顯微組織對FB60鋼板延伸凸緣性能的影響

梁 文 吳 潤 胡 俊 劉 斌 劉永前 彭 周

(1.武漢科技大學 材料與冶金學院，湖北 武漢 430081；2.武鋼研究院，湖北 武漢 430080)

熱軋鐵素體/馬氏體(F/M)雙相鋼具有高強度、低屈強比、初始加工硬化率高以及強度和韌性良好等優點，是目前應用最多的先進高強度鋼種(advanced high strength steel，AHSS)之一[1- 2]。然而在汽車車輪和底盤的制造中，鋼材需進行翻邊和擴孔，要求其具有良好的擴孔性能(延伸凸緣性能)[3]。F/M雙相鋼的擴孔性能較差，如果鋼中的馬氏體被貝氏體取代，則可顯著提高其擴孔性能[4]。這種鐵素體/貝氏體(F/B)雙相鋼兼具高強度和良好的冷成形性能，而且焊接性和耐疲勞性能良好，是制作汽車底盤和車輪等部件的理想材料[5]。目前，國內汽車行業大量采用擴孔性能良好的60 kg級FB60鋼制造汽車零部件。

大量研究結果表明[6- 13]，影響鋼板擴孔性能的因素主要有鋼材純凈度、組織類型和圓孔的加工工藝。在對顯微組織的研究方面，業已做了大量的工作，所研究材料的強度[14- 17]和成分[14- 16,18]差異均很大，或者顯微組織相同[19- 21]，但很少有人研究成分相同、強度相同時，不同類型組織對擴孔性能的影響。本文在實驗室對FB60鋼板采用不同的工藝進行熱處理，得到了強度相同或接近、顯微組織不同的鋼板試樣，研究了顯微組織對鋼板擴孔性能的影響，并探討了其擴孔開裂的機制。

1 試驗材料及方法

試驗用原料為工業用3.5 mm FB60鋼板材，化學成分見表1。為得到不同的組織，采用同一卷FB60鋼板在實驗室進行熱處理(原料為試樣A)，熱處理工藝見圖1。

表1 FB60鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the FB60 steel (mass fraction) %

圖1 試驗鋼的熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic of heat treatment process for the tested steel

在熱處理前、后，沿板材橫向截取標準拉伸試樣，用Zwick Z600E電子拉伸試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。每件鋼板試樣加工3片90 mm×90 mm的擴孔用試樣，沖制出φ10 mm的圓孔，按照GB/T 24524—2009采用Zwick/roell BUP400板材成形試驗機進行擴孔試驗，錐形沖頭頂角為60°，沖頭運行速率為60 mm/min，直至圓孔邊緣有明顯貫穿裂紋為止。采用LEICA DM6000金相顯微鏡和FEI Quanta 400掃描電鏡觀察試樣的微觀組織，并借助Analysis pro 5圖象分析軟件測量鐵素體的平均晶粒尺寸和第二相的體積分數。在掃描電鏡觀下觀測擴孔后試樣圓孔端面和貫穿裂紋斷口的形貌，以及縮頸區域內縱剖面的孔洞分布。采用HYSITRONTI 750原位納米壓痕儀測定顯微硬度，試驗力為4 mN，壓痕點間距5 μm，每件試樣100個壓痕，并用掃描電鏡觀察納米壓痕點。

2 試驗結果

2.1 力學性能

試樣的力學性能如表2所示，工程應力- 工程應變曲線如圖2所示。由表2可知，試樣A、C、D抗拉強度相同，均為610 MPa左右，斷后伸長率也基本相同，為22%～26%，屬于力學性能相同的產品。但它們的屈強比差異較大，試樣A為0.90，而試樣C、D約為0.6，由圖2可知，試樣C、D曲線光滑無屈服平臺，為典型的F/M雙相鋼拉伸曲線。試樣B抗拉強度最低，僅為481 MPa，斷后伸長率最高。

表2 不同狀態FB60鋼試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of the FB60 steel specimens in different conditions

圖2 FB60鋼試樣的工程應力- 工程應變曲線圖Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of the FB60 steel specimens

2.2 顯微組織

FB60鋼試樣的顯微組織見表4和圖3、圖4。由圖3、圖4可知，試樣A為典型的F+B組織，試樣B為F+P，這與其空冷至室溫有關。試樣C、D均為F+M，與試樣C相比，試樣D的鐵素體晶粒較粗大，馬氏體量少。這是因為試樣D加熱后空冷至670 ℃才淬水，其空冷時間較試樣C延長了約60 s。隨著空冷時間的延長， 奧氏體向鐵素體轉變的量增多，且鐵素體晶粒長大，剩余的奧氏體水冷轉變為馬氏體，馬氏體呈彌散的孤立島狀[22- 23]。F/M雙相鋼板中的屈服強度決定于鐵素體[23]，試樣D的鐵素體晶粒較粗大，故其屈服強度較試樣C低32 MPa。抗拉強度則決定于軟硬相比例以及馬氏體的強度，而馬氏體的強度隨其碳含量的增加而提高[23]。

