熊維亮, 梁 文, 吳 騰, 梁 亮, 吳浩鴻
(1. 漣源鋼鐵有限公司 技術(shù)中心, 湖南 婁底 417009; 2. 武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院, 湖北 武漢 430080)
先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)強(qiáng)度和塑性配合良好,同時(shí)在高強(qiáng)度下還具有較好的成形性能與高的初始加工硬化率,可使其在減重的同時(shí)具有較高的安全碰撞性能。因此,AHSS鋼廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造中,其中雙相鋼是典型代表。雙相鋼(DP)由鐵素體軟相和馬氏體硬相復(fù)合而成,通過兩相的協(xié)調(diào)變形可獲得良好的綜合性能,可用于高強(qiáng)度和易成形的汽車結(jié)構(gòu)件,如車輪、懸掛系統(tǒng)和底盤結(jié)構(gòu)件等[1-3]。
目前,汽車工業(yè)使用的鋼鐵材料仍以冷軋為主,但冷軋?jiān)黾恿松a(chǎn)工序,延長了生產(chǎn)周期,提高了生產(chǎn)成本[4]。隨著控軋控冷技術(shù)(TMCP)的發(fā)展,特別是超快冷技術(shù)的應(yīng)用,使熱軋雙相鋼的性能更加均勻。開發(fā)的熱軋雙相鋼具有成本低、性能優(yōu)良的特點(diǎn),通過“以熱代冷”工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)與用戶的雙贏[5-6]。本文基于合金減量化原則,在低碳低合金成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上應(yīng)用超快冷技術(shù)(UCF),研究了控冷工藝對熱軋雙相鋼組織與性能的影響,為雙相鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)鋼采用真空爐冶煉,其主要化學(xué)成分如表1所示。其中低碳有利于提高成形性和焊接性能,適量的Mn和Cr可提高鋼的淬透性以獲得高強(qiáng)度。
圖1 不同控冷工藝下試驗(yàn)鋼的顯微組織(a)工藝1;(b)工藝2;(c)工藝3Fig.1 Microstructure of the tested steel with different controlled cooling processes(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3
表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
將冶煉后的鑄坯經(jīng)鍛造得到42 mm×80 mm×125 mm的坯料,然后將坯料放入1200 ℃爐中保溫1.5 h 使其完全奧氏體化,之后進(jìn)行兩階段控制軋制(再結(jié)晶區(qū)粗軋和未再結(jié)晶區(qū)精軋),開軋溫度為1150 ℃,終軋溫度(FDT)約為820 ℃[7],接著將鋼板超快冷至700 ℃左右,弛豫5~9 s,以析出先共析鐵素體,最后快冷至100~200 ℃卷取(CT),得到厚度為3.8 mm的熱軋雙相鋼,其控軋控冷工藝參數(shù)如表2所示。將成品沿縱截面線切割制取金相試樣,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后進(jìn)行組織觀察,采用型號(hào)ZEISS顯微鏡進(jìn)行OM觀察和定量分析,采用Nova nano 400掃描電鏡和JEM-2100F透射電鏡進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)分析,力學(xué)性能與n值采用WAW-500C型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測量,拉伸速度為2 mm/min,試樣標(biāo)距為50 mm。
表2 試驗(yàn)鋼的UFC-TMCP工藝參數(shù)
不同控冷工藝處理試驗(yàn)鋼的顯微組織如圖1所示,均為鐵素體+馬氏體的雙相組織。其中,馬氏體呈暗黑色彌散分布在鐵素體基體上;鐵素體呈白亮色,以多邊形為主。經(jīng)IPP軟件對組織進(jìn)行定量分析,1、2和3號(hào)樣的鐵素體平均晶粒尺寸分別為4.7、4.6和4.3 μm,體積分?jǐn)?shù)分別為83.2%、81.8%和80.2%。即試驗(yàn)鋼的鐵素體體積分?jǐn)?shù)約在82%,晶粒尺寸在4~5 μm。試樣經(jīng)兩階段控軋和超快冷后保留了大量的形變亞結(jié)構(gòu),這些形變亞結(jié)構(gòu)在兩相區(qū)弛豫時(shí)提供相變形核點(diǎn),并促進(jìn)相變過程中的原子擴(kuò)散,有利于形成細(xì)小的鐵素體。而且,當(dāng)弛豫時(shí)間短、卷取溫度低時(shí),得到鐵素體的晶粒尺寸與體積分?jǐn)?shù)均有減小的趨勢[8-9]。
試驗(yàn)鋼在析出鐵素體后,水冷至卷取溫度發(fā)生馬氏體相變,得到的馬氏體以條狀為主,也存在島狀和片狀馬氏體,其體積分?jǐn)?shù)約18%,掃描電鏡組織如圖2所示。由圖2可知,馬氏體板條邊界不規(guī)則易發(fā)生扭曲,這是由于熱軋大壓下使奧氏體中產(chǎn)生了大量的高密度位錯(cuò)和亞晶界等形變亞結(jié)構(gòu),其晶格畸變程度大,這些形變亞結(jié)構(gòu)的存在破壞了母相的均勻性,而馬氏體相變是基于畸變的母相晶面和晶向,馬氏體形核又為非均勻形核,通過超快冷積累的大量形變亞結(jié)構(gòu)提高了相變所需的自由能,馬氏體板條生長受到抑制,故易形成扭曲的馬氏體板條。當(dāng)弛豫時(shí)間短、卷取溫度低時(shí),得到的鐵素體體積分?jǐn)?shù)少,鐵素體向過冷奧氏體中排碳也少,有利于提高M(jìn)s點(diǎn),得到的馬氏體體積分?jǐn)?shù)多。
