高強汽車板DP780鍍鋅過程中的組織轉變及相變

文／耿志宇，宋海武，郭健，魏煥君·河鋼股份有限公司唐山分公司

如今汽車的產銷量越來越大，中國已經是世界第一大汽車市場。隨著人們對環境保護越來越重視，汽車的排放要求越來越嚴格，于是就要求汽車減重以進一步降低排放。高強鋼、超高強鋼的使用對汽車減重有著明顯的效果，因此使用越來越廣泛。其中雙相高強鋼具有低屈強比、高初始加工硬化率、強度和塑性配合良好的優點，已經發展成為汽車用鋼的主流。雙相鋼主要通過連續退火和鍍鋅線生產，其中鍍鋅線的產品耐蝕性要好于連退線。對于鍍鋅線生產來說，其均熱溫度（或叫退火溫度）是影響鍍鋅后雙相鋼的組織與性能的最重要因素，因此，本文主要研究了鍍鋅工藝中的均熱溫度對DP780的組織、性能和相組成的影響。

本試驗采用冷軋板，成分如表1所示。

試樣的尺寸為240mm×30mm，使用Gleeble 3500熱模擬試驗機，分別進行不同均熱溫度的鍍鋅工藝模擬。模擬結束后試樣用線切割加工成拉伸試樣，使用Zwick Z100拉伸試驗機檢測試樣的力學性能，使用金相顯微鏡和蔡司場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣的金相組織。在進行熱模擬試驗的同時，使用膨脹儀檢測試樣的相變。

鍍鋅均熱溫度對DP780性能的影響

試驗采用的鍍鋅工藝如圖1所示。由圖可見，高強汽車板的鍍鋅工藝可以分為：預熱段、加熱1段、加熱2段、均熱段、緩冷段、快冷段、均衡段、后冷卻段。本次試驗改變均熱段的均熱溫度，變化范圍為600～860℃。

表1 試樣的化學成分

圖1 鍍鋅工藝

熱模擬試驗完成后檢測其力學性能，結果如圖2所示。

圖2 不同均熱溫度下的性能

隨著均熱溫度的升高，DP780的性能變化有著很強的規律性。可以將均熱溫度對性能的影響分為三個階段：⑴600～660℃，隨著均熱溫度的升高，鋼的強度緩慢降低，伸長率（A50）不變，且屈強比不變，始終為1。此階段為回復或少量再結晶階段，均熱溫度的變化對性能影響不大；⑵660～700℃，隨著均熱溫度的升高，強度急劇下降，且伸長率升高，屈強比稍有降低。可以認定此階段為再結晶階段，均熱溫度的升高使得再結晶更加充分，因此對性能產生了較大影響。但是要注意，此階段再結晶并沒有完全結束；⑶700～860℃，此階段為雙相階段，雙相鋼的低屈強比的特性開始表現出來。而在700～740℃區間屈強比隨著均熱溫度的升高而降低，和此時的馬氏體量較少有關。均熱溫度超過740℃，屈強比不隨均熱溫度的變化而變化。

鍍鋅過程中的相變

為了研究DP780在不同鍍鋅工藝處理后的相組成，進行了鍍鋅過程的相變研究。目前，研究相變通常采用線膨脹測量技術，且是目前研究固態相變最有效的手段之一。下面我們依次觀察DP780在不同均熱溫度下的相變情況。

圖3所示為DP780經過加熱到1000℃后再冷卻至室溫的過程中發生的相變情況。由圖可見，在加熱過程中，在A點開始發生相變，此時的溫度為720℃。隨著溫度繼續升高，到達B點時相變基本結束，隨后在冷卻的過程中，BC段不發生相變，到達C點時是鍍鋅工藝中的均衡段，在此溫度（460℃）等溫過程中發生相變（CD段），在隨后的后冷卻段相變結束，直至室溫。在此可以認定1000℃時鋼已經完全奧氏體化，所以此時試樣的膨脹量ab為鋼完全奧氏體化時的膨脹量，其他溫度時試樣的膨脹量與之對比即可認為是此溫度下的奧氏體化量。

圖3 1000℃時的相變

從圖4可以看出，均熱溫度700℃時，試樣的尺寸隨著均熱溫度呈現線性關系，因此可以認定，在700℃和以下溫度，DP780只發生回復和再結晶，不發生相變。

圖4 700℃時的相變

由圖5和圖6中可見，均熱溫度為720℃時鋼只有很少的奧氏體相變（ab=4μm），740℃時相變量稍有增加（ab=10μm），因此，這兩個均熱溫度下奧氏體化率分別為2.2%（計算方法為4μm/180μm）和5.6%。在冷卻至室溫的過程中可以認為發生相變的奧氏體全部轉變為馬氏體，即發生轉變的奧氏體過冷相變產物中馬氏體含量為100%，

對于均熱溫度760～860℃時的相變情況，用和上文同樣的方法計算其奧氏體化率和冷卻過程中各相的比例，計算結果見圖7。此時有一個情況需要說明，即奧氏體化時的尺寸變化和冷卻過程中的尺寸變化不一定完全相同，因為試驗中膨脹儀的輕微抖動可能產生以下誤差，而且體心立方和面心立方金屬的熱膨脹系數也不相同，因此，依據圖3～圖6計算的試驗結果有一定的誤差，只作為趨勢性研究。

