田秀剛， 劉靖寶， 鄺 霜

(河鋼集團唐鋼公司 技術(shù)中心， 河北 唐山 063001)

隨著我國汽車用鋼的快速發(fā)展，超高強度鋼已成為汽車車身用鋼的主流。其中高強雙相鋼因其具有強度和延展性匹配性好、屈強比低、初始加工硬化率高等特點，在高強汽車鋼用量中占比最大。但高強雙相鋼由于其軟相(鐵素體)和硬相(馬氏體)強度差別較大，常在后續(xù)的沖壓、輥壓加工成形中出現(xiàn)開裂[1]，如1180DP鋼在某汽車廠輥壓加工門檻件時發(fā)生開裂(見圖1)。造成高強雙相鋼開裂的原因眾多，除去客戶模具磨損、加工參數(shù)不合適等問題外，從組織控制的角度來說應(yīng)適當(dāng)降低馬氏體含量，增加貝氏體含量[2]，減少因軟硬相的高強度差造成的開裂問題。本文設(shè)計開發(fā)了Cr-Mo-Nb-Ti-B系1180 MPa級高強復(fù)相鋼產(chǎn)品，結(jié)合熱模擬試驗研究不同均熱溫度和不同過時效溫度對1180 MPa級復(fù)相鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律，最終確定了均熱溫度、緩冷溫度、過時效溫度、冷速等一系列連退關(guān)鍵工藝參數(shù)，從組織控制的角度增加了貝氏體，以彌補鐵素體與馬氏體之間的軟硬相高強度差。

圖1 1180DP鋼輥壓開裂形貌Fig.1 Cracking morphology of the 1180 MPa duplex phase steel during rolling

1 試驗材料與方法

試驗材料以本項目前期同級別雙相鋼1180DP的成分為基礎(chǔ)，設(shè)計了Cr-Mo-Nb-Ti-B系成分，總體采用相對低的Si以實現(xiàn)固溶強化[3]，Nb、Ti復(fù)合及B的微合金化設(shè)計思路[4]，設(shè)計1180 MPa級復(fù)相鋼產(chǎn)品的成分構(gòu)成，表1為試驗鋼的設(shè)計成分，旨在保證強度要求的前提下，達(dá)到改善組織均勻性、提升各項成形性以及優(yōu)化軋制效果的作用。

采用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行熱模擬試驗，均熱溫度不同的熱模擬試驗的工藝路徑及參數(shù)如圖2所示，熱模擬試驗設(shè)定均熱溫度區(qū)間720～860 ℃，保溫120 s后緩冷至650 ℃，然后以37 ℃/s的速度快冷至280 ℃，經(jīng)過600 s過時效段后冷卻至260 ℃，終冷120 s后冷卻至150 ℃，最終冷卻至室溫[5]。

通過熱模擬試驗繼續(xù)研究過時效溫度對復(fù)相鋼力學(xué)性能和組織的影響[6]，圖3為過時效溫度不同的熱模擬試驗的工藝路徑及參數(shù)，設(shè)定過時效溫度區(qū)間為240～400 ℃，同時控制其他工藝參數(shù)不變，即按前期確定的均熱溫度，保溫120 s控制緩冷段溫度650 ℃，經(jīng)過快冷段后進入過時效段，終冷120 s后冷卻至150 ℃，最終冷卻至室溫。

表1 1180 MPa級雙相鋼、復(fù)相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖2 不同均熱溫度的熱模擬試驗工藝Fig.2 Thermal simulation test process with different soaking temperatures

圖3 不同過時效溫度的熱模擬試驗工藝Fig.3 Thermal simulation test process with different overaging temperatures

隨后，根據(jù)熱模擬試驗結(jié)果，在連續(xù)退火工藝中設(shè)定最優(yōu)均熱溫度和過時效溫度進行生產(chǎn)試軋，觀察顯微組織從鑄坯、熱軋板到連退板的微觀變化，按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，用Z100型電子式拉力試驗機對連退試樣通寬方向頭部(操作側(cè)、中間、傳動側(cè))、中部(操作側(cè)、中間、傳動側(cè))、尾部(操作側(cè)、中間、傳動側(cè))分別進行室溫拉伸試驗，得到抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2及伸長率A50；進行冷彎橫縱向不同角度性能測試；采用BCS-50A型成形試驗機進行頭、中、尾部正反面的擴孔測試；用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精、Lepera試劑分別對連退試樣腐蝕15～20 s后，采用AXIO Imager.A2m型光學(xué)顯微鏡觀察光學(xué)復(fù)相組織和彩色金相；用SIGMA-HD型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的顯微組織，EBSD數(shù)據(jù)處理進行晶界特征分析，并與EDS能譜儀組合使用，分析各物相的元素和含量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱模擬試驗結(jié)果分析

