熱處理工藝對高強(qiáng)中錳汽車用鋼成形性能的影響

蘆永發(fā)　董瑞峰　畢曉宏　楊維宇　楊陽　王彥儒

關(guān)鍵詞：第3代汽車用鋼；中錳鋼；兩相區(qū)直接退火；ART退火；微觀組織；強(qiáng)塑積；織構(gòu)；成形性能

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國汽車保有量不斷提高，隨之而來的問題就是環(huán)境污染問題，因此汽車輕量化成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。在汽車行業(yè)內(nèi)，強(qiáng)塑積是衡量汽車用鋼性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前汽車用鋼已經(jīng)從第1代發(fā)展到第3代，第1代汽車用鋼由于其強(qiáng)塑積一般在15 GPa·%左右，不能滿足汽車安全性能的要求；第2代汽車用鋼雖然強(qiáng)塑積可以達(dá)到50 GPa·%以上，但由于其添加了很多合金元素，制造成本較高，生產(chǎn)工藝也較復(fù)雜；第3代汽車用鋼的強(qiáng)塑積在30 GPa·%左右，介于第1代和第2代汽車用鋼之間，安全性能也能夠滿足汽車性能的要求。

對于第3代汽車鋼，目前熱處理工藝主要采用ART（Austenite Reverted Transformation）退火工藝、Q&P（Quenching and Partitioning）工藝、兩相區(qū)直接退火工藝。相對Q&P工藝， 經(jīng)ART工藝處理后，成品鋼板強(qiáng)度較低，但伸長率高，所以二者強(qiáng)塑積相近，由于ART工藝處理后成品鋼板的成形性能較好，故應(yīng)用比較廣泛。兩相區(qū)直接退火工藝與ART退火工藝相類似，但由于兩相區(qū)直接退火沒有淬火工序，可以節(jié)約更多成本，所以也常作為第3代汽車用鋼熱軋或者冷軋后熱處理的方法。當(dāng)前，有學(xué)者對ART工藝和兩相區(qū)直接退火工藝進(jìn)行了研究，如FAN L F等對熱軋0.13%C-5.4%Mn鋼ART退火工藝不同退火溫度進(jìn)行研究以尋求最佳的熱處理工藝，研究得出在930 ℃保溫20 min淬火和675 ℃保溫30 min退火后，試驗(yàn)鋼獲得了最佳的綜合力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度為1 050 MPa， 伸長率為25%，強(qiáng)塑積達(dá)到26.3 GPa·%； ZHOU T P等揭示了冷軋板兩相區(qū)直接退火不同退火溫度下鐵素體回復(fù)再結(jié)晶與奧氏體形核長大之間的關(guān)系，表明鐵素體基體與奧氏體之間有很強(qiáng)的相互作用，退火過程中基體的再結(jié)晶，為奧氏體成核和生長提供了良好的條件，該過程中奧氏體的形成降低了基體再結(jié)晶動力學(xué)，從而延遲了奧氏體晶粒周圍基體的再結(jié)晶過程，但目前很少有學(xué)者對兩種工藝進(jìn)行對比。本文以Al、Si含量較少的第3代中錳汽車用鋼作為研究對象，分別采用ART退火工藝和兩相區(qū)直接退火工藝，獲得鐵素體和奧氏體雙相組織，在保證低成本的同時，獲得較好的性能，使其強(qiáng)度達(dá)到800～1 200 MPa， 強(qiáng)塑積達(dá)到30 GPa·%以上，從而得出最佳的熱處理工藝參數(shù)，并對兩種工藝進(jìn)行對比分析，為其工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼采用50 kg真空中頻感應(yīng)爐冶煉，化學(xué)成分如表1所示。坯料加熱溫度為1 200 ℃，將坯料經(jīng)6道次熱軋成厚度4.5 mm的薄板，開軋溫度為1 170～1 180 ℃，終軋溫度為930 ℃；然后酸洗，將酸洗后的薄板冷軋至1.5 mm厚。

