王海龍 ，陳 卓*，

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北唐山063016；2.唐山鋼鐵集團(tuán)微爾自動(dòng)化有限公司，河北唐山063016）

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出以及國家政策的導(dǎo)向，可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)代各行各業(yè)的指向標(biāo)。汽車行業(yè)中，汽車輕量化成為順應(yīng)這一時(shí)代汽車發(fā)展的潮流［1］。在汽車輕量化發(fā)展技術(shù)中，采用大量高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼成為最簡單和最有效的途徑［2］。高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼制造出的汽車“白車身”具有減重降耗特點(diǎn)，同時(shí)還大大的提高了車身的安全性［3］。但是，對(duì)于高強(qiáng)鋼來說一個(gè)很棘手的問題就是氫致延遲斷裂失效，并且高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度級(jí)別越大，氫致延遲斷裂的敏感性越強(qiáng)［4-5］。因此較高敏感性的氫致延遲斷裂已然成為了限制高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼應(yīng)用的重要因素［6］。

氫致延遲斷裂是指材料在靜止應(yīng)力的作用下，服役不確定時(shí)間后，突然發(fā)生脆性斷裂的一種失效現(xiàn)象。這種脆性斷裂是建立在材料、環(huán)境、應(yīng)力三大因素共同作用下發(fā)生的，主要是由于氫引起，因此稱之為“氫致延遲斷裂”［7-8］。氫致延遲斷裂的發(fā)生具有突發(fā)性、不可預(yù)知性，是一種無征兆的斷裂失效行為。因此飛機(jī)、汽車、輪船或者重大設(shè)備中的某個(gè)零部件一旦發(fā)生了氫致延遲斷裂，往往會(huì)導(dǎo)致極為嚴(yán)重的破壞性后果，對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)都將帶來極大的威脅。因此，超高強(qiáng)鋼或者高強(qiáng)鋼在使用之前必須要對(duì)其氫致延遲斷裂行為作出評(píng)價(jià)［9-10］。影響高強(qiáng)鋼氫致延遲斷裂行為的因素非常多，針對(duì)超高強(qiáng)汽車用鋼氫致延遲斷裂敏感性的測(cè)試評(píng)價(jià)方法一直是汽車用鋼應(yīng)用領(lǐng)域熱點(diǎn)和難點(diǎn)，國內(nèi)外對(duì)此已開展了大量研究［11-17］，相繼提出了多種測(cè)評(píng)方法，代表性方法諸如U 型彎梁實(shí)驗(yàn)法、恒載荷法、慢應(yīng)變速率法、準(zhǔn)靜態(tài)拉伸法、氫滲透法、沖杯試驗(yàn)法等，然而截至目前尚未形成能在行業(yè)內(nèi)通行的技術(shù)規(guī)范，依舊處于空白階段。針對(duì)高強(qiáng)鋼的延遲斷裂性能評(píng)價(jià)，有采用鋼材試樣，有直接從零部件上取樣測(cè)試，由于實(shí)際成形后零件各部位的性能有所差別，且各自的服役要求也可能不同，因此取樣部位應(yīng)由試驗(yàn)委托方根據(jù)己方零件使用需求提出，由試驗(yàn)雙方協(xié)商確定。在零部件實(shí)際的使用環(huán)境下做氫致延遲斷裂性能評(píng)價(jià)，但這種方法往往需要較長的時(shí)間，幾年甚至是幾十年，因此多采用加速斷裂實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法來進(jìn)行高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂性能評(píng)價(jià)。

筆者采用U 型彎曲試樣在酸性介質(zhì)中的加速斷裂實(shí)驗(yàn)法研究了DP980 和QP980 兩種汽車常用高強(qiáng)鋼氫致延遲斷裂性能。通過觀察兩種鋼種組織的差異性，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度上研究了QP980 的抗氫致延遲斷裂能力與DP980 的差別，分析了兩種鋼種氫致延遲斷裂敏感性差異的原因，為高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼的推廣應(yīng)用及其應(yīng)用安全性提供一定的技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用厚度均為1.0 mm 無鍍層的汽車用980 MPa 級(jí)別連退雙相鋼（DP980）和淬火配分鋼（QP980）高強(qiáng)鋼板料為研究材料，兩種鋼材的化學(xué)成分如表1 所示。試樣使用線切割按照ISO 6892-1：2016標(biāo)準(zhǔn)裁剪成標(biāo)準(zhǔn)單拉試樣，兩種鋼材沿平行于試驗(yàn)鋼軋制方向的基本力學(xué)性能如表1所示。

圖1 是金相取樣示意圖，取沿試驗(yàn)鋼軋制方向的側(cè)面樣品，圓柱表示的是軋輥，箭頭表示軋制方向，紅色線框表示側(cè)面取樣的方向。沿著軋制方向?qū)⒃嚇舆M(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光，選用4%的硝酸酒精對(duì)樣品進(jìn)行侵蝕，吹干后在光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察兩種鋼種的組織。

