780 MPa級冷軋雙相鋼的組織調控與工藝優化

康 濤 陳 斌 趙征志 吳 洪 龔紅根 彭 沖

(1.北京科技大學鋼鐵共性技術協同創新中心, 北京 100083; 2.現代交通金屬材料與加工技術北京實驗室，北京 100083；3.北京科技大學工程技術研究院，北京 100083； 4.新余鋼鐵股份有限公司, 江西 新余 338001)

隨著人們生活水平的不斷提高和環保意識的不斷增強，作為降低汽車油耗的重要指標——汽車輕量化,越來越受到人們的重視。采用高強度鋼板不但可以實現汽車的輕量化，同時還能提高汽車的被動安全性，因此高強度鋼板在汽車上的使用日益增多，尤其是雙相鋼(dual- phase steel, DP)[1]。雙相鋼由鐵素體和馬氏體組成，以相變強化為基礎，具有低屈強比、高的初始加工硬化速率[2- 3]以及良好的強度和延性配合等優點，廣泛應用于汽車的縱梁、保險杠、懸掛系統等零部件，是汽車鋼板的理想材料[4- 6]。

為了提高780 MPa級冷軋雙相鋼產品的合格率和工藝穩定性，本文以某鋼鐵公司冷軋廠現場生產的DP780冷硬卷板為基料，在實驗室進行模擬連續退火試驗，重點研究了退火溫度和過時效溫度對試驗鋼組織和性能的影響，并結合SEM與EBSD等手段研究了組織結構對力學性能的影響機制，為780 MPa級冷軋雙相鋼的工業生產提供指導。

1 試驗材料及方法

試驗材料為DP780熱軋中間坯和冷硬卷板，其化學成分如表1所示。

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

在熱軋中間坯上切取φ4 mm×10 mm短棒，參考YB/T 5127—1993《鋼的臨界點測定方法(膨脹法)》，利用DIL805A膨脹儀測定試驗鋼的相變點，并繪制連續冷卻轉變(CCT)曲線，以指導試驗鋼連續退火工藝的模擬設定。

從1.0 mm厚DP780冷硬卷板的中間部位沿軋向切取220 mm×70 mm的矩形試樣，在CCT- AY- Ⅱ型連續退火模擬機上進行連續退火工藝的模擬。參照實際生產連續退火線并結合臨界點溫度制定熱處理工藝：以2.5 ℃/s速率將試樣分別加熱到760、780、800和820 ℃，保溫165 s后以2.8℃/s緩冷到650 ℃，然后以35 ℃/s快冷到280 ℃進行過時效處理，保溫558.6 s后再以5 ℃/s冷至室溫，研究退火溫度對試驗鋼組織和性能的影響；另外，以2.5 ℃/s將試樣加熱到800 ℃保溫165 s后，先以2.8 ℃/s緩冷到650 ℃，再以35 ℃/s分別快冷到260、280、300、320和340 ℃進行過時效處理，保溫558.6 s后再空冷至室溫，研究過時效溫度對試驗鋼組織和性能的影響。

將模擬退火后的試樣加工成50 mm標距的縱向拉伸試樣，在電子萬能拉伸試驗機上測試力學性能，拉伸速率為2 mm/min。在退火后的鋼板上切取金相試樣，經研磨、拋光后，用2%(體積分數)的硝酸酒精溶液浸蝕，然后在ULTRA 55型場發射掃描電鏡(SEM)上觀察試樣的顯微組織。

2 試驗結果及分析

2.1 CCT曲線

試驗鋼的靜態CCT曲線如圖1所示，可以看出，試驗鋼的Ac1、Ac3和Ms點溫度分別為714、859和378 ℃。由于現場生產條件的限制，厚規格產品的冷速通常低于25℃/s，使得馬氏體的相變驅動力減小， 產品的淬透性降低。但從圖1曲線可以看出，當冷速達到20 ℃/s時，貝氏體區消失，奧氏體直接轉變成馬氏體，說明鋼的淬透性較好[7]，從而保證了厚規格產品的性能穩定性。

圖1 試驗鋼的CCT曲線Fig.1 CCT curves of the tested steel

2.2 退火溫度對組織和性能的影響

圖2為試驗鋼的力學性能隨退火溫度的變化。可以看出，隨著退火溫度的升高，試驗鋼的屈服強度逐漸升高。這是因為隨著退火溫度的升高，具有低位錯密度的臨界區鐵素體的比例不斷減小，導致位錯在鐵素體內的滑移更加困難，故而屈服強度升高。此外，當退火溫度升高到780 ℃時，抗拉強度達到最高值818 MPa，這與鋼中生成的大量淬火馬氏體有關。繼續升高退火溫度，抗拉強度開始降低。雖然臨界奧氏體比例隨著退火溫度的升高進一步增大，但奧氏體的平均碳含量下降，穩定性降低，快冷后生成更多的淬火馬氏體。在隨后長時間過時效過程中，馬氏體發生回火，從而緩解了馬氏體內的應力集中，位錯強化減弱[8]，抗拉強度降低。

從圖2可以看出，試驗鋼的斷后伸長率在退火溫度為780 ℃時最低，僅為19.9%，這與臨界區鐵素體比例的減小和淬火馬氏體比例的增大有關。繼續升高退火溫度，斷后伸長率逐漸升高，雖然臨界區鐵素體的比例仍繼續減小，但此時馬氏體的回火程度對斷后伸長率的影響占主導作用。隨著退火溫度的升高，臨界奧氏體的穩定性降低，試驗鋼的Ms點隨之升高，快冷后生成更多的淬火馬氏體， 這些馬氏體在隨后的過時效過程中充分回火，釋放了鋼中的內應力，故而局部應力集中得到緩解，有效地阻礙了微裂紋的產生，因此試驗鋼的斷后伸長率升高。

