Nb 對鍍鋅590DP 雙相鋼成形性能的影響

張 茜 劉淑影 王玉慧

（唐山鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

近年來，霧霾天氣使得人們越來越關注我們賴以生存的環(huán)境。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，中國已經成為世界上最大的汽車產銷國，相關數據統(tǒng)計顯示：截止到2020 年底，中國汽車保有量達到2.81 億，帶給環(huán)境的壓力，使得節(jié)能減排迫在眉睫，輕量化工作迫在眉睫[1]。

為達到“減重節(jié)能、減少排放”和提高汽車碰撞安全性的目的，汽車工業(yè)必須使用大量的雙相鋼以減薄所用鋼板的厚度，鋼板減薄后對材料的耐蝕性提出了更高的要求[2]，鍍鋅雙相鋼屬于先進高強鋼系列，兼具雙相鋼的強塑性和良好的耐蝕性，是極具潛力的汽車用鋼之一。590 MPa 級雙相鋼兼具高強度和良好的塑性，在車身上有較好的應用前景。很多材料供應商為滿足不同零件的成形需求，開發(fā)了不同成分體系、不同使用要求的590 MPa 級雙相鋼，因此，掌握其成形特性，在零件設計選材輕量化應用中具有較大的參考價值。

筆者以C-Mn-Cr 系鍍鋅590DP 為基準，研究添加少量Nb 元素后，其顯微組織、基礎力學性能、擴孔性能、成形極限性能以及在局部/整體成形分布圖中的位置等方面的變化，為后續(xù)其在零部件上的應用提供了可靠的技術參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為唐鋼高強汽車板公司生產的C-Mn-Cr 系和C-Mn-Cr-Nb 系（下文簡稱Nb 系）的鍍鋅雙相鋼，其厚度均為1.2 mm，化學成分見表1，采用金相顯微鏡和ZEISS 掃描電鏡進行組織觀察。

表1 雙相鋼的化學成分 %

1.2 試驗方法

（1）拉伸試驗。根據GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》[3]，在ZWICK 拉伸試驗機進行拉伸性測試，拉伸試樣標距為80 mm，取0°、90°兩個方向的力學性能進行測試，每個方向進行3 次重復試驗。

（2）擴孔試驗。根據GB/T 15825.4—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法 第4 部分：擴孔試驗》[4]，在BCS-50A 通用板材成形性能試驗機上進行沖孔、擴孔率的測試。

（3）成形極限試驗。根據GB/T 15825.8—2008《金屬薄板成形性能與試驗方法 第8 部分：成形極限圖（FLD）測定指南》[5]，采用光學應變分析技術，在BCS-50A 通用板材成形性能試驗機上進行成形極限曲線FLC 測定，采用2.5 mm×2.5 mm 的正方形網格，選取距開裂位置最近的完整網格應變作為試樣的極限應變點。

（4）局部/整體成形性評價圖構建。引入真實斷裂應變和真實均勻應變，構建成形性分類和評級系統(tǒng)，獲取兩種材料在局部/整體成形性評價圖中的分布位置[6]。

具體方法：根據ASTM E8 標準對橫向試樣進行拉伸，基于斷裂試樣的斷面測量獲取真實斷裂應變，基于拉伸試樣的均勻延伸率獲取真實均勻應變。

真實斷裂應變TFS（True Fracture Strain），等效于無限小長度標距上的真實斷裂應變，其表達式為：

式中：q——斷面收縮率，%；e0——一個基于無限小長度標距上的斷裂工程應變值；A0——試樣斷裂前的橫截面面積，mm2；Af——試樣斷裂后的橫截面面積，mm2。

真實均勻應變 （True uniform strain）:

式中：UE——通過拉伸曲線測量得到的均勻延伸率。

圖1 局部/整體成形性評價

3 試驗結果

3.1 顯微組織

兩種不同成分體系雙相鋼的組織如圖2 所示。

從圖2 可以看出，兩種材料主要由鐵素體和馬氏體組成，馬氏體呈島狀分布在鐵素體周圍，添加0.025%的Nb 后，組織中的馬氏體含量由8%增加到13%，鐵素體的平均晶粒尺寸由9 μm 減小到6 μm，且小尺寸晶粒占比較多，鐵素體晶界析出的碳化物減少，組織更純凈。

圖2 雙相鋼的組織

3.2 基礎力學性能

兩種成分體系雙相鋼的基礎力學性能見表2，應力應變曲線如圖3 所示。

表2 雙相鋼的力學性能

從圖3 可以看出，兩種成分體系的雙相鋼的強度、延伸率、加工硬化指數基本相同，其中屈服強度在382～393 MPa 之間，橫縱向基本一樣，不存在各向異性，抗拉強度在616～641MPa 之間，其中90°方向強度略高，均勻塑性延伸率Ag在15%～16%之間，總延伸率A80在23.5%～24.3%之間，加工硬化指數n10-15在0.153～0.165 之間。Nb系的屈強比為0.623，C-Mn-Cr 系的屈強比為0.605，較Nb 系略低。

圖3 雙相鋼的應力應變曲線

3.3 擴孔性能

兩種成分體系的雙相鋼材料，每種取4 塊120 mm×120 mm 樣片進行沖孔后錐頭擴孔率測試，以孔緣處產生第一條貫穿裂紋時的孔徑進行測量，材料的擴孔率采用公式計算：

式中：D0——沖制圓孔直徑，mm；Dh為孔緣開裂時的直徑，mm。

開裂時孔緣狀態(tài)如圖4 所示，兩種材料的擴孔率結果見表3。

表3 不同成分體系雙相鋼的擴孔率

圖4 開裂時的孔緣狀態(tài)