將冷軋后的試驗(yàn)鋼板分別進(jìn)行ART退火和兩相區(qū)直接退火處理，研究不同退火工藝下鋼板組織性能的變化規(guī)律。其中ART退火工藝：試樣在800 ℃保溫5 min后進(jìn)行水淬，然后分別在620、630、640 ℃保溫10 min并空冷至室溫。兩相區(qū)直接退火工藝：試樣分別在620、630、640 ℃保溫10 min并空冷至室溫。同時，對比分析兩種工藝下鋼板組織性能的差異，以揭示造成鋼板性能差異性的本質(zhì)原因。

試驗(yàn)鋼的相變點(diǎn)采用熱膨脹法來確定，利用Origin軟件將原始數(shù)據(jù)繪制出溫度-膨脹量曲線，如圖1所示。在曲線上通過切線法可以得到試驗(yàn)鋼Ac1和Ac3的溫度分別為585 ℃和755 ℃。

采用FEI QUANTA650型場發(fā)射掃描電鏡對試驗(yàn)鋼板微觀組織進(jìn)行觀察，采用4%的硝酸酒精溶液對試樣進(jìn)行腐蝕；利用荷蘭帕納科X Pert PRO MPD型X射線衍射儀對試驗(yàn)鋼中的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量，利用式（1）計(jì)算奧氏體體積分?jǐn)?shù)；利用SHT-4605型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

VA=（1-VC）/[1+G（IM/IA）]（1）

式中：VA為殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)，%；VC為試驗(yàn)鋼中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；IM和IA分別為試驗(yàn)鋼中馬氏體和奧氏體晶面衍射峰的累積強(qiáng)度；G為奧氏體晶面和馬氏體晶面對應(yīng)的強(qiáng)度有關(guān)因數(shù)之比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ART工藝對試驗(yàn)鋼板組織性能的影響

圖2為ART工藝不同退火溫度下試驗(yàn)鋼板的微觀組織照片，可以看出，組織均為奧氏體、新生馬氏體以及鐵素體的混合組織。淬火過程中馬氏體在原始奧氏體晶粒內(nèi)部形核，而且原始奧氏體晶界處還有奧氏體形成；退火過程中，由于C、Mn元素的重新配分，部分馬氏體中C元素變得不再飽和，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，圖2中凸起部分為馬氏體和奧氏體，凹陷部分為鐵素體。退火溫度為620 ℃時，鋼板組織為馬氏體和鐵素體，而且淬火態(tài)的碳化物基本未溶解，如圖2（a）放大處所示，此時奧氏體體積分?jǐn)?shù)為19%左右（圖3（b）），這是由于退火溫度低，C、Mn配分不完全導(dǎo)致的。退火溫度為630 ℃時，碳化物開始溶解，如圖2（b）所示，為奧氏體的形核提供了能量，奧氏體含量明顯增多，此時奧氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20.1%（圖3（b））。退火溫度為640 ℃時，鋼板組織主要為奧氏體和鐵素體，如圖2（c）所示，這是由于退火溫度升高，碳化物基本溶解，為奧氏體的形核提供了充足的能量，但由于溫度的升高，晶粒尺寸也變大，使得奧氏體中C、Mn元素減少，奧氏體變得不穩(wěn)定，在冷卻過程中部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，此時奧氏體體積分?jǐn)?shù)為16.8%（圖3（b））。

圖4為試驗(yàn)鋼板在ART退火工藝不同退火溫度下的力-位移拉伸曲線圖。屈服強(qiáng)度可由公式（2）計(jì)算得出，如表2所示。

σs=σ0+kd-1/2（2）

式中：σs為屈服強(qiáng)度，MPa； σ0為作用在位錯上的摩擦力，MPa； k為常數(shù)，與材料的種類性質(zhì)以及晶粒尺寸有關(guān)；d為平均晶粒直徑，m。