圖5 720℃時的相變

圖6 740℃時的相變

從圖7可以發現如下信息：⑴奧氏體化量隨著均熱溫度的升高而急劇升高，這個符合鐵碳相圖中的杠桿定律；⑵馬氏體在不同均熱溫度下始終存在，說明DP780的過冷奧氏體穩定性并不差。鍍鋅工藝冷卻過程中在460℃等溫后也能得到馬氏體，究其原因是因為Mo元素的溶質拖曳作用，降低了C原子的擴散速度，從而推遲了相變的發生，使得過冷奧氏體穩定下來，在低溫下發生了馬氏體相變；⑶隨著均熱溫度的升高，貝氏體的含量逐漸增多，且820℃時開始出現高溫轉變產物——鐵素體。且隨著均熱溫度的升高，鐵素體的含量逐漸增多。眾所周知，奧氏體的穩定性與碳含量和合金元素含量相關。根據杠桿定律，若奧氏體化溫度低，奧氏體量少，此時由于周邊鐵素體的形成，奧氏體的含碳量是很高的，因此，此時奧氏體的穩定性是很高的，這就解釋了在低溫奧氏體化時只有馬氏體和很少量貝氏體的原因。當奧氏體化溫度升高時，雖然奧氏體量增加，但奧氏體的整體含碳量降低，奧氏體的穩定性下降，所以，在高奧氏體化溫度下的轉變產物出現了鐵素體，且貝氏體量也逐漸增多。

圖7 不同均熱溫度下奧氏體化比例和冷卻后各相比例

不同鍍鋅工藝的組織

鋼的組織決定性能，而金相組織就是鋼的組織的最直觀反映。金相組織往往結合性能一起分析才更有意義，而且，結合不同均熱溫度下的相變，會對組織演變的理解更深刻。

試驗發現，在溫度升高的過程中，鋼的強度逐漸減低，這是由于回復和再結晶導致的。均熱溫度從600℃升至640℃的過程中，沒有觀察到再結晶的發生，因此，強度降低的緩慢。當均熱溫度繼續升高，660℃時開始出現再結晶晶粒（圖8）。680℃和700℃的再結晶晶粒趨于明顯，因此強度下降變快，這和圖2中的性能變化是相符的。

圖8 均熱溫度660℃

當均熱溫度繼續升高，720℃時已經發生了少量的馬氏體相變，如圖9中白亮處。由圖可見，馬氏體的形成部位在鐵素體晶界處，但由于加熱溫度低，奧氏體相變量少，因此冷卻后形成的馬氏體量也很少。另外，還可以看到此時的鐵素體并沒有完全再結晶，組織中仍可以看到條狀鐵素體，這和圖2中的性能曲線是對應的。從圖2中可以看到，均熱溫度在700℃以下，隨著均熱溫度的升高，強度是一直下降的（若在某一溫度發生了完全再結晶，那么其強度會隨著均熱溫度的升高而不再降低，變化趨于平緩），當均熱溫度超過了720℃后即進入了雙相鋼階段，強度又隨著均熱溫度的升高而升高，因此沒有觀察到完全再結晶階段。觀察圖9還可以發現，鐵素體組織中有很多白色點狀物，為碳化物。正是由于碳化物的存在，阻止了鐵素體的再結晶，使其再結晶推遲到了雙相鋼階段。

圖9 均熱溫度720℃

當均熱溫度升高到740℃時，組織仍然只有馬氏體和鐵素體，但此時馬氏體量略有增多，且鐵素體形貌已經趨于等軸狀，因此可以認為，此時的鐵素體已經完全再結晶（圖10）。

當均熱溫度在760～800℃時，貝氏體組織開始出現，但因為均熱溫度升高了，導致奧氏體化量也增多，因此馬氏體并未減少。試驗中還可以發現，組織中馬氏體都圍繞在貝氏體周圍。這是由于C原子在奧氏體中的擴散速度比在鐵素體中的擴散速度小得多，因此，在雙相區保溫時，雖然C原子由鐵素體擴散到了奧氏體中，但是在奧氏體中的擴散速度很小，不能長程擴散，因此都集中在奧氏體晶界附近。C原子的含量又對奧氏體的淬透性有很大影響。由于奧氏體晶粒在靠近晶界處的C含量升高，過冷奧氏體的穩定性增強，因此在冷卻過程中轉變成了馬氏體，而其他部位由于穩定性略差，在鍍鋅均衡段轉變成了貝氏體。

圖10 均熱溫度740℃

結論

⑴隨著鍍鋅均熱溫度的升高，DP780的性能表現出明顯的規律性。

⑵DP780的完全再結晶溫度為740℃，且此時已經是雙相組織。

⑶用膨脹儀研究了DP780不同均熱溫度鍍鋅的相變，結果表明，均熱溫度在760℃以下時，發生轉變的組織中只有馬氏體；760～820℃時，發生轉變的組織中有馬氏體和貝氏體；820℃以上時有馬氏體、貝氏體和鐵素體，且各項比例隨著均熱溫度的變化而變化。