表1 兩種鋼種的化學(xué)成分（wt.%）與力學(xué)性能Tab.1 Chemical composition（wt.%）and mechanical properties of DP980 and QP980

圖1 金相取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of metallographic sampling

本實(shí)驗(yàn)采用的是U 型彎曲試樣在酸性介質(zhì)中加速斷裂實(shí)驗(yàn)法，該方法可以簡單和直觀的評(píng)判不同鋼種的氫脆敏感性，也是主機(jī)廠比較喜歡的一種快速判斷氫脆敏感性的方法。含氫介質(zhì)選擇的是0.5 mol/L 的鹽酸水溶液。圖2為高強(qiáng)鋼U 型彎曲試樣在酸性介質(zhì)中加速斷裂實(shí)驗(yàn)的示意圖，試樣在板料上取樣獲得，實(shí)驗(yàn)前將試樣表面的油污、銹跡等清除干凈。為避免因邊緣質(zhì)量缺陷造成的實(shí)驗(yàn)不準(zhǔn)確，筆者采用激光切割代替線切割方式獲得加速實(shí)驗(yàn)試樣的固定尺寸，試樣的尺寸如圖2 內(nèi)嵌圖所示。將規(guī)定尺寸的試樣置于力學(xué)加載試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲，然后采用螺桿及螺母等配件將試樣緊固，實(shí)現(xiàn)彎曲應(yīng)力加載。試樣彎曲成形以后進(jìn)行表面外觀的檢查，保證彎曲成形后的試樣表面沒有裂紋產(chǎn)生。采用0.5 mol/L 的鹽酸水溶液作為酸性介質(zhì)，DP980和QP980試樣的彎曲角度為180°U彎，每種鋼取3 個(gè)試樣為一組平行樣。將固定好的試樣樣品浸泡到鹽酸水溶液中室溫下靜置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試樣在浸泡過程中，采用視頻監(jiān)控設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行不間斷記錄觀測(cè)，精確記錄試樣開裂時(shí)間點(diǎn)，500 h未發(fā)生斷裂則停止實(shí)驗(yàn)。

圖2 U彎方法示意圖Fig.2 Sketch of U-bend experiment method

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

DP 鋼，即雙相鋼，是低碳鋼或低合金鋼經(jīng)臨界區(qū)熱處理或經(jīng)控制軋制而得到的高強(qiáng)度鋼。通過制定恰當(dāng)?shù)睦鋮s工藝，使奧氏體化的鋼較長時(shí)間的停留在鐵素體相變區(qū)，從而保證有80%左右的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，通過快冷繞過貝氏體形成區(qū)，直接冷卻到Ms（馬氏體相變開始溫度）點(diǎn)以下，從而形馬氏體相的組織，最終DP 鋼具有鐵素體+馬氏體相的組織［18］。QP 鋼，即淬火延性鋼，是將鋼加熱到兩相區(qū)等溫保溫一段時(shí)間后，引入部分鐵素體，快速冷卻到Ms和Mf（馬氏體相變結(jié)束溫度）間的淬火溫度并保溫，產(chǎn)生適量的馬氏體，隨后升溫到高于Ms 點(diǎn)的配分溫度恒溫一段時(shí)間，從而確保殘留奧氏體富碳過程完成。DP980 鋼的組織如圖3（a）所示，其中白色多邊形區(qū)域?yàn)殍F素體組織，灰色區(qū)域?yàn)閸u狀馬氏體組織，馬氏體含量約為50%（經(jīng)Image Pro Plus 軟件測(cè)量）。圖3（b）所示為QP980 鋼的組織，主要為鐵素體，馬氏體和少量的殘余奧氏體。經(jīng)測(cè)量，其馬氏體含量約為64%，殘余奧氏體含量約為13%。圖4 為DP980 和QP980 兩種試驗(yàn)鋼的高倍 SEM 顯微組織照片，如圖 4（a）所示，DP980 試驗(yàn)鋼中馬氏體主要呈島狀分布在鐵素體基體上，圖4（b）中的QP980 試驗(yàn)鋼中的馬氏體主要是板條狀的回火馬氏體，馬氏體板條間分布著殘余奧氏體。

圖3 試驗(yàn)鋼的顯微組織照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of DP980 and QP980

圖4 試驗(yàn)鋼的高倍SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of DP980 and QP980

2.2 U型彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5是DP980和QP980 U彎試樣在0.5 mol/L 的鹽酸溶液中浸泡前后的試樣照片對(duì)比。從圖5 中可以明顯看出，經(jīng)過鹽酸浸泡的DP980 樣品只是在試樣的表面產(chǎn)生了一些腐蝕產(chǎn)物，并沒有發(fā)生斷裂，而QP980 三個(gè)試樣在浸泡之后，均發(fā)生了斷裂。