圖2 不同控冷工藝下試驗(yàn)鋼的SEM組織(a)工藝1;(b)工藝2;(c)工藝3Fig.2 SEM micrographs of the tested steel with different controlled cooling processes(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3
不同控冷工藝處理試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知,隨著弛豫時(shí)間的減少和卷取溫度的降低,試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度由602 MPa增加至637 MPa,伸長率由31.0%減小至24.0%,屈強(qiáng)比為0.53~0.59,n值為0.17~0.21,即試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能均滿足GB/T 20887.3—2010《汽車用高強(qiáng)度熱連軋鋼板及鋼帶》中DP600鋼的要求。該控軋控冷工藝條件下,試驗(yàn)鋼表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性。較低的屈強(qiáng)比和較高的n值有利于提高鋼的冷加工成形性能。
表3 不同控冷工藝下試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能
試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示,曲線平滑,這是因?yàn)殡p相鋼中的鐵素體軟相較多,其首先發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生較多的可動(dòng)位錯(cuò),同時(shí)鋼中含碳量較低,在變形過程沒有碳原子對位錯(cuò)進(jìn)行釘扎,呈現(xiàn)連續(xù)屈服,這有利于提高材料的深沖性能和n值[10]。其中,1號(hào)試樣的弛豫時(shí)間長、卷取溫度高,其塑性變形階段最長,得到的伸長率最高為31.0%;3號(hào)試樣的弛豫時(shí)間短、卷取溫度低,其抵抗材料發(fā)生頸縮的能力最強(qiáng),得到的n值最高。
圖3 不同控冷工藝下試驗(yàn)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of the tested steel with different controlled cooling processes
圖4 不同控冷工藝下試驗(yàn)鋼的組織特征(a)工藝1;(b)工藝3Fig.4 Microstructure characteristics of the tested steel with different controlled cooling processes(a) process 1; (b) process 3
1號(hào)試樣的卷取溫度高、弛豫時(shí)間長,得到的鐵素體體積分?jǐn)?shù)最多,而鐵素體作為軟相承擔(dān)了主要的塑性變形,得到的伸長率最高;由于熱軋和超快冷保留了大量形變亞結(jié)構(gòu),這些形變亞結(jié)構(gòu)在兩相區(qū)析出鐵素體過程中細(xì)化了鐵素體晶粒,并通過TEM觀察到較多的亞晶等亞結(jié)構(gòu)(如圖4(a)),使得試驗(yàn)鋼具有較高的屈服強(qiáng)度,為351 MPa;鋼中馬氏體體積分?jǐn)?shù)最少,而馬氏體作為硬相起到強(qiáng)化作用,其抗拉強(qiáng)度最低,為602 MPa;馬氏體相變過程中會(huì)擠壓周圍的鐵素體,使鐵素體中產(chǎn)生大量的可動(dòng)位錯(cuò),1號(hào)試樣的馬氏體較少,產(chǎn)生的可動(dòng)位錯(cuò)密度低,得到的n值相對較低,為0.17[11-12]。
2號(hào)試樣的卷取溫度和1號(hào)試樣相同,但弛豫時(shí)間要短,得到的鐵素體體積分?jǐn)?shù)和伸長率居中;由于2號(hào)試樣中的鐵素體平均晶粒尺寸較1號(hào)試樣略小,由霍爾佩奇公式知,2號(hào)試樣的屈服強(qiáng)度較1號(hào)試樣高。
3號(hào)試樣的卷取溫度低、弛豫時(shí)間短,得到的鐵素體體積分?jǐn)?shù)最少,其伸長率也相對較低;盡管該試驗(yàn)鋼得到的鐵素體尺寸最小,但是低的卷取溫度會(huì)使鋼的析出減小,使得其屈服強(qiáng)度較低,為336 MPa,故試驗(yàn)鋼中屈服強(qiáng)度應(yīng)該是析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用的結(jié)果;3號(hào)試樣通過相變得到的馬氏體體積分?jǐn)?shù)最多,其抗拉強(qiáng)度最高,為637 MPa,馬氏體相變膨脹使周圍鐵素體產(chǎn)生較高密度位錯(cuò)區(qū)(如圖4(b)),得到的n值也最高,為0.21??紤]到低的卷取溫度會(huì)增加潛在板形風(fēng)險(xiǎn),且DP600鋼的最低屈服強(qiáng)度為330 MPa,因此可將卷取溫度設(shè)定為150 ℃以提高屈服強(qiáng)度;同時(shí),9 s的弛豫時(shí)間降低了抗拉強(qiáng)度,故將弛豫時(shí)間設(shè)定為7 s。
1) 通過超快冷技術(shù),并應(yīng)用細(xì)晶和亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等,得到600 MPa級熱軋雙相鋼,其組織為鐵素體和馬氏體。
2) 隨著弛豫時(shí)間的減少和卷取溫度的降低,試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度由602 MPa增加至637 MPa,伸長率由31.0%減小至24.0%,屈強(qiáng)比為0.53~0.59,n值為0.17~0.21,表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性。
3) 兼顧板形和性能,在大生產(chǎn)時(shí)可將卷取溫度設(shè)定為150 ℃,弛豫時(shí)間設(shè)定為7 s。