冷軋雙相鋼的烘烤硬化性能

曹彥朋，李維娟，聶麗麗，王麗萍，廖華軍

（遼寧科技大學材料與冶金學院，鞍山 114051）

0 引 言

安全與能耗成為目前世界各國汽車工業面臨的主要問題，高強度汽車用鋼的使用對減輕車身質量、降低能耗具有重要作用。雙相鋼具有低的屈強比、高的初始加工硬化速率、良好的強度和延性配合等特點，已成為一種新型汽車用高強度沖壓鋼［1］。

雙相鋼和烘烤硬化鋼一樣，也具有烘烤硬化特性，但以往通常不作為其必要的特性指標。近年來，汽車制造業對雙相鋼的烘烤硬化性能也提出了明確的要求，如通用汽車公司在材料標準中，就明確要求冷軋雙相鋼的烘烤硬化值（BH值）應不小于30MPa［2］。目前，對于雙相鋼烘烤硬化性能的研究并不多。Knoieczny［3］等認為DP590雙相鋼的BH值與預變形量無關，但是并未做出機理分析。朱曉東［4］等的研究指出，預變形前雙相鋼板的BH值較小，而經2%預變形后其BH值大大提高，但是對其它預變形量條件下的BH值并沒有研究。張繼誠［5］等在研究相變誘導塑性（TRIP）鋼烘烤硬化機理時，采用了含馬氏體為40%（體積分數）的雙相鋼作為對照，發現雙相鋼的BH值隨預變形量的增大而減小。Waterschoot［6］等認為雙相鋼的BH值隨烘烤時間的延長而增大。國內關于烘烤工藝對冷軋雙相鋼烘烤硬化性能影響的研究鮮有報道。通常汽車板經烘烤后，需要在室溫長期放置后才使用，因此，研究汽車板烘烤硬化性能在放置后是否容易失效，也具有一定的實際意義。為此，作者以冷軋雙相鋼板為對象，研究了預變形量、烘烤時間和室溫時效處理對其烘烤硬化性能的影響，分析了這些因素對冷軋雙相鋼板烘烤硬化性能的影響機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗鋼為冷軋雙相鋼，化學成分見表1，熱處理狀態為退火態，顯微組織由鐵素體、馬氏體和微量殘余奧氏體組成。馬氏體的體積分數為16%，鐵素體平均晶粒尺寸為30μm。

表1 冷軋雙相鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of cold-rolled dual-phase steel（mass） %

預變形和力學性能的測試采用MTS 810型拉伸試驗機進行，拉伸速度為5mm·min－1。烘烤在101-1型烘烤箱完成。對試樣分別施加1%，2%，5%，7%，10%，15%，20%的預變形后，在170 ℃下烘烤20min；另對預變形量為2%的試樣，在170℃的溫度下分別烘烤10，50，100，500，1 000，5 000，10 000min；另將預變形量為2%，5%，10%的試樣烘烤硬化后在室溫下放置3個月時間。分別對以上三種試驗條件下試驗鋼的BH值進行測定。

BH值的定義參考SEW094進行了修改：

（1）不同預變形量下試樣的BH值用Rel－Rpx表示（Rel為試樣經一定量預變形，并170℃烘烤20min后的屈服強度；Rpx為預變形時的流變應力）。

（2）不同烘烤時間下試樣的BH值用Rel－RP0.2表示（Rel為試樣經2%預變形，并170℃烘烤一定時間后的屈服強度；RP0.2為2%預變形時對應的流變應力）。

（3）室溫時效不同時間后BH值用Rel－Rpx表示（Rel為試樣經一定量預變形，并170℃烘烤20min后，于室溫下放置3個月的屈服強度，Rpx經相同預變形時烘烤后放置一定時間的屈服強度）。

將打磨至厚0.03mm以下的試樣薄片沖減為φ3mm的小圓片，放進雙噴拋光儀上進行電解拋光，腐蝕液是質量分數為4%的鹽酸酒精溶液。采用JEM-2100型透射電子顯微鏡（TEM）觀察試樣的顯微組織和位錯形貌。

