潘利波，周文強(qiáng)，譚 文，王俊霖，左治江

(1.江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，武漢 430056；2.寶鋼股份中央研究院，武漢 430080)

0 引 言

在汽車輕量化發(fā)展的大背景下，雙相鋼因具有較高強(qiáng)度和良好成形性能而成為汽車白車身的重要材料。近些年，由于碰撞安全要求和輕量化需求的不斷升級(jí)，抗拉強(qiáng)度在780 MPa級(jí)及以上超高強(qiáng)雙相鋼的應(yīng)用越來越廣泛，主要用于制造結(jié)構(gòu)件或安全件[1-3]。

對(duì)于白車身中強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)或安全部件，其幾何形狀特點(diǎn)要求成形材料除具有一定的拉延性能外，還應(yīng)具有良好的翻邊性能。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，780 MPa級(jí)及以上超高強(qiáng)雙相鋼板往往會(huì)因?yàn)槔有阅懿粔虬l(fā)生拉裂，或者翻邊性能不夠發(fā)生邊部開裂或翻孔開裂，無法滿足零件成形要求。雙相鋼的成形性能與其宏微觀性能直接相關(guān)[4]。索忠源等[5]和JENA等[6]研究認(rèn)為，雙相鋼中馬氏體含量會(huì)隨著兩相區(qū)退火溫度的升高而增加，同時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提升，斷后伸長(zhǎng)率隨之降低。姜英花等[7]通過分析得到了780 MPa級(jí)合金化鍍鋅雙相鋼的最佳退火溫度和合金化溫度組合，在退火溫度800 ℃和合金化溫度520 ℃下，該鋼可獲得最佳的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率組合，并形成細(xì)小彌散分布的馬氏體/奧氏體(M/A)組織，從而提升其擴(kuò)孔翻邊性能。此外，碳元素對(duì)雙相鋼的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度有顯著提升作用[8]；合金元素釩可提高奧氏體淬透性，有利于產(chǎn)生高延伸性的鐵素體組織；而鈮元素對(duì)馬氏體形核、晶粒細(xì)化有著顯著影響[9]。目前雙相鋼的成分體系較多，不同成分體系主要通過添加合金元素來實(shí)現(xiàn)，而添加不同合金元素的雙相鋼的宏微觀性能存在較大差異，在進(jìn)行成形時(shí)往往因拉延性能不足或翻邊性能不足出現(xiàn)開裂。作者選擇某鋼廠批量生產(chǎn)的2種不同合金成分體系的780 MPa級(jí)雙相鋼進(jìn)行組織和性能的對(duì)比分析，明確了二者性能特別是擴(kuò)孔性能的差異，擬為不同成分體系雙相鋼的合理應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為2種合金成分體系的780 MPa級(jí)雙相鋼：一種為高碳體系，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.157%，同時(shí)添加了一定量的硅、錳、鉻等合金元素，簡(jiǎn)稱為高碳系；另一種則降低了碳、硅和鉻元素含量，同時(shí)為保證強(qiáng)度添加了微量鈮元素，為提升淬透性和鋼的回火穩(wěn)定性添加了一定量鉬元素，簡(jiǎn)稱為Nb-Mo系。高碳系和Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的厚度均為1.5 mm，化學(xué)成分見表1，采用相同工藝生產(chǎn)，工藝流程為煉鋼→連鑄→熱軋→冷軋→連退→平整。其中，熱軋終軋溫度為(900±20) ℃，冷軋壓下率為55%65%，連退加熱溫度為(800±20) ℃，平整延伸率為(0.8±0.1)%。

表1 2種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用金相切割機(jī)沿軋制方向切取剖面金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用Lepera試劑腐蝕后，采用Olympus GX71型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，根據(jù)GB/T 4335-2013測(cè)算鐵素體晶粒度，并采用SISC IAS V8圖像處理軟件對(duì)金相照片進(jìn)行二值分割與處理，對(duì)代表不同相的顏色進(jìn)行比例測(cè)算，得到不同相的體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)BS EN10002-1，垂直于軋制方向截取寬度為20 mm的拉伸試樣，標(biāo)距為80 mm，在Zwick/Roell Z050型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為3 mm·min-1。根據(jù)GB/T 24524-2009，在Zwick/Roell BUP400型金屬薄板成形性能試驗(yàn)機(jī)上開展擴(kuò)孔試驗(yàn)。試樣中心孔徑d0為10 mm，當(dāng)孔的邊緣出現(xiàn)頸縮或裂紋時(shí)，測(cè)定中心孔平均直徑d，計(jì)算擴(kuò)孔率λ，計(jì)算公式為

