宋寧宏， 林 超， 畢文珍，2， 王武榮， 韋習成

(1. 上海大學 材料科學與工程學院， 上海 200444；2. 寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院 汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點實驗室(寶鋼)， 上海 200126)

汽車工業(yè)的飛速發(fā)展對汽車輕量化和安全性提出了更高的要求。為了在汽車輕量化的前提下保證車身的安全性，熱成形技術和熱成形鋼在車身上的應用比例日益增長，據統(tǒng)計[1]2019年占比已經達到18.8%。熱沖壓成形是將鋼板加熱至奧氏體化溫度保溫一段時間，在模具內實現成形和淬火冷卻一體化的技術，可大幅提高成形件的力學性能，受到了業(yè)界廣泛關注和大規(guī)模應用[2-5]。目前廣泛應用的熱沖壓鋼板主要是1500 MPa級硼鋼[6]。由于車企對熱成形鋼強度要求的不斷提升，國內外鋼鐵企業(yè)均開發(fā)出1800～2000 MPa的熱成形鋼[2，7-9]。雖然熱成形零部件強度和質量得到大幅度提高，但其伸長率較低的問題一直是大家研究的重點。

對此，本文以含0.2%釩的B1800HS鋼為研究對象，研究了930 ℃奧氏體化保溫4 min壓淬處理后的鋼板以及200 ℃回火不同時間(≤30 min)對試驗鋼的拉伸性能、顯微組織以及馬氏體亞結構的影響，以期為工業(yè)生產中利用淬火零件余熱進行低溫回火，改善熱成形件綜合力學性能提供數據指導。

1 試驗材料及方法

試驗材料為試生產的厚度1.4 mm的未涂覆試驗鋼，其化學成分見表1。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

采用DIL805A相變儀并結合不同冷速下試樣的顯微組織和硬度，繪制了試驗鋼的CCT曲線，如圖1所示?？芍R氏體的臨界冷速約5 ℃/s，Ac1和Ac3分別為741 ℃和822 ℃。為了模擬熱成形過程，采用THP01-500A型液壓機對300 mm×160 mm的鋼板進行壓淬處理。鋼板在箱式爐中經930 ℃保溫4 min后快速轉移到平板模上保壓淬火15 s，隨后放入200 ℃干燥箱中，分別回火10、20和30 min，隨后空冷。

圖1 試驗鋼的CCT曲線

根據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，用線切割將淬回火處理后的板材加工成標距25 mm的單軸拉伸試樣，采用MTS微機控制萬能試驗機進行單軸拉伸試驗，拉伸速率為3 mm/min (應變速率約2×10-3s-1)，試驗結果均為3次試驗的平均值。

采用MH-3型顯微硬度計進行硬度測量，載荷為300 g，取10點平均值。采用X射線應力儀測定鋼板表面的殘余應力，采用Nikon光學顯微鏡(OM)觀察鋼板的光學顯微組織，利用Hitachi S3400N場發(fā)射掃描電鏡(SEM)和電子背散射衍射(EBSD)系統(tǒng)觀察和分析回火組織。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

表2為淬火態(tài)與200 ℃回火不同時間后試驗鋼板的殘余應力。由表2可知，試驗鋼板表面殘余壓應力隨著回火時間的延長逐漸減小。這主要是由于原子擴散帶來的應力松弛導致。當回火時間為30 min時，表面的殘余壓應力已降低到淬火態(tài)的48.2%。

表2 淬火態(tài)與200 ℃回火不同時間后試驗鋼的殘余應力

圖2為淬火態(tài)與200 ℃回火不同時間后試驗鋼板的力學性能?？芍S著回火時間的延長，抗拉強度和硬度整體呈下降趨勢但抗拉強度變化幅度不大，斷后伸長率、屈服強度以及強塑積均呈先增大后減小的趨勢?？估瓘姸仍诨鼗?0 min時略微升高達到1844 MPa；回火20 min后已降低到1800 MPa以下，30 min時則進一步降低到1746 MPa?；鼗鸷髷嗪笊扉L率得到一定程度的改善，高于淬火態(tài)的8.27%，其中回火10 min時取得最佳值。有部分原因是試驗鋼在淬火過程中的內應力在低溫回火時得到釋放，對塑性有一定程度的改善作用[15]。由圖2(a)可知，回火后板材的硬度均在400 HV0.3 左右，較淬火態(tài)小幅度降低，說明回火時間對硬度的影響不大，馬氏體基體未發(fā)生明顯軟化，這是由于本文的回火溫度較低，馬氏體板條內部變化不明顯。綜合比較3個回火時間下試驗鋼板的力學性能可以發(fā)現，回火10 min不僅可保證較高的抗拉強度，而且其塑性也得到明顯改善，可滿足熱成形后汽車結構件的使用要求[16]。