采用扭擺內耗儀對預變形量為2%，10%，在170℃烘烤20min試樣進行內耗測定，以探究雙相鋼的烘烤硬化機理。

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2 試驗結果與討論

2.1 預變形量對烘烤硬化性能的影響

由圖1可以看出，隨著預變形量的增大，BH值不斷增大。當預變形量為2%時，BH值達到了45MPa，說明試驗鋼具有良好的烘烤硬化性能。

圖1 預變形量對試驗鋼BH值的影響Fig.1 Effect of pre-deformation degree on BH value of test steel

從圖2～4可以看出，2%預變形條件下的位錯密度比10%預變形條件下試樣的位錯密度小，并且位錯呈網狀，不同預變形量下的晶界都比較平直。室溫下，晶界對位錯滑移具有阻礙效應，只有載荷足夠大時才可以使位錯通過晶界繼續滑移，甚至穿過晶界。晶界對材料起到強化效應。

圖2 不同預變量下試樣的位錯形貌Fig.2 Dislocation morphology in samples with different pre-deformation degrees

由圖5可以看出，預變形量為2%和10%試樣的內耗隨著測試溫度的升高先升后降，都出現了很明顯的峰值，說明烘烤后有柯氏氣團形成；預變形量為10%試樣的內耗峰值比預變形量為2%試樣的高很多，說明前者試樣內部碳原子與位錯交互作用比后者的強很多，柯氏氣團的密度比也大。

由前文可知，預變形量為10%時試樣的位錯密度比預變形量為2%時的大，而位錯密度大，形成的柯氏氣團密度也大，這對BH值的貢獻大，所以經相同的工藝烘烤后，預變形量大的試樣其內耗峰值高。雙相鋼的烘烤硬化性能主要受柯氏氣團的形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解、碳化物析出的影響［6－7］。其中柯氏氣團的影響最大，烘烤時，鋼中固溶的間隙碳原子在獲得能量后將會向自由位錯處擴散，并釘扎位錯，形成柯氏氣團。其密度主要受鐵素體和馬氏體中間隙碳原子、晶界上的碳原子和位錯密度的影響。根據柯氏模型［7］，在柯氏氣團形成前期，BH值隨著柯氏氣團密度的增加呈線性增大，而后增大速度逐漸變慢，最終保持一定值，即柯氏氣團密度達到飽和時，BH值達到最大。因此，在一定范圍內，間隙碳原子、晶界上的碳原子越多，位錯密度越大，則柯氏氣團密度越大，BH值越大。

圖3 預變形量為2%，170℃烘烤20min后試樣不同位置的位錯形貌Fig.3 Dislocation morphology in different locations of the samples with pre-deformation degree of 2%after baking at 170℃for 20min：（a）location 1；（b）location 2；（c）location 3and（d）location 4

圖4 預變形量為10%，170℃烘烤20min后試樣不同位置的位錯形貌Fig.4 Dislocation morphology in different locations of the samples with pre-deformation degree of 10%after baking at 170℃for 20min：（a）location 1；（b）location 2；（c）location 3and（d）location 4

圖5 不同預變形量下170℃烘烤20min后試樣的溫度－內耗曲線Fig.5 Curves of internal friction vs temperature for samples with pre-deformation degree of 2% （a）and 10%（b）after baking at 170 ℃for 20min

由圖3和圖4可見，經2%和10%預變形，170℃烘烤20min后試樣中的晶界都比較平直，說明其晶界強化作用大致相當。雙相鋼在170℃烘烤時，會發生以下變化。（1）鐵素體中會有碳化物析出，馬氏體會發生低溫回火，如圖4（c）所示。馬氏體在低溫回火時，碳原子重新分配并向位錯和晶界聚集，馬氏體中的碳化物轉化成ε和η等碳化物，這些析出碳化物會起到沉淀強化的作用，使得屈服強度升高。（2）殘余奧氏體轉變為回火馬氏體，如圖3（c）所示。回火馬氏體的強度比奧氏體的高，因此，殘余奧氏體的轉變也使得其屈服強度升高。

綜上所述，預變形量在20%以下時，由于柯氏氣團形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解和碳化物析出共同作用，使得隨著預變形量的增大，BH值不斷增大，位錯密度升高。BH值隨預變形量的增大而持續增大的原因，是由于在試驗條件下，柯氏氣團的密度未達到最大值。