(1)

每種材料做5組擴(kuò)孔試驗(yàn)，取平均值得到平均擴(kuò)孔率。將試樣打磨，用OPS(二氧化硅和氧化鋁拋光液)拋光后，隨機(jī)選擇若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域通過UMIS超微觀壓痕系統(tǒng)的納米壓頭打10×10矩陣的壓痕點(diǎn)，壓痕點(diǎn)間距為20 μm，壓痕載荷為6 mN。通過超微觀壓痕系統(tǒng)將壓痕深度轉(zhuǎn)換為接觸投影面積，由載荷與相應(yīng)投影面積的比值關(guān)系得到納米壓痕硬度。高碳系試樣隨機(jī)選擇4個(gè)區(qū)域，共計(jì)400個(gè)壓痕點(diǎn)，Nb-Mo系試樣隨機(jī)選擇6個(gè)區(qū)域，共計(jì)600個(gè)壓痕點(diǎn)。納米壓痕會(huì)落在不同相以及相與相的交界處，利用概率密度估算方法，通過對(duì)納米硬度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來獲取不同相的平均納米硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出，2種試驗(yàn)鋼的顯微組織均為鐵素體和馬氏體兩相組織，其中白色為馬氏體，深色為鐵素體。高碳系試驗(yàn)鋼中鐵素體晶粒的平均粒徑為4.4 μm；降低碳、硅、鉻含量并添加鈮和鉬元素制備的Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的晶粒明顯細(xì)化，鐵素體晶粒的平均粒徑為3.3 μm。鈮元素是強(qiáng)細(xì)化鐵素體晶粒元素，會(huì)與碳和氮結(jié)合形成細(xì)小碳氮化物，從而延遲再結(jié)晶、阻止晶粒長(zhǎng)大；鉬元素在冷軋雙相鋼中對(duì)鐵素體晶粒的細(xì)化作用不明顯，主要起到穩(wěn)定鐵素體、增加淬透性的作用[10]。采用SISC IAS V8圖像處理軟件測(cè)算出高碳系試驗(yàn)鋼和Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)分別為32%，37%，可見Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中的馬氏體含量更高。

圖1 2種試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of two test steels: (a) high-C seriesand (b) Nb-Mo series

2.2 拉伸性能和擴(kuò)孔率

由表2可以看出：2種試驗(yàn)鋼的拉伸性能指標(biāo)均滿足GB/T 20564.2-2017中780 MPa級(jí)雙相鋼的要求；相比于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼，高碳系試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度較低，使得屈強(qiáng)比較低，并且斷后伸長(zhǎng)率較高，因此拉延成形性能較好，但其擴(kuò)孔性能明顯較差；由于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中鐵素體晶粒更細(xì)小，其屈服強(qiáng)度相比于高碳系試驗(yàn)鋼提升了近10%，平均擴(kuò)孔率提升約50%。高碳系試驗(yàn)鋼中硅含量較高，其斷后伸長(zhǎng)率優(yōu)于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼，這與文獻(xiàn)[11]中提到的在雙相鋼中添加硅元素可以獲得較高位錯(cuò)密度，從而提高加工硬化率和斷后伸長(zhǎng)率的結(jié)論是一致的。

表2 2種試驗(yàn)鋼的拉伸性能與平均擴(kuò)孔率

一般而言，雙相鋼的抗拉強(qiáng)度主要由馬氏體的強(qiáng)度和含量決定。Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中的馬氏體含量高，但抗拉強(qiáng)度略低于高碳系試驗(yàn)鋼的，推測(cè)其顯微組織中的馬氏體強(qiáng)度要低于高碳系試驗(yàn)鋼中的。