2.1.1 均熱溫度對力學(xué)性能的影響

圖4為不同均熱溫度的熱模擬試驗對1180 MPa級復(fù)相鋼力學(xué)性能的影響。由圖4可見，隨著均熱溫度的升高，復(fù)相鋼的抗拉強度和屈服強度均先上升后下降[7]。復(fù)相鋼組織內(nèi)的貝氏體和馬氏體作為硬相主要貢獻(xiàn)了該鋼種的強度值，均熱溫度在720～840 ℃時，隨著溫度的升高，貝氏體和馬氏體含量逐漸增加，從而整體上提高抗拉強度和屈服強度，但超過840 ℃后抗拉和屈服強度逐步降低，伸長率基本維持穩(wěn)定。由試驗結(jié)果可見，1180 MPa級復(fù)相鋼在均熱溫度為780 ℃以上時，除840 ℃屈服強度過高外，其余均能滿足力學(xué)性能要求(內(nèi)控要求：抗拉強度1180～1350 MPa，屈服強度900～1100 MPa，伸長率≥6%)，但考慮高均熱溫度導(dǎo)致屈服強度偏高及實際生產(chǎn)中后期軋制力的施加(該過程會提高屈服強度)[8]，因此選擇790 ℃為最優(yōu)均熱溫度。

圖4 不同均熱溫度的熱模擬試驗對1180 MPa 級復(fù)相鋼力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of thermal simulation test with different soaking temperatures on mechanical properties of the 1180 MPa grade complex phase steel

2.1.2 過時效溫度對力學(xué)性能的影響

圖5為不同過時效溫度的熱模擬試驗對1180 MPa級復(fù)相鋼力學(xué)性能的影響。由圖5可見，隨過時效溫度的升高，抗拉強度呈單調(diào)遞減趨勢，屈服強度先波動后逐漸減小，伸長率基本維持穩(wěn)定。在過時效溫度為260～320 ℃內(nèi)，復(fù)相鋼各項力學(xué)性能均符合要求(內(nèi)控要求：抗拉強度1180～1350 MPa，屈服強度900～1100 MPa，伸長率≥6%)，但考慮到實際生產(chǎn)中后期軋制力的施加(該過程會提高屈服強度)，因此選擇280 ℃為最優(yōu)過時效溫度。

圖5 不同過時效溫度的熱模擬試驗對1180 MPa級 復(fù)相鋼力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of thermal simulation test with different overaging temperatures on mechanical properties of the 1180 MPa grade complex phase steel

基于以上研究，重點考察不同過時效溫度對復(fù)相鋼組織的影響?？炖溥^程中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時會產(chǎn)生體積膨脹[9]，組織中的殘余應(yīng)力未得到釋放，材料塑韌性較差。其過時效階段即馬氏體回火過程，能逐步釋放組織中的殘余應(yīng)力，顯著改善上述問題以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。由圖6(a～d)可知，在過時效溫度300～360 ℃區(qū)間時，其組織由典型的鐵素體+貝氏體+馬氏體構(gòu)成，且隨過時效溫度的升高，鐵素體含量逐步增加并伴有部分島狀馬氏體邊緣模糊化；隨過時效溫度的繼續(xù)升高(380～400 ℃)，如圖6(e，f)所示，組織變化不明顯。

2.2 微觀組織分析

根據(jù)以上熱模擬試驗結(jié)果，確定790 ℃為設(shè)定均熱溫度，280 ℃為設(shè)定過時效溫度，進行連續(xù)退火工藝生產(chǎn)，分析各工序間顯微組織的變化規(guī)律。圖7為復(fù)相鋼經(jīng)790 ℃均熱、280 ℃過時效后不同狀態(tài)的顯微組織。鑄坯組織主要為板條貝氏體，板條貝氏體的板條形態(tài)清晰，板條間距很小，板條間可以看到塊狀的M/A島，如圖7(a)所示。熱軋組織為板條貝氏體+馬氏體，如圖7(b)所示，板條貝氏體由晶界形核，向晶內(nèi)生長，板條長度受壓扁原始奧氏體晶界的限制，長度較短，板條內(nèi)可見析出碳化物，組織中還存在一定量的馬氏體，呈不規(guī)則塊狀。連退板的組織為鐵素體、貝氏體和馬氏體的復(fù)相組織，經(jīng)體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液浸蝕后鐵素體呈白色，貝氏體和馬氏體呈黑色，如圖7(c)所示。為了區(qū)分硝酸酒精溶液浸蝕后都呈現(xiàn)黑色的貝氏體和馬氏體組織，經(jīng)Lepera試劑浸蝕后獲得彩色金相，鐵素體呈藍(lán)色，貝氏體呈棕色，馬氏體呈亮白色[10]，如圖7(d)所示。鐵素體發(fā)生了明顯再結(jié)晶，呈等軸狀。貝氏體和馬氏體呈塊狀分布在基體上，塊狀貝氏體發(fā)生了回火，內(nèi)部析出碳化物；塊狀馬氏體顏色為白亮。