表2為DP980和QP980試樣在0.5 mol/L的鹽酸溶液中浸泡的U 型彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，DP980 和QP980 兩種鋼種的抗氫致延遲斷裂敏感性差異非常大，3 個(gè)DP980 平行試樣在0.5 mol/L 的鹽酸溶液中浸泡500 h，樣品均未發(fā)生斷裂，彎曲位置也沒有肉眼可見的裂紋出現(xiàn)。而QP980 樣品的平行樣在0.5 mol/L 的鹽酸溶液中浸泡后，3 個(gè)平行樣在平均36 h 即全部發(fā)生了斷裂。由此可見，QP980 鋼種的氫致延遲斷裂敏感性要比DP980鋼種的高很多。

從成分來看，QP980 鋼種中的C 和Si 兩種元素要比DP980 鋼種中的元素含量要高。鋼中C 和Si兩種元素容易發(fā)生偏析，可以促進(jìn)高強(qiáng)鋼在酸性環(huán)境下對(duì)氫的吸收，從而進(jìn)一步增大高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂敏感性［4-5］。因此，QP980 鋼的氫致延遲斷裂敏感性要比DP980鋼的敏感性要大。

圖5 DP980和QP980試驗(yàn)鋼的浸泡前后的照片對(duì)比Fig.5 Comparison of appearance of DP980 and QP980 test steels before and af-ter immersion

表2 DP980和QP980試驗(yàn)鋼的U型彎曲試驗(yàn)斷裂時(shí)間Tab.2 Fracture time（h）of the DP980 and QP980 tested steels

從組織上來看，DP980 高強(qiáng)鋼中主要是由鐵素體基體中分布的高強(qiáng)度馬氏體組織組成，QP980 鋼種中的組織主要為鐵素體，馬氏體和部分殘余奧氏體。高強(qiáng)鋼不同的組織對(duì)氫致延遲斷裂敏感性的影響也非常大。一般來講，相同應(yīng)力水平下，材料中馬氏體的含量越多，氫致延遲斷裂的敏感性就越大。對(duì)奧氏體組織來說，一方面該組織是有助于提高高強(qiáng)鋼的抗氫致延遲斷裂能力的，這是由于奧氏體屬于面心立方結(jié)構(gòu)，晶體間隙相對(duì)較大，對(duì)氫具有較高的溶解能力，奧氏體組織對(duì)氫的溶解度要遠(yuǎn)大于馬氏體組織，同時(shí)，面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體可以大大降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，α-Fe 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe 時(shí)，氫的擴(kuò)散系數(shù)會(huì)降低6 個(gè)數(shù)量級(jí)［19］，因此奧氏體組織有助于降低高強(qiáng)鋼中可擴(kuò)散氫的含量，從而增大高強(qiáng)鋼的抗氫致延遲斷裂性能。另一方面，奧氏體組織對(duì)高強(qiáng)鋼氫致延遲斷裂敏感性的影響除了奧氏體的含量以外，奧氏體的穩(wěn)定性也起著關(guān)鍵性的作用［19］。QP980 鋼在本實(shí)驗(yàn)中采用的 U 彎變形，在彎曲變形的過程中會(huì)導(dǎo)致QP980 鋼中的殘余奧氏體發(fā)生TRIP 效應(yīng)轉(zhuǎn)變，組織中不穩(wěn)定的殘余奧氏體會(huì)發(fā)生向馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生的馬氏體組織更容易導(dǎo)致高強(qiáng)鋼發(fā)生氫致延遲斷裂失效［20］；同時(shí)，奧氏體在發(fā)生TRIP 效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，會(huì)釋放出一部分氫變?yōu)榭蓴U(kuò)散氫，這進(jìn)一步加大了高強(qiáng)鋼材料發(fā)生氫致延遲斷裂失效的可能性；除此之外，奧氏體組織與馬氏體組織的界面在變形過程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生塑性變形不相容的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致兩相界面產(chǎn)生一些應(yīng)力集中或者缺陷，而這些應(yīng)力集中和缺陷正是氫較容易富集以及裂紋形核的重要部位。

以上種種原因說明了高強(qiáng)鋼的微觀組織對(duì)氫致延遲斷裂敏感性具有較高的影響力，本文研究從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度上證明了QP980 的抗氫致延遲斷裂能力確實(shí)要比DP980差。

3 結(jié)論

U 型彎曲實(shí)中，DP980 和 QP980 試樣在 0.5 mol/L 的鹽酸溶液中浸泡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，DP980 三個(gè)平行樣品均未發(fā)生斷裂。而QP980 三個(gè)平行樣品在平均36 h 即全部發(fā)生了斷裂。由此可見，QP980鋼種的氫致延遲斷裂敏感性要比DP980 鋼種的高很多。

顯微組織對(duì)高強(qiáng)鋼的氫致延遲斷裂敏感性有較大的影響，QP980 高強(qiáng)鋼中含有殘余奧氏體組織，溶氫能力高，在變形過程中，殘余奧氏體發(fā)生TRIP 效應(yīng)轉(zhuǎn)變成具有較高氫致延遲斷裂敏感性的馬氏體組織，同時(shí)釋放出氫增大了可擴(kuò)散氫的濃度，兩個(gè)方面共同作用，導(dǎo)致QP980 鋼具有較高的氫致延遲斷裂敏感性。