張聲洲，周朝剛，段紫晴，趙定國，汪云輝

（1.贛州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 贛州 341000；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；3.河鋼集團(tuán)唐鋼公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016）

隨著汽車輕量化的要求，高強(qiáng)鋼[1-4]廣泛應(yīng)用到汽車零部件中，汽車大梁鋼作為載重車主要的安全部件，承載著貨物的絕大部分重量，對(duì)于車輛壽命與行車安全有著不可忽視的影響。伴隨著運(yùn)輸行業(yè)的繁榮，市場對(duì)于高強(qiáng)大梁鋼的需求也更為迫切。近年來高強(qiáng)度低合金鋼板[5-6]憑借其高強(qiáng)度和優(yōu)良的綜合性能，進(jìn)入國內(nèi)外汽車用鋼市場，特別是應(yīng)用于屈服強(qiáng)度700 MPa 級(jí)高強(qiáng)汽車大梁鋼板制造領(lǐng)域[7-8]。高強(qiáng)鋼產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定一直是汽車用戶和鋼鐵企業(yè)追求的目標(biāo)，在眾多大梁鋼的生產(chǎn)中，700 MPa 級(jí)大梁鋼主要應(yīng)用到車承重梁、邊梁等部位，一般在加工過程中涉及剪切、沖孔、折彎成型等工序[9-10]。汽車大梁成形時(shí)采用沖壓，需要承受較大的靜載荷、震動(dòng)載荷和沖擊力。因此，鋼板必須具有良好的強(qiáng)度、韌性和綜合性能[11]。

國際上普遍采用添加鈮、鈦或釩提高鋼的強(qiáng)度,同時(shí)增加鋼的韌度，并且降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度[12]。但是，各鋼鐵企業(yè)所使用的合金元素及其配比不同。瑞典SSAB 鋼板有限公司的特高強(qiáng)度鋼板DOMEX，最小屈服強(qiáng)度為700 N/mm2，廣泛應(yīng)用在牽引車的車架大梁、普通半掛車車架和載貨車車架大梁上[13]；日本NKK公司根據(jù)微合金化和鋼強(qiáng)韌化理論，選取純凈的鋼質(zhì)，大力降低碳、磷、硫含量,復(fù)合添加微合金元素,通過控軋控冷工藝，獲得了3 種780 N/mm2級(jí)高強(qiáng)度熱軋鋼板[13]。

通過添加鈮、鈦或釩中的一種或幾種可實(shí)現(xiàn)鋼種的強(qiáng)度提升和性能的優(yōu)化。一是采用單一鈦微合金化，雖然成本較低，但延展性、韌性相對(duì)不足，在制造大梁的過程中易出現(xiàn)折彎開裂的現(xiàn)象；二是采用鈮-鈦復(fù)合微合金，與單一的鈦微合金化相比，鈮的加入可有效改善鋼的韌性[14-15]。

本文分析以上2 種不同成分體系鋼種的組織、晶粒度、析出相等，說明掛車W 撐加工過程開裂的原因，為后續(xù)大梁鋼的成分設(shè)計(jì)和使用環(huán)境的選擇提供了重要依據(jù)。

1 W 撐實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)及方法

實(shí)驗(yàn)截取700L 大梁鋼鋼板，分別進(jìn)行化學(xué)成分、組織、晶粒尺寸和析出相的觀察與分析。采用ARL4460 型直讀光譜儀對(duì)鋼種化學(xué)成分進(jìn)行測定，使用蔡司光學(xué)顯微鏡（OM）、透射電鏡（TEM）和能譜分析儀（EDS）對(duì)鋼的組織、析出相和晶粒度等進(jìn)行觀察。

各試樣的制備：EBSD 試樣經(jīng)機(jī)械拋光后使用5%高氯酸電解拋光后觀察；透射電鏡碳復(fù)型試樣的制備方法是將試樣拋光后使用4%硝酸酒精侵蝕后，在試樣表面噴20～30 mm 厚的碳層，使用4%硝酸酒精將碳膜萃取下來，并用銅網(wǎng)撈出晾干備用；TEM 試樣的制備包括線切割實(shí)驗(yàn)鋼板后機(jī)械研磨、沖片、電解雙噴減薄等工序。