2.3 擴孔性能(延伸凸緣性能)

圖3 FB60鋼試樣A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的顯微組織Fig.3 Microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

圖4 FB60鋼試樣A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的掃描電鏡組織Fig.4 SEM microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

避開貫穿裂紋所在的方向，對擴孔后試樣(見圖5)的圓孔進行測量，取3次測量的平均值，并根據式(1)計算其擴孔率，結果如表3所示。

圖5 擴孔后的FB60鋼試樣Fig.5 Hole- expanded FB60 steel samples

表3 FB60鋼試樣的擴孔性能Table 3 Hole expanding rate (HER) of the FB60 steel specimens

(1)

式中：λ—擴孔率，%；D0—擴展前孔的直徑，mm；Dh—擴展至開裂時孔的平均直徑，mm。

由表3可知，試樣B的擴孔性能最好，試樣A次之，試樣D最差，且試樣C、D的擴孔率接近。即F/B雙相試樣A的擴孔率約為F/M雙相試樣C、D擴孔率的3倍大。

2.4 顯微硬度

對FB60鋼試樣中4種不同的顯微組織進行納米壓痕試驗，其典型的試驗力—壓痕深度曲線如圖6所示。對納米壓痕點進行篩選，剔除不合格的納米壓痕點(見圖7)，每個試樣有效壓痕數為70～80個。對這些合格的壓痕點進行統計(見圖8)，將其算術平均值作為該試樣組織的顯微硬度，結果如表4所示。

圖6 FB60鋼試樣中馬氏體(M)、貝氏體(B)、珠光體(P)和鐵素體(F)的試驗力- 壓痕深度曲線Fig.6 Load- indentation depth curves for martensite (M), bainite (B), pearlite (P) and ferrite (F) in the FB60 steel specimens

圖7 試樣A的納米壓痕SEM照片Fig.7 SEM micrograph of nano- indentation of the sample A

由表4可知，不同試樣中的鐵素體硬度值略有區別，鐵素體的平均顯微硬度為2.66～3.08 GPa，珠光體為3.22 GPa， 貝氏體為3.84 GPa， 馬氏體為5.46～6.57 GPa。鐵素體顯微硬度波動較大可能與不同試樣中鐵素體的大小、晶內位錯、亞晶結構等因素有關；馬氏體的硬度與其含碳量有關，含碳含量越高，馬氏體的硬度越高[19]。對于F/B雙相鋼板，硬/軟相硬度比值為1.25，遠小于F/M雙相鋼板的1.84～2.17。硬/軟相硬度比值大小為試樣B<試樣A<試樣C<試樣D，即F+P組織

圖8 試樣A中鐵素體(a)和貝氏體(b)的顯微硬度統計圖Fig.8 Micro- hardness statistical graphs for ferrite (a) and bainite (b) in the specimen A

表4 試樣的顯微組織及其顯微硬度Table 4 Microstructures in the specimens and their micro- hardness

注：軟相指F，硬相指P、B、M

2.5 斷口形貌

對擴孔后的試樣用SEM觀察孔的端面、貫穿裂紋以及縮頸區截面的微觀形貌，結果如圖9～11所示。

由圖9(c)可知，試樣的圓孔端面有大量的微裂紋，并與板厚呈45°或135°角，裂紋夾角近90°，這些裂紋是鋼板在擴孔過程中沿最大切應力方向起裂所致[24- 25]。圖9(b)、9(d)為貫穿裂紋斷口形貌，可知所有試樣的斷口均為延性斷口。F/B雙相鋼貫穿裂紋斷口的韌窩大而深，大小均勻，說明F/B雙相鋼具有良好的塑性。而F/M雙相鋼斷口韌窩小而淺，且大小不均勻，說明F/M雙相鋼塑性較差。這是因為F/M雙相鋼中存在較多的位錯，導致其難以滑移[26]。

圖9 擴孔后孔的形貌(a)以及(a)中所示裂紋斷口(試樣A(b)和C(d))和圓孔凸緣(c)的形貌Fig.9 (a)Expanded hole in the specimen and micrographs of ((b)specimen A and (d) specimen C) crack fracture and (c) hole flange showed in (a)

圖10 試樣A(a)、C(b)和D(c)擴孔后圓孔截面的微觀形貌 Fig.10 Micrographs of cross- section of the expanded hole in the samples A (a), B (b) and D(c)