圖2 試驗鋼的力學性能隨回火時間的變化

2.2 顯微組織

圖3為試驗鋼的淬火組織，可知馬氏體板條襯度均勻，表明固溶于馬氏體中的元素分布相對均勻。在SEM下可以清晰看到原奧氏體晶界和馬氏體塊以及束形態(tài)。淬火態(tài)馬氏體組織主要呈板條狀，其亞結構為互相平行、窄而細長的板條。馬氏體板條的相界不是很清楚，這是由于馬氏體相變屬于無擴散型相變，與奧氏體的成分相同或相近[17]。

圖3 試驗鋼的淬火組織

圖4是試驗鋼在200 ℃回火不同時間后的SEM照片?？梢?00 ℃低溫回火后鋼板的顯微組織主要為回火馬氏體，馬氏體板條形態(tài)無明顯變化。由圖4(c)可以發(fā)現，200 ℃回火30 min后，奧氏體晶粒中馬氏體板條塊的方向相對雜亂，部分板條束出現合并變寬，且相對于回火10 min和20 min時的組織更大。

圖4 經200 ℃回火不同時間后試驗鋼的SEM照片

回火馬氏體的相界較淬火態(tài)明顯，這是因為隨著回火時間的延長，間隙原子有足夠的時間擴散，使得相界與晶內成分起伏不一[17]。短時回火的馬氏體基體形貌沒有明顯變化，保持淬火態(tài)的板條特征，這是強度較高的原因，強度主要由馬氏體基體決定。塑性的變化需要通過EBSD進一步分析。

2.3 EBSD分析

EBSD能夠更直接地觀察板條馬氏體亞結構的分布情況。在分析低碳鋼中板條馬氏體的強度-結構關系時，馬氏體亞晶粒(板條、板條束、板條塊)是關鍵的結構參數[18-19]。此外，馬氏體板條的取向差特性也決定了馬氏體的強度。原始奧氏體晶界(15°<θ<50°)、領域界(θ>10°)和板條束界(θ≥3°)屬于大角度晶界，而馬氏體板條界(θ<3°)屬于小角度晶界[20-21]，小角度晶界的能量主要來自位錯[6,22]。

圖5是淬火態(tài)與200 ℃回火不同時間后試驗鋼的晶界圖。圖5中紅色實線是取向差為2°～5°的小角度晶界，綠色實線是取向差為5°～15°的晶界，藍色實線則是取向差大于15°的大角度晶界。由圖5(b)的左下角可以看出，回火10 min后試驗鋼仍然存在局部應力集中；隨著回火時間的延長，結合表2的結果可知，回火20 min后淬火內應力得到大部分釋放，并且馬氏體束變得更加短小，分布更加均勻；回火30 min后，板條馬氏體“嵌段”結構趨勢減弱，部分板條束變寬變長，更直觀地表現出了圖4的組織變化。

采用HKL CHANNEL 5軟件對晶界分布圖從晶體學角度進行統(tǒng)計，可獲得不同回火時間下試驗鋼的取向差角度-頻數圖(見圖6)。根據位錯塞積模型，在晶體運動過程中，由于晶粒取向不同增大了晶界附近的滑移阻力，由于小角度取向的增多，位錯不能穿過晶界并塞積在晶界處，晶界對位錯滑移的阻滯效應引起強度的增大。由圖6可知，淬火態(tài)和200 ℃回火不同時間后試驗鋼的各晶區(qū)取向總體趨勢相同，取向差主要分布在10°以下和45°以上，其小角度晶界頻率的峰值主要集中在3°左右。較大角度取向差(>50°)分布情況大體相同，即馬氏體相界沒有明顯變化。隨著回火時間的延長，小角度晶界占比(<5°)先增加后減小?；鼗?0 min時小角度晶界占比(<5°)明顯減少，小角度晶界對位錯運動的阻滯作用降低，強度有一定程度的下降。