圖6 過時效溫度對1180 MPa級復(fù)相鋼組織的影響Fig.6 Effect of overaging temperature on microstructure of the 1180 MPa grade complex phase steel(a) 300 ℃; (b) 320 ℃; (c) 340 ℃; (d) 360 ℃; (e) 380 ℃; (f) 400 ℃

圖7 復(fù)相鋼經(jīng)790 ℃均熱、280 ℃過時效后不同狀態(tài)的顯微組織(a)鑄坯；(b)熱軋；(c)連退(4%硝酸酒精)；(d)連退(Lepera試劑)Fig.7 Microstructure of the complex phase steel in different states after soaking at 790 ℃ and overaging at 280 ℃(a) cast slab; (b) hot rolled; (c) continuous annealing (4% nitric alcohol); (d) continuous annealing (Lepera reagent)

圖8 復(fù)相鋼連退板的EBSD分析(a)IQ圖；(b)晶界特征分布圖；(c)晶粒尺寸分布圖；(d)晶界取向差分布圖Fig.8 EBSD analysis of the continuous annealed plate of complex phase steel(a) IQ diagram; (b) grain boundary characteristic distribution diagram; (c) grain size distribution diagram; (d) grain boundary misorientation distribution diagram

復(fù)相鋼連退板的EBSD數(shù)據(jù)處理如圖8所示，IQ圖中淺色襯度區(qū)為鐵素體，內(nèi)部位錯密度低；由于貝氏體和馬氏體內(nèi)部位錯密度高，碳含量大，晶格畸變明顯，深色襯度區(qū)為貝氏體和馬氏體，黑色區(qū)域為馬氏體。大部分晶粒尺寸在3 μm以內(nèi)。晶界特征分布圖中藍(lán)顏色線代表角度大于15°的大角度晶界，紅顏色線代表角度小于15°的小角度晶界。根據(jù)晶界取向差分布圖可知，小角度晶界占30%。

2.3 Cr-Mo-Nb-Ti-B系高強復(fù)相鋼的性能評估

2.3.1 力學(xué)性能穩(wěn)定性

表2～表4為790 ℃均熱、280 ℃過時效后復(fù)相鋼連退板的性能均勻性參數(shù)，包括帶頭、帶中、帶尾的操作側(cè)、中間位置、傳動側(cè)，并計算出性能波動值。經(jīng)測定計算，屈服強度為921～928 MPa，最大波動率為3.1%，抗拉強度為1240～1255 MPa，最大波動率為2.9%，伸長率為10%～12%，最大波動率為18.2%，力學(xué)性能穩(wěn)定性較好。

表3 經(jīng)790 ℃均熱、280 ℃過時效后復(fù)相鋼連退板頭、中、 尾部的通寬抗拉強度(MPa)

表4 經(jīng)790 ℃均熱、280 ℃過時效后復(fù)相鋼頭、中、 尾部的通寬伸長率(%)

2.3.2 冷彎性能測試

1180 MPa級復(fù)相鋼折彎性能優(yōu)異(見表5)，頭、中、尾部冷彎性能穩(wěn)定，較同級別雙相鋼有大幅提升，特別是在2a冷彎角度下，能夠滿足圖1輥壓加工要求。

表5 經(jīng)790 ℃均熱、280 ℃過時效后復(fù)相鋼連退板橫縱 向冷彎性能測試

2.3.3 擴孔性能測試

對頭、中、尾部分別進行正反面的擴孔測試，結(jié)果如表6所示。帶頭、帶中、帶尾平均擴孔率分別為25.3%、26.5%和24.3%，總體擴孔性能穩(wěn)定，且較同級別雙相鋼(15%)有大幅提升。

表6 經(jīng)790 ℃均熱、280 ℃過時效后復(fù)相鋼連退板的 擴孔性能(%)

3 結(jié)論

1) 結(jié)合CCT曲線、淬火強度曲線、熱模擬試驗等，最終確定了試驗制備的1180 MPa級復(fù)相鋼均熱溫度在780 ℃以上，過時效溫度在260～300 ℃范圍內(nèi)，各項力學(xué)性能均滿足要求。以790 ℃為設(shè)定均熱溫度，280 ℃為設(shè)定過時效溫度，連退板的組織為鐵素體、貝氏體和馬氏體的復(fù)相組織，鐵素體發(fā)生了明顯再結(jié)晶，呈等軸狀，貝氏體和馬氏體呈塊狀分布在基體上，塊狀貝氏體發(fā)生了回火，內(nèi)部析出碳化物。

2) 現(xiàn)有雙相鋼退火溫度在780～800 ℃之間，最終確定的復(fù)相鋼退火工藝與現(xiàn)有雙相鋼較為一致，有利于不同鋼種的連續(xù)生產(chǎn)，減少溫度波動，生產(chǎn)的1180 MPa級高強復(fù)相鋼滿足項目目標(biāo)的力學(xué)性能要求，具備更好的加工成形性，折彎性、擴孔性能也均較同級別雙相鋼產(chǎn)品有大幅提升。