2 W 撐實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察與分析

2.1 W 撐折彎開裂形貌及化學(xué)成分分析

一般使用2.5 mm 厚度的700L 大梁鋼（700L 為鋼種等級(jí)）制造W 撐和掛車管件，W 撐包括兩道彎和五道彎兩種，其加工工藝包括鋼板縱向剪切分條、定尺、折彎成型等工序，產(chǎn)品常見的質(zhì)量缺陷為折彎成形過程中出現(xiàn)邊部開裂現(xiàn)象。本次W 撐實(shí)驗(yàn)流程見圖1。由于W 撐需要承載掛車箱體及載貨重量，因此對(duì)其強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能均有很高的要求，在加工過程中不得出現(xiàn)開裂等缺陷。

圖1 W 撐實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of the W support experiment

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)用戶反饋情況，分別截取未出現(xiàn)開裂和產(chǎn)生開裂的樣品進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，其中，1#實(shí)驗(yàn)鋼為未出現(xiàn)開裂鋼板，2#實(shí)驗(yàn)鋼為折彎開裂鋼板，兩種鋼板均加工成五道彎W 撐，出現(xiàn)開裂位置在W 撐外廓倒角部位，如圖2（a）和圖2（b）所示。分別對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表1 和表2 所列。其中，1#試樣主要通過鈮鈦進(jìn)行強(qiáng)化，2#試樣主要通過單鈦進(jìn)行強(qiáng)化。兩鋼種力學(xué)性能均滿足國標(biāo)GB/T3273 要求。

圖2 W 撐折彎開裂形貌Fig.2 W brace bending cracking morphology

表1 實(shí)驗(yàn)鋼種成分Table 1 Test steel composition

表2 實(shí)驗(yàn)鋼種力學(xué)性能及標(biāo)準(zhǔn)要求Table 2 Mechanical properties and standard requirements of experimental steels

2.2 顯微組織及形貌觀察

分別在兩個(gè)鋼板上截取試樣，進(jìn)行磨平、拋光后，用4%硝酸酒精進(jìn)行浸蝕，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)組織進(jìn)行觀察，兩個(gè)鋼種顯微組織均以鐵素體為主，而鐵素體晶界較模糊且部分晶界以鋸齒狀。因此兩個(gè)鋼種顯微組織均為準(zhǔn)多邊形形貌鐵素體，且鐵素體晶界處均存在游離的碳化物，如圖3（a）—圖3（d）所示。

圖3 光鏡和掃面電鏡檢測結(jié)果Fig.3 Optical and broom electroscope test results

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1#試樣組織較2#試樣略微細(xì)小且組織均勻，并且2#試樣未添加鈮微合金元素，在熱軋過程中單鈦的細(xì)晶效果較差且存在粗大的混晶組織，增大了折彎開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

為了分析帶鋼組織形貌對(duì)折彎開裂的影響程度，使用EBSD 對(duì)兩種成分鋼種的晶粒度和晶界取向進(jìn)行研究，如圖4 所示。兩種實(shí)驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸均小于3 μm，其中1#實(shí)驗(yàn)鋼和2#實(shí)驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸分別為2.225、2.616 μm，并且1 μm 以下晶粒占比均大于70%。

圖4 晶粒尺寸分布Fig.4 Grain size distribution

對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒晶界取向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖5（a）～圖5（d）所示，紅色曲線代表大角度晶界（晶界取向＞10°），黑色曲線代表小角度晶界（晶界取向?yàn)?°～10°）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到，2#實(shí)驗(yàn)鋼60°左右的大角度晶界取向的比例略多于1#實(shí)驗(yàn)鋼，但由于1#實(shí)驗(yàn)鋼的晶粒尺寸小，因此單位面積上1#實(shí)驗(yàn)鋼的大角度晶界數(shù)量多于2#實(shí)驗(yàn)鋼，而大角度晶界能夠有效阻礙裂紋的擴(kuò)展，因此1#實(shí)驗(yàn)鋼在加工過程中止裂能力較2#實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)。

