退火時間對1000 MPa級冷軋雙相鋼組織及力學性能的影響

王衛遠，楊少華，施劉健

(馬鋼股份公司制造部 安徽馬鞍山 243003)

1 概述

雙相鋼(Dual Phase Steel，簡稱DP鋼)是指主要由鐵素體和馬氏體相構成的先進高強鋼，主要應用于汽車行業。近年來，國內針對退火時間對雙相鋼組織、性能影響的研究越來越多。牛楓等[1]研究了退火溫度、退火時間和過時效溫度對雙相鋼鋼組織、力學性能的影響，發現隨著退火時間的延長，雙相鋼強度先下降后上升，屈強比不變，鐵素體晶粒長大，馬氏體增多。陳繼林等[2]研究了冷軋雙相鋼的組織再結晶演變規律，發現保溫時間一定情況下，隨著退火溫度的逐漸升高，鐵素體的組織形態由纖維條帶狀逐漸變成多邊形等軸狀，且有少量點狀滲碳體和碳化物的分布。田超等[3]研究不同保溫時間對鋼板的金相組織、拉伸性能的影響，結果表明增加保溫時間有利于消除帶狀組織，790 ℃退火60 s為700 MPa雙相鋼的最佳工藝條件。本文通過在790 ℃分別退火保溫30 s、60 s、120 s以及300 s，研究不同的兩相區退火時間對組織及力學性能影響。

2 試驗

2.1 試驗材料

本文試驗材料為1000 MPa級雙相鋼冷軋中間品，化學成分見表1。

2.2 試驗方法

在冷軋板上切取尺寸為250 mm×450 mm的矩形試樣作為模擬退火樣板(其中250 mm為軋向)，利用MULTIPAS多功能退火模擬器對試驗鋼板進行連續退火模擬。主要試驗方法為：將試樣以10 ℃/s加熱的速度升至兩相區溫度790 ℃，并保溫一段時間后(兩相區保溫時間分別取30 s、60 s、120 s以及300 s)以5 ℃/s 緩冷至690 ℃，再以25 ℃/s 的冷速快冷至290 ℃并保溫240 s，最后以20 ℃/s的冷速冷卻至室溫，見圖1。

2.3 試驗設備及測試儀器

沿試驗鋼板軋制方向(0°方向)截取試樣，通過FEI QUANTA 600場發射掃描電子顯微鏡下進行組織觀察。在JEOL JXA-8530F型場發射電子探針顯微分析儀上進行高倍觀察及元素分析(EPMA)。沿試驗鋼板90°方向取樣，通過Zwick/roell 050拉伸試驗機檢測力學性能。

3 結果與分析

3.1 兩相區退火時間對試驗鋼組織結構的影響

圖2(a)～(f)是不同退火時間的試驗鋼的顯微組織圖。可以看出，不同退火時間后的組織基本都是多邊形鐵素體和馬氏體。試驗鋼中鐵素體組織在保溫30s時就已經基本完成了再結晶，見圖2(a)。而奧氏體則才開始長大，直到保溫120s時開始逐漸改變原來的長大方向，沿鐵素體晶界邊緣均勻性長大。

圖1 試驗方法

為了初步分析碳、錳元素在試驗鋼馬氏體及鐵素體組織中的分布，對不同退火保溫時間30 s和120 s工藝條件下的試樣在8000倍下進行面掃，結果見圖3和4。其中電子圖像亮白條為富碳相。由圖3(b)可以分析出，在此工藝條件下，碳元素在奧氏體中充分富集。碳元素在兩相區退火時從鐵素體中向奧氏體富集。保溫30 s時，錳元素有一定的富集，但是保溫時間較短，置換型錳原子的擴散不明顯。

圖2 不同退火時間的試驗鋼的掃描顯微組織

對比圖3(b)和圖4(b)，在保溫120 s的工藝條件下，出現了亮黃色部分，說明碳進一步富集了。同時隨著保溫時間的延長，錳元素在兩相組織中的化學勢發生變化，從鐵素體向奧氏體中擴散的錳元素含量增加，但變化量也不大。錳元素在奧氏體中起到穩定奧氏體并且阻礙奧氏體長大的作用，有利于提高試驗鋼的性能[4]。

圖3 保溫30 s工藝條件下試樣中C和Mn元素的分布

3.2 兩相區退火時間對試驗鋼性能的影響

兩相區退火時間通過影響奧氏體晶粒的生長及其淬透性等因素來影響鋼的力學性能。不同兩相區退火保溫時間下試驗鋼的工程應力-應變曲線見圖5(a)，各力學性能具體數值見表2。從圖5可以看出，不同退火時間連續退火試樣的應力-應變曲線呈現連續屈服行為，以殘余塑性應變0.2%時的強度為屈服強度。

結合表2和圖5(b)、(c)可以看出，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度都隨兩相區保溫時間的延長而先增大后減少，都在120 s保溫時間時達到最大，分別為592.7 MPa和1097.3 MPa；斷裂延伸率隨著退火的時間先減少后增加之后趨于穩定，最高能達到13.2%，而屈強比隨兩相區保溫時間的延長而逐漸上升。

圖4 保溫120 s工藝條件下試樣中C和Mn元素的分布

抗拉強度先升高后減少是由于隨兩相區退火保溫時間的延長形成的奧氏體數量增多，進而導致在冷卻過程中形成硬相馬氏體的體積分數增大，隨著時間進一步延長，馬氏體體積分數基本不再變化，但馬氏體島狀尺寸逐漸增大，導致強度降低。試驗鋼屈服強度也先升高后降低，升高主要有兩個原因，一是隨退火時間的延長，鐵素體含量減少，組織中總的可動位錯減少，變形時屈服不容易發生，進而屈強比也隨之逐漸增大；二是與帶狀組織有關：當出現帶狀組織時，鐵素體在變形過程中受到硬相馬氏體的阻礙小，屈服相應低；而當帶狀組織消失后，則鐵素體變形時受到阻礙增大，從而導致材料屈服強度升高。當退火保溫時間延長至300s時，晶粒會有所粗化，導致其屈服強度降低[5]。

圖5 不同兩相區退火保溫時間下的性能曲線

表2 不同兩相區保溫時間下試驗鋼各力學性能的具體值

試驗鋼的延伸率從30 s到60 s大幅降低，主要是因為隨退火保溫時間的延長，奧氏體迅速的長大，鐵素體含量減少。試驗鋼延伸率從60 s到120 s明顯提高，主要由于帶狀組織的影響。因為在拉伸的整個過程中，鐵素體會優先在馬氏體存在較少的部位發生變形。所有延伸率會在帶狀組織出現到消失整個過程中呈現先下降后上升的趨勢。而試驗鋼延伸率從120 s到300 s有所降低主要是由于馬氏體內部碳含量增加導致馬氏體和鐵素體兩相之間的變形不協調性更加明顯而引起的。

從性能表現上看可知保溫300 s時，可獲得抗拉強度1080.8 MPa，均勻延伸率達到9.6%，斷裂延伸率為13.2%，強塑積達到14.27GPa%，綜合力學性能最佳。

4 結語

研究了連續退火工藝中兩相區退火保溫時間對冷軋試驗鋼組織結構及力學性能的影響，并通過對比選擇最佳的連續退火工藝，具體結論如下：

兩相區保溫時間主要通過影響碳原子的分布狀態和馬氏體的形貌特征來影響試驗鋼的組織性能。

保溫120 s或300 s都可得到良好綜合力學性能的試驗鋼，強塑積最佳能達到14.27GPa%。

考慮到工業生產效率，退火時間以120 s左右為宜。