激光切割對(duì)TWIP1180鋼組織和力學(xué)性能的影響研究

馮菁菁， 戴志勇

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程系，遼寧葫蘆島 125105）

0 引言

近年來，汽車工業(yè)正探索和開發(fā)新的鋼鐵材料作為汽車車身的研究，旨在減輕汽車質(zhì)量和提高汽車安全性能[1]。TWIP鋼是一種低層錯(cuò)能的奧氏體鋼，具有高強(qiáng)度和良好的成形性，尤其是對(duì)沖擊能量的吸收程度是現(xiàn)有高強(qiáng)度鋼的2倍，且無低溫脆性轉(zhuǎn)變溫[2]。因此，TWIP鋼目前被大量應(yīng)用在汽車板和制造具有復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件上。

激光切割和激光拼焊技術(shù)是被譽(yù)為當(dāng)今最成功的技術(shù)之一，尤其應(yīng)用在汽車制造的激光拼焊技術(shù)[3]。然而，激光技術(shù)加工不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工，激光束對(duì)材料加工時(shí)具有速度快、熱源集中的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響[4]。本文旨在使用激光切割TWIP鋼時(shí)，對(duì)其組織和性能影響進(jìn)行研究，為TWIP鋼的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用厚度δ=2 mm的TWIP1180鋼，試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1所示。

采用NH-500型CO2激光切割機(jī)（功率2.5 kW）。將試樣切割為20 mm×10 mm×2 mm試樣，沿軋制方向側(cè)面進(jìn)行取樣，沿軋制方向?qū)⒃嚇予偳丁⒀心ァ伖猓?%的硝酸酒精浸蝕吹干，在型號(hào)為4XB光學(xué)顯微鏡下觀察組織。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，載荷F=490 N，加載時(shí)間為12 s，對(duì)試樣與切割邊緣垂直方向（沿著B方向）進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，如圖1所示，等間距打5點(diǎn)以上，取五組相對(duì)接近數(shù)據(jù)，然后取平均值。

圖1 顯微硬度逐點(diǎn)測(cè)試方向

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光切割對(duì)TWIP1180鋼組織的影響與分析

TWIP1180鋼激光切割后其組織形貌如圖2所示，從圖中可以看出，TWIP1180鋼組織基本為奧氏體。激光切割影響區(qū)域從宏觀角度看，可以分成3個(gè)區(qū)域：激光切割熱影響區(qū)、過渡區(qū)和母材區(qū)。圖2（a）為試樣切割邊緣熱影響區(qū)組織形貌。可以看出，組織中含有大量的孿晶組織。試樣邊緣經(jīng)過高溫后晶粒明顯長(zhǎng)大，并且組織中含有大量孿晶。圖2（b）為試樣切割熱影響區(qū)與母材過渡區(qū)組織形貌。從圖中可以看出，由于該區(qū)域受到切割熱影響減弱，組織中存在少量的層錯(cuò)和孿晶，晶粒相對(duì)細(xì)小。圖2（c）為母材區(qū)組織。可以觀察到母材組織為單一奧氏體，很少可以觀察到孿晶組織，晶粒比較細(xì)小。

TWIP1180鋼在激光切割中，試樣邊緣熱影響區(qū)受到激光熱的作用，奧氏體晶粒尺寸開始長(zhǎng)大，同時(shí)組織中孿晶數(shù)量增多。這是由于晶界發(fā)生遷移，在長(zhǎng)大的晶粒中原子沿{111}面偶然錯(cuò)排，出現(xiàn)層錯(cuò)和共格孿晶界面，在一定能量條件下，在晶界處形成退火孿晶。如圖2（a），該區(qū)域先形成層錯(cuò)，層錯(cuò)處于亞晶界前沿，可以認(rèn)為是在亞晶界遷移時(shí)形成，當(dāng)層錯(cuò)向長(zhǎng)度及寬度方向生長(zhǎng)到一定尺寸后，可以轉(zhuǎn)化成孿晶的晶核，晶核隨著晶界遷移而長(zhǎng)大。如圖2（b）是切割試樣邊緣與基體的過渡區(qū)域，該區(qū)域溫度相對(duì)較低，保溫時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，組織由等軸晶和孿晶組成。

圖2 激光切割后試樣金相組織

2.2 激光切割對(duì)TWIP鋼硬度的影響

本試驗(yàn)利用維氏顯微硬度計(jì)的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

TWIP1180鋼經(jīng)激光切割后從邊緣到母材上硬度值如圖3所示，將圖3硬度值變化規(guī)律與圖2微觀組織結(jié)合起來分析，可將硬度值線分為熱影響區(qū)，過渡區(qū)和母材區(qū)三個(gè)階段。從圖中可以看出熱影響區(qū)的硬度相對(duì)于母材區(qū)提高很多，在過渡區(qū)硬度達(dá)到峰值。在切割熱影響區(qū)上硬度值在320～325 HV之間，平均值為323 HV，這是由于該區(qū)受到切割熱的作用，產(chǎn)生了大量的孿晶組織，孿晶組織提高試樣邊緣的強(qiáng)度；切割熱也可能會(huì)燒損部分合金元素，而合金元素含量的減少會(huì)降低試樣邊緣的硬度；同時(shí)切割熱作用使該區(qū)域晶粒尺寸變得粗大，這造成試樣切割邊緣力學(xué)性能的下降，但總體來看硬度值是上升的。距離切割熱影響區(qū)稍遠(yuǎn)的過渡區(qū)硬度值在340～345 HV之間，平均值為341 HV。由于該區(qū)激光切割加熱溫度相對(duì)較低且降溫緩慢，孿晶組織數(shù)量有所降低，但晶粒尺寸減小，因此該區(qū)域硬度值隨溫度的下降而快速升高。隨著距離遠(yuǎn)離激光切割邊緣的母材區(qū)，硬度值下降到305 HV，該區(qū)域組織為奧氏體，孿晶組織很少，因此該區(qū)域硬度值最低。

圖3 激光切割試件上顯微硬度分布

3 結(jié)論

1）TWIP1180鋼通過激光切割技術(shù)使試樣邊緣組織通過亞晶界遷移出現(xiàn)層錯(cuò)和共格孿晶界面，出現(xiàn)了大量孿晶組織，且晶粒尺寸粗大；過渡區(qū)孿晶數(shù)量減少且晶粒尺寸減小，組織由等軸晶和孿晶組成。2）TWIP1180鋼通過激光切割技術(shù)使試樣邊緣組織出現(xiàn)大量孿晶組織，硬度值達(dá)到323 HV；過渡區(qū)硬度值達(dá)到341 HV；在母材區(qū)硬度值極速下降到305 HV左右。