圖5 EBSD 檢測結(jié)果Fig.5 EBSD test results

2.3 析出相及微觀形貌觀察

一般認(rèn)為鈮鈦強(qiáng)化高強(qiáng)鋼中，高溫液析出的氮化鈦在鑄坯加熱爐加熱過程中逐漸長大，其尺寸達(dá)到微米級(jí)以上，鋼板在后續(xù)加工變形過程中大尺寸的氮化鈦周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成孔洞成為裂紋源[16-17]。因此，對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行析出相尺寸和形貌觀察，圖6 所示為試樣析出相數(shù)量和尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如圖6（a）所示，1#試樣析出相尺寸主要集中在10～50 nm 以內(nèi)，50 nm以上的大尺寸析出相較少；如圖6（b）所示，2#試樣10 nm 以下析出相增多，但大尺寸析出相也同樣增加。這說明鈦強(qiáng)化鋼種雖然強(qiáng)度得到提高，但也在一定程度上增大了加工裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 鋼中納米析出相尺寸分布Fig.6 Size distribution of the nanoprecipitated phases in steel

采用透射電鏡對(duì)兩個(gè)試樣微觀組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)1#試樣的基體和晶界附近均觀察到不同尺寸的析出相，如圖7（a）所示；2#試樣的基體和晶界同樣觀察到析出相，如圖7（b）所示；但與1#試樣對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2#試樣晶界處存在大量不同尺寸的析出相。

圖7 鋼中納米析出相形貌Fig.7 The morphology of the nanoprecipitated phases in steel

對(duì)兩個(gè)試樣鋼進(jìn)行透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，1#試樣中存在大量的高能位錯(cuò)，如圖8（a）所示，提高了鋼種的強(qiáng)度，在后續(xù)的剪切、沖壓變形過程中不產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此使用過程中未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖8 組織形貌圖Fig.8 Tissue Topography

如圖8（b）所示，2#試樣中存在一定量的板條貝氏體組織，而板條貝氏體組織常出現(xiàn)在微合金鋼的控軋控冷生產(chǎn)中。板條貝氏體組織在壓扁的奧氏體晶粒內(nèi)部形成板條束，板條貝氏體組織中平行排列的鐵素體板條能有效地提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，從而限制位錯(cuò)滑移，提高鋼種強(qiáng)度，但是由于板條貝氏體組織趨于直線排列，在變形過程中容易成為裂紋擴(kuò)展路徑而導(dǎo)致鋼帶的韌性降低，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[18-20]。

3 結(jié)論

1）通過光鏡和EBSD 對(duì)比觀察，鈮鈦強(qiáng)化的大梁鋼組織較單鈦強(qiáng)化的組織尺寸更細(xì)小，并且無粗大的混晶組織，降低了折彎開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2）帶鋼顯微組織中的晶界取向和晶界數(shù)量共同對(duì)折彎開裂產(chǎn)生影響，在單鈦強(qiáng)化的大梁鋼中，雖然大角度晶界多于鈮鈦強(qiáng)化鋼種，但由于單位面積上的晶界數(shù)量低于鈮鈦強(qiáng)化鋼種，因此單鈦強(qiáng)化大梁鋼的止裂能力不足。

3）高溫液析的氮化鈦在鑄坯加熱和軋制過程中逐漸長大，部分氮化鈦尺寸達(dá)到微米級(jí)以上，在后續(xù)加工變形過程中大尺寸的氮化鈦周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成孔洞成為裂紋源。大量的晶界析出相降低了鋼的局部塑性，直接導(dǎo)致局部變形過程中裂紋的產(chǎn)生。

綜合上述結(jié)論：實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用鈮-鈦復(fù)合微合金化，能夠有效增強(qiáng)大梁鋼的韌性，止裂能力較強(qiáng)，降低折彎開裂可能性，延長使用壽命。本研究為生產(chǎn)韌性良好的大梁鋼提供了有力的理論支撐，同時(shí)說明了掛車W 撐加工過程開裂的原因，為后續(xù)大梁鋼的成分設(shè)計(jì)和使用環(huán)境的選擇提供了重要依據(jù)。