圖2 試驗鋼經溫度不同退火、280 ℃過時效處理后的力學性能Fig.2 Mechanical properties of the test steels annealed at different temperatures and then overaged at 280 ℃

經不同溫度退火、280 ℃過時效處理后的試驗鋼的顯微組織如圖3所示，可以看出，760 ℃退火時臨界鐵素體的體積分數約為72%，淬火馬氏體呈島鏈狀分布在鐵素體基體上，組織中幾乎沒有觀察到回火馬氏體。退火溫度升高到780 ℃時，奧氏體體積分數增大，淬火后形成的馬氏體體積分數也增大，故此時抗拉強度升高；繼續升溫到800 ℃時，一方面鋼中鐵素體比例進一步減小,另一方面，組織中生成了回火馬氏體，從而導致抗拉強度降低和斷后伸長率升高。820 ℃退火時，馬氏體的回火更加充分，塊狀馬氏體分解以及碳化物析出，導致試驗鋼的抗拉強度進一步降低。

圖3 試驗鋼經不同溫度退火、280 ℃過時效處理后的掃描電鏡照片Fig.3 SEM micrographs of the test steel annealed at different temperatures and then overaged at 280 ℃

2.3 過時效溫度對組織和性能的影響

過時效可以對雙相鋼中淬硬的馬氏體進行回火處理，降低馬氏體的硬度，改善鋼的綜合力學性能。含碳量較低的雙相鋼在連續退火過程中受過時效溫度的影響規律與機制，前人已有過較多的研究[9]，過時效溫度對鐵素體中固溶碳含量、馬氏體分解程度、位錯密度等都會產生影響。結合現場生產條件，確定過時效溫度的工藝窗口顯得尤為重要。圖4為試驗鋼經800 ℃退火、不同溫度過時效處理后的力學性能。

從圖4可以看出，隨著過時效溫度的升高，試驗鋼的屈服強度逐漸升高。這是因為過時效溫度越高，淬火馬氏體的回火越充分，馬氏體內位錯發生回復，導致位錯密度減小。此外，碳化物在較高的過時效溫度下開始大量析出，釘扎可動位錯，故屈服強度逐漸升高。相反，試驗鋼的抗拉強度隨著過時效溫度的升高逐漸降低，這主要與組織中的回火馬氏體比例有關。過時效溫度越高，馬氏體回火更加充分，導致馬氏體內的碳化物大量析出，正方度減小。此外，相比于淬火馬氏體，回火馬氏體有效地緩解了應力集中，推遲了裂紋的產生與擴展，故抗拉強度降低。過時效溫度為280 ℃時，試驗鋼獲得了良好的強度和塑性組合，其抗拉強度為787 MPa，斷后伸長率高達21.5%，屈強比僅為0.48。

圖4 試驗鋼經800 ℃退火、不同溫度過時效處理后的力學性能Fig.4 Mechanical properties of the test steel annealed at 800 ℃ and then overaged at different temperatures

圖5給出了試驗鋼經不同溫度過時效處理后的掃描電鏡照片。可以看出，260 ℃低溫過時效的回火馬氏體與淬火馬氏體形貌差別不大。這是因為低碳馬氏體在260 ℃過時效時只發生了碳原子的偏聚，晶格畸變程度減弱，內應力有所降低，因此其形貌與淬火馬氏體差別不大。同樣，在280 ℃過時效，由于時效溫度偏低，碳原子的活性不足，擴散速率較低，所以馬氏體分解不明顯或未發生明顯變化。隨著過時效溫度升高到300 ℃，碳原子的擴散速率增大，馬氏體分解更明顯，導致馬氏體軟化， 鋼的抗拉強度下降。320 ℃過時效時，大部分馬氏體已經分解，浮凸的馬氏體邊界變得模糊，出現了較多的顆粒狀與短棒狀組織。340 ℃時效，馬氏體的形態變化更明顯，試驗鋼的抗拉強度降低到了719 MPa。

圖5 試驗鋼經不同溫度過時效處理后的掃描電鏡照片Fig.5 SEM micrographs of the test steel overaged at different temperatures

3 結論

(1)隨著退火溫度的升高，試驗鋼的臨界區鐵素體比例減小，奧氏體比例增大，奧氏體的穩定性降低，故在隨后的快冷段生成更多的淬火馬氏體，相應地，過時效處理后，回火馬氏體的比例也增大。

(2)當退火溫度為800 ℃、過時效溫度為280 ℃時，試驗鋼的力學性能最佳，抗拉強度為787 MPa，屈服強度為378 MPa，斷后伸長率達到21.5%，屈強比僅為0.48。

(3)過時效溫度越高，快冷后生成的淬火馬氏體的回火也越充分，導致過飽和馬氏體的正方度減小，局部內應力得以緩解，從而鋼的抗拉強度顯著降低。在260～280 ℃低溫過時效時，馬氏體分解不明顯，仍呈現出淬火馬氏體形貌；320 ℃過時效時，馬氏體島逐漸分解，浮凸的邊界變得模糊，顆粒狀析出相與非馬氏體組織增多；340 ℃過時效時，組織呈現典型的回火馬氏體形貌，試驗鋼的抗拉強度大幅度降低，僅為719 MPa。