圖6 淬火態(tài)與200 ℃回火不同時間后試驗鋼的取向差角度-頻數分布

圖7(a)是淬火態(tài)和200 ℃回火不同時間后試驗鋼的亞晶粒尺寸-頻數圖，圖7(b)是其中亞晶粒平均尺寸隨回火時間的變化。隨著回火時間的延長，亞晶粒尺寸先減小后增大。根據文獻[23]可知，由于馬氏體亞晶粒的細晶強化作用，鋼材的強度和塑性均應表現為先增后降的趨勢，但在本文回火10 min的伸長率表現為高于回火20 min的，這表明伸長率不單單受亞晶粒尺寸的影響，還可能受小角度晶界的影響。由圖7(a)可知，隨著回火時間的延長，在回火時間大于20 min后，小尺寸晶粒(<0.3 μm)明顯增多，這是因為回火后位錯與過渡碳化物的動態(tài)相互作用，從而導致更細的亞晶粒生成[24]。由圖7(b)可知，回火后亞晶粒的平均尺寸在1.0～1.3 μm之間?；鼗瘃R氏體的亞晶粒平均尺寸明顯小于淬火態(tài)的，因此200 ℃回火后的屈服強度與伸長率高于淬火態(tài)的屈服強度與伸長率。

圖7 200 ℃回火不同時間后試驗鋼的亞晶粒尺寸分布(a)及亞晶粒平均尺寸(b)

將SEM、EBSD的結果與力學性能相結合，試驗鋼在短時低溫回火過程中變化包括內應力消除、亞晶粒尺寸和小角度晶界變化。隨著回火時間的延長，內應力逐步釋放，較大改善了塑性，回火后的伸長率均高于淬火態(tài)，呈現為先上升后下降的趨勢。板條馬氏體逐漸向平衡態(tài)演化，位錯密度逐漸減小，降低了試驗鋼的強度；隨著回火時間的延長，亞晶粒尺寸先減小后增大，強度和塑性對應表現為先增大后減小，小角度晶界占比先增大后降低再增大，強度和塑性對應表現為先增大后減小再增大。

對于本文而言，1800 MPa級熱成形鋼經奧氏體化淬火與不同時間回火處理后，內應力、亞晶粒尺寸和小角度晶界的變化共同作用導致宏觀力學性能變化趨勢的非單調性，回火后的伸長率和強度均呈先上升后下降的趨勢，在200 ℃回火時小角度晶界對板條馬氏體的強塑性起重要作用。因此，針對該結果，在實際工業(yè)生產中可將零部件在轉移過程中堆疊，在下部鋪墊鋼板和上部覆蓋鋼板加熱至200 ℃保溫10 min，不僅能夠充分利用熱沖壓結束后的余熱從而節(jié)省成本，還能夠使塑性得到改善。

3 結論

通過對淬火態(tài)和200 ℃回火不同時間的1800 MPa級熱成形鋼的微觀組織、力學性能以及馬氏體板條進行研究，得出以下結論：

1) 試驗鋼的組織主要為板條馬氏體。淬火-回火后的屈服強度和斷后伸長率均高于淬火態(tài)，回火后塑性得到有效改善，抗拉強度的變化不明顯?；鼗?0 min時強塑積達到21 GPa·%以上，可滿足熱成形汽車構件的使用要求。

2) 隨著回火時間的延長，抗拉強度變化幅度較小，屈服強度和斷后伸長率先升高后降低。伸長率主要是受回火后內應力的消除、亞晶粒尺寸和小角度晶界的變化共同影響。

3) 試驗鋼淬火態(tài)與不同時間回火后的晶區(qū)取向總體趨勢相同，小角度晶界均集中在取向差3°附近。隨著回火時間的延長，小角度取向差占比表現為先增加后減小再增加的趨勢。

致謝：在此感謝上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會、上汽集團乘用車有限公司以及寶武鋼鐵集團中央研究院的大力支持。