結果顯示：C-Mn-Cr 成分體系的平均擴孔率為40.8%，Nb 系平均擴孔率為52.5%，添加0.025%的Nb 后，材料擴孔率提高了28.7%。

3.4 成形極限性能

采用不同寬度尺寸試樣對兩種成分體系雙相鋼進行脹形試驗，試驗樣片如圖5 所示。獲取距離開裂位置最近的完整網格的極限應變，得到兩種材料的FLC 曲線，如圖6 所示，其平面應變值及FLD0值見表4。C-Mn-Cr 系鍍鋅雙相鋼的平面應變值為0.236，F(xiàn)LD0值為0.186，添加0.025%的Nb 后，平面應變值為0.231，F(xiàn)LD0值為0.183，基本沒發(fā)生變化。

圖5 脹形試驗樣片

圖6 兩種成分體系雙相鋼的FLC 曲線

表4 兩種不同成分體系材料的極限應變

3.5 局部/整體成形性評價圖

參照ASTM E8 標準將試樣進行單向拉伸，試樣尺寸如圖7 所示。通過拉伸均勻延伸率獲取其真實均勻應變，通過對拉斷試樣斷面尺寸測量，如圖8 所示。獲取真實斷裂應變，進而得到局部/整體應變比和成形性指數，見表5。C-Mn-Cr 系和Nb系兩種雙相鋼在局部/整體成形性分布圖中的位置如圖9 所示，C-Mn-Cr 系的真實斷裂應變TFS 為0.93，真實均勻應變εu為0.14，局部/整體應變比為6.62，成形性指數F.I.為0.361，添加0.025%的Nb 后，真實斷裂應變?yōu)?.121 5，提高了20.6%，真實均勻應變εu為0.1515，提高了8%，局部/整體應變比為7.43，提高了12.23%，成形性指數F.I.為0.413，提高了14.4%，兩者在成形性評級系統(tǒng)中均處于“very good”等級，在成形性分類系統(tǒng)中均處于“Balanced/Global formability”，但Nb 系的局部/整體成形性均較C-Mn-Cr 系略優(yōu)，局部成形性優(yōu)勢更明顯。

圖7 ASTM E8 標準試樣尺寸

圖8 拉斷試樣斷面尺寸測量

表5 兩種成分體系雙相鋼局部/整體成形性相關參數

圖9 兩種不同成分雙相鋼在成形性分布圖中的位置

4 討論

雙相鋼主要由鐵素體和馬氏體兩相組成，馬氏體相變會對鐵素體產生一定應力，使鐵素體內產生一定量的可動位錯，材料在變形初期，位錯密度不斷增加，隨著變形的增加，使位錯密度達到一定程度，繼續(xù)變形會造成位錯的纏繞和抵消[7]，所以材料在變形過程中，其瞬時n 值會呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，如圖10 所示。在C-Mn-Cr系鍍鋅590 MPa 級雙相鋼中添加少量Nb 后，鐵素體晶粒變小，晶界增加，材料發(fā)生塑性變形，位錯在較短距離內會遇到較大阻力，所以在變形初期，Nb 系的瞬時n 值變化速率較快。

圖10 雙相鋼的瞬時n 值

根據Ludwik 方程，兩邊求導然后取對數，得到材料的C-J曲線，如圖11所示。Ludwik 方程和C-J方程：

從圖10 可以看出，雙相鋼的變形大致分為兩段，這是雙相鋼的雙屈服現(xiàn)象[8]，主要是由馬氏體的變形引起的，在低應變時，變形主要發(fā)生在鐵素體，隨著應變的增加，馬氏體開始發(fā)生塑性變形，當一定量的馬氏體發(fā)生變形時，雙相鋼表現(xiàn)為二次屈服現(xiàn)象[8]，此時雙相鋼的應變硬化能力開始下降。從圖11 可以看出，Nb 系的雙屈服現(xiàn)象更為明顯，在變形初期，Nb 系的 ln（d/d）較低，即應變硬化速率dσ/dε 較低，瞬時n 值較低，這是因為Nb 系鍍鋅雙相鋼中鐵馬兩相組織協(xié)調變形能力好，受到外力發(fā)生變形后，迅速將應力分散，使其保持在相對較低的應變硬化速率下，使鐵素體不斷強化，逐步與馬氏體實現(xiàn)等應變量變形。

圖11 雙相鋼的C-J 曲線

此外，C-Mn-Cr 系和Nb 系兩種材料單向拉伸時的強度相當，但Nb 系的組織更為細小，也可以說明Nb 系鍍鋅雙相鋼中鐵素體和馬氏體兩相的相強度差較小，這與C-J 曲線中Nb 系的應變硬化速率dσ/dε 較低，雙屈服現(xiàn)象更為明顯的結果也是匹配的，也正是由于Nb 系中鐵素體和馬氏體兩相的強度差較小，組織協(xié)調變形能力較好，在擴孔、拉彎、缺口拉伸等以局部變形為主的成形過程中，優(yōu)勢更為明顯，這也與試驗測量的Nb 系的擴孔率更高，在局部/整體成形性分布圖中局部成形性更優(yōu)的結果是一致的。

5 結論

（1）在C-Mn-Cr 系鍍鋅590DP 基礎上增加0.025% 的Nb 后，馬氏體含量增加，小尺寸鐵素體晶粒增加，組織中鐵馬兩相協(xié)同變性能力增加，單向拉伸后強度變化不大，雙屈服現(xiàn)象更加明顯。

（2）添加0.025%的Nb 后，單向拉伸中的均勻延伸率、成形極限性能等以整體變形為主的全局成形性基本不變。

（3）添加0.025%的Nb 后，擴孔性能提高了28.7%，真實斷裂應變TFS 提高了20.6%，局部成形性明顯提高。