2.3 納米壓痕硬度

由圖2可以看出,2種試驗(yàn)鋼的納米壓痕硬度分布呈現(xiàn)明顯差異。高碳系試驗(yàn)鋼的納米壓痕硬度分布在2.0～9.0 GPa之間，微觀區(qū)域之間硬度差異較大；Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的納米壓痕硬度分布在2.0～5.5 GPa之間，微觀區(qū)域之間硬度差異相對(duì)較小。2種試驗(yàn)鋼組織均由鐵素體軟相和馬氏體硬相組成，可根據(jù)其納米壓痕硬度分布曲線的峰值拐點(diǎn)來判斷軟硬兩相的硬度。高碳系試驗(yàn)鋼中的馬氏體由于碳含量較高而硬度較高，最高達(dá)到9.0 GPa，鐵素體硬度較低，最低為2.0 GPa；Nb-Mo系試驗(yàn)鋼由于采用了低碳成分體系，馬氏體硬度最高僅為5.5 GPa，鐵素體硬度最低仍為2.0 GPa。Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的納米壓痕硬度特別是馬氏體硬度的分布更集中，說明馬氏體性能更穩(wěn)定；高碳系試驗(yàn)鋼中的馬氏體硬度分布較發(fā)散，說明馬氏體性能不穩(wěn)定。

圖2 2種試驗(yàn)鋼的納米壓痕硬度統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 Statistical distribution of nanoindentation hardness fortwo test steels: (a) high-C series and (b) Nb-Mo series

由表3可以看出：Nb-Mo系試驗(yàn)鋼由于鐵素體晶粒細(xì)化，其平均納米壓痕硬度為3.3 GPa，高于高碳系試驗(yàn)鋼的，平均硬度相差近10%，可見微合金元素鈮的細(xì)晶強(qiáng)化作用比較顯著；Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中馬氏體由于碳含量低，其平均硬度僅為4.6 GPa，低于高碳系試驗(yàn)鋼的。由顯微組織分析結(jié)果可知，高碳系試驗(yàn)鋼中的馬氏體含量低于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼，理論推測(cè)其抗拉強(qiáng)度應(yīng)低于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼，但實(shí)際測(cè)試結(jié)果相反，這說明高碳系試驗(yàn)鋼中的馬氏體強(qiáng)度高于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的；納米壓痕硬度的結(jié)果正好驗(yàn)證了這一分析。

表3 2種試驗(yàn)鋼中鐵素體和馬氏體的納米壓痕硬度

由表3還可以看出，Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中鐵素體和馬氏體兩相的納米壓痕硬度差為1.3 GPa，明顯低于高碳系試驗(yàn)鋼中的2.5 GPa。一般而言，金屬材料的硬度是由其塑性變形抗力決定的。材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度越高，即材料硬度和強(qiáng)度有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，低成本的高碳系鋼主要應(yīng)用于對(duì)拉延性能要求較高的零件成形，Nb-Mo系鋼主要應(yīng)用于對(duì)擴(kuò)孔翻邊性能有一定要求的零件成形。相比于高碳系試驗(yàn)鋼，Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的平均擴(kuò)孔率提升了50%左右，其關(guān)鍵在于Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中軟硬兩相硬度差較??；軟硬兩相的強(qiáng)度差會(huì)直接影響到其翻邊擴(kuò)孔性能。這也從微觀上解釋了雙相鋼平均擴(kuò)孔率存在高低且不同材料適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合的原因。

3 結(jié) 論

(1) 高碳系試驗(yàn)鋼和Nb-Mo系試驗(yàn)鋼均由鐵素體和馬氏體兩相組成，由于鈮元素能細(xì)化鐵素體晶粒，因此Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中的鐵素體晶粒粒徑小于高碳系試驗(yàn)鋼中的；與高碳系試驗(yàn)鋼相比，Nb-Mo系試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較高，斷后伸長(zhǎng)率較低，拉延成形性能較差。

(2) 高碳系試驗(yàn)鋼中馬氏體碳含量提升，因此馬氏體平均硬度較高，但馬氏體硬度分布較發(fā)散；Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中的馬氏體硬度分布更集中，組織分布更穩(wěn)定和均勻。

(3) Nb-Mo系試驗(yàn)鋼中鐵素體和馬氏體兩相的納米壓痕硬度差更小，其擴(kuò)孔性能更優(yōu)。