圖10為縮頸區截面上裂紋尖端的形貌。對于試樣A，見圖10(a)，在裂紋的四周，貝氏體和鐵素體發生了明顯的形變，且存在大量的孔隙，分布范圍寬達60 μm。而試樣C僅在裂紋擴展的方向有少量的變形鐵素體和馬氏體，分布范圍僅10 μm寬，見圖10(b)。試樣D幾乎看不到變形的鐵素體和馬氏體，且孔隙數量更少，見圖10(c)。

圖11為F/M雙相鋼中擴展的裂紋形貌。由圖可知，試樣C裂紋兩側存在斷裂的馬氏體，裂紋為穿晶擴展。試樣D中裂紋沿晶界擴展，這是因為試樣D中的馬氏體硬度高，不易破裂。

圖11 試樣C(a)和D(b)裂紋擴展照片Fig.11 Micrographs of expanded crack in the specimens C (a) and D (b)

3 分析與討論

對于F/B和F/P鋼，試樣在擴孔過程中最先形變的是強度最低的鐵素體，變形導致鐵素體晶粒內位錯增多。當位錯強化使得鐵素體強度與珠光體、貝氏體接近時，不同的組織一起變形，宏觀表現為擴孔性能良好。隨著變形量的進一步增大，在兩相界面或鐵素體晶粒內產生大量孔隙，孔隙被拉長、聚集而形成宏觀裂紋[17]。由于F/B和F/P鋼變形范圍大，且形變均勻，孔隙擴大的速率也基本相同，其貫穿裂紋斷口上的韌窩大小也較均勻。

而F/M雙相鋼中兩相的強度差別很大，其顯微硬度相差1倍，形變的鐵素體強度仍不能達到或接近馬氏體的強度，導致變形難以協調。而鐵素體的強度不高，當變形量達到兩相界面的極限變形量時，兩相界面將產生孔隙，故其擴孔性能很差。這些孔隙是在兩相界面產生，而馬氏體晶粒大小不一，孔隙的大小也不均勻，這些孔隙聚集擴大時，導致其斷口的韌窩尺寸也不均勻。與F/B和F/P鋼相比，F/M鋼中均勻變形的范圍大，產生的孔隙少，使擴孔過程中的應力更易集中，從而在擴孔過程的初期即開裂。

對于馬氏體含量不同、但擴孔性能接近的試樣C、D，擴孔性能除與兩相硬度差有關外，還與鋼中兩相的比例、兩相界面的面積、裂紋擴展的方式等因素有關[27]。試樣D中的馬氏體硬度高，即硬/軟相硬度比值大，其開裂概率大；如馬氏體含量少，其兩相界面少，發生開裂的部位也少。此外，馬氏體硬度高，在一定程度上又阻止鐵素體變形，增大了裂紋擴展所需的外力。試樣D中裂紋為沿晶擴展，所需的外力與穿晶擴展的試樣C不同。各種因素的綜合影響使試樣C、D的擴孔性能相近。還有待進一步研究。

對于試樣B，其擴孔率最大，達129%。這主要與其顯微組織為F+P有關。其兩相強度差最小，硬/軟相比值最小，擴孔時兩相協調最好。但珠光體強度太低，故試樣的強度最低，僅為480 MPa。而擴孔性能與抗拉強度成反比，當抗拉強度從500 MPa增加至600 MPa時，擴孔率下降約25%～35%[15]。相對而言，F+P兩相組織不是延伸凸緣性能良好的鋼板的最佳選擇。

綜上所述，F/B組織兼具高的強度和良好的擴孔性能，提高F/B雙相鋼中鐵素體強度以降低兩相的強度差[21]，或開發含有大量細小鐵素體單相組織的鋼，是高強度易擴孔的鋼的研究熱點。據報道，這種易擴孔的鋼的抗拉強度為780 MPa，擴孔率仍高達80%[28]。

4 結論

(1)成分相同、抗拉強度相同的F/B雙相鋼板的擴孔性能(延伸凸緣性能)是F/M雙相鋼板的3倍；成分相同時，F/P兩相組織的擴孔性能最好，但強度最低。

(2)擴孔開裂的直接原因是鋼板中兩相組織存在強度差，強度差越大，兩相的協同變形越差，在兩相界面越容易產生孔隙，孔隙聚集擴大而形成裂紋。

(3)對于F/P和F/B鋼板，擴孔過程中產生的大量形變區域和孔隙能緩解擴孔過程中的應力集中，吸收能量，并提供擴孔所需的空間，使鋼板具有良好的擴孔性能。對于F/M雙相鋼板，擴孔性能除與兩相的硬度差有關外，還與鋼板中兩相的比例、界面的面積、裂紋擴展的方式等因素有關。

(4)降低兩相強度差，或選擇析出強化的鐵素體單相組織，是高強度易擴孔鋼的發展方向。