2.2 烘烤時間對烘烤硬化性能的影響

由圖6可知，隨烘烤時間的延長，BH值不斷延長。當烘烤時間為10 000min時，BH值達到了82MPa。

圖6 烘烤時間對BH值的影響Fig.6 Effect of baking time on BH value

從圖7，8可以發現，預變形量為2%，烘烤溫度為170℃條件下，隨烘烤時間的延長試樣的位錯密度逐漸減小，位錯呈網狀；在烘烤過程中鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體中會析出碳化物。

圖7 預變形量為2%，170℃下烘烤不同時間后試樣的位錯形貌Fig.7 Dislocation morphology in the samples with pre-deformation degree of 2%after baking for different times at 170 ℃

圖8 預變形量為2%，170℃烘烤100min后試樣的位錯形貌Fig.8 Dislocation morphology in different locations of samples with pre-deformation degree of 2%after baking for 100min at 170 ℃

從圖9可以看出，隨著測試溫度的升高，烘烤10，100min后試樣的溫度－內耗曲線都出現了明顯的峰值，說明烘烤后有柯氏氣團形成；比較兩試樣的峰可以看出，烘烤100min的峰值較高，說明烘烤100min試樣的內部碳原子與位錯交互作用比烘烤10min試樣的強，試樣內部的氣團密度較大，即隨烘烤時間的延長，柯氏氣團密度增大。

圖9 預變形量為2%時170℃烘烤不同時間后試樣的溫度－內耗曲線Fig.9 Curves of internal friction vs temperature for samples with pre-deformation degree of 2%after baking at 170 ℃for 10min（a）and 100min（b）

綜上所述，隨烘烤時間延長，柯氏氣團密度不斷增大。這是由于烘烤時，部分正負位錯會相互抵消，隨烘烤時間的延長，相互抵消的位錯越多，但間隙碳原子對位錯的釘扎也越充分，當柯氏氣團未達到飽和時，柯氏氣團的密度會越來越大。同時，烘烤時間越長，馬氏體低溫回火越充分，內應力釋放得越充分，使得自由位錯增多，這可以彌補部分相互抵消的正負位錯；烘烤時間越長，殘余奧氏體向回火馬氏體的轉變越充分，回火馬氏體的含量越多，屈服強度越高；烘烤時間越長，鐵素體和馬氏體中析出的碳化物增多，沉淀強化作用增強，屈服強度升高。在這些影響因素的共同作用下，使得BH值隨烘烤時間的延長不斷增大。

2.3 室溫時效處理對烘烤硬化性能的影響

由表2可知，預變形量為2%，5%和10%的試樣，在170℃烘烤20min，并于室溫放置3個月后，其BH值的變化規律不明顯，有的增大，有的減小，最大變化值為7MPa。

表2 室溫時效對試驗鋼BH值的影響Tab.2 Effect of aging at room temperature on BH value of test steel MPa

文獻［8］中用時效指數來反映薄板的時效傾向，它表示預變形下的流變應力與室溫長期放置后屈服應力的差值。時效指數越大，時效傾向越明顯。時效指數小于30MPa時，薄板3個月不失效。參照文獻［8］的定義，可認為試驗鋼3個月內不失效。

室溫時效后，BH值變化不大，這是由于柯氏氣團中的碳原子對位錯的釘扎作用比較強烈，未達到使碳原子和位錯分離的動力學條件。同時，間隙碳原子也未獲得足夠的能量向自由位錯處擴散，形成新的柯氏氣團；烘烤后的組織在室溫下較穩定，沒有發生轉變或轉變量很少，使得屈服強度變化不大。

3 結 論

（1）隨著預變形量的增大和烘烤時間的延長，試驗鋼的BH值不斷增大；當預變形量為2%時，試驗鋼的BH值為45MPa，已具有良好的烘烤硬化性能。

（2）試驗鋼的烘烤硬化性能比較穩定，不易失效。

（3）試驗鋼的烘烤硬化機理主要是與柯氏氣團形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解和碳化物析出共同作用的結果。

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