在800 ℃保溫5 min淬火，620 ℃保溫10 min退火后，鋼板屈服強(qiáng)度最大，為800 MPa； 隨著退火溫度的升高，屈服強(qiáng)度逐漸降低，這是因?yàn)榍?qiáng)度與晶粒尺寸息息相關(guān)，隨著退火溫度的升高，晶粒長大，因此屈服強(qiáng)度逐漸降低?？估瓘?qiáng)度隨退火溫度的升高逐漸上升，這是由于隨著退火溫度的升高，一部分不穩(wěn)定奧氏體在冷卻時會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還有試樣在斷裂過程中受到TRIP效應(yīng)的影響，使得抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而逐漸上升。伸長率隨著退火溫度的升高先上升后下降，伸長率受TRIP效應(yīng)影響顯著。TRIP效應(yīng)發(fā)生時不穩(wěn)定的奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使得頸縮延遲產(chǎn)生，奧氏體含量越高，TRIP效應(yīng)持續(xù)的時間就越長，伸長率也就越高。因此，強(qiáng)塑積隨退火溫度的升高先上升后下降。800 ℃保溫5 min淬火，620 ℃保溫10 min退火后，鋼板力學(xué)性能達(dá)到最佳，強(qiáng)塑積為27.5 GPa·%。

2.2 兩相區(qū)直接退火工藝對試驗(yàn)鋼板組織性能的影響

圖5為試驗(yàn)鋼板兩相區(qū)直接退火不同退火溫度下的微觀組織照片。當(dāng)退火溫度為620 ℃時，如圖5（a）所示，凸起的組織為奧氏體，而且有很多白色碳化物析出，如圖中放大的圖片，由XRD分析圖6可知，此時奧氏體體積分?jǐn)?shù)為19.5%。退火溫度升高到630 ℃，如圖5（b）所示，碳化物逐漸溶解，奧氏體含量增加，此時奧氏體含量最高，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到22.3%。當(dāng)退火溫度升高到640 ℃時，如圖5（c）所示，凸起的組織不只有奧氏體，還有部分奧氏體轉(zhuǎn)變成的馬氏體，這是由于溫度升高，晶粒長大，C、Mn元素含量降低導(dǎo)致的，此時奧氏體的體積分?jǐn)?shù)為20.7%。與ART工藝不同的是，兩相區(qū)直接退火后試驗(yàn)鋼板的晶粒尺寸更加細(xì)小，這可能是因?yàn)槔滠堜摪宓奈诲e密度要高于淬火后的位錯密度，從而導(dǎo)致奧氏體的形核位置增加進(jìn)而細(xì)化晶粒。

圖7為試驗(yàn)鋼兩相區(qū)直接退火工藝不同退火溫度下的位移-力拉伸曲線圖。屈服強(qiáng)度同樣通過式（2）計(jì)算得出，如表3所示?？梢钥闯觯弘S著退火溫度升高，試驗(yàn)鋼板屈服強(qiáng)度逐漸降低，這是由于屈服強(qiáng)度主要受晶粒尺寸和位錯的影響，隨著退火溫度的升高，晶粒尺寸逐漸變大而導(dǎo)致；與ART工藝相比，兩相區(qū)直接退火試驗(yàn)鋼板的晶粒更細(xì)小，所以兩相區(qū)直接退火試驗(yàn)鋼板的屈服強(qiáng)度整體要比ART工藝的高。

試驗(yàn)鋼板抗拉強(qiáng)度先降低后升高，這是因?yàn)橥嘶饻囟?20 ℃時存在很多被拉長的鐵素體，使得材料的塑性降低，抗拉強(qiáng)度比630 ℃時要高，而退火溫度為640 ℃時，抗拉強(qiáng)度高的原因是此時組織中不只有奧氏體，還有馬氏體的存在，使抗拉強(qiáng)度升高；與ART 工藝相比，兩相區(qū)直接退火試驗(yàn)鋼板的抗拉強(qiáng)度更高，這是因?yàn)锳RT工藝退火的試驗(yàn)鋼板奧氏體含量少，而且多為穩(wěn)定的板條狀奧氏體，在拉伸過程中只有部分發(fā)生TRIP效應(yīng)，即奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體量少的結(jié)果。試驗(yàn)鋼板伸長率與強(qiáng)塑積的變化規(guī)律相同，都是先升高后降低，這是因?yàn)橥嘶饻囟?30 ℃時奧氏體含量最多，TRIP效應(yīng)也更加明顯，導(dǎo)致頸縮延遲。與ART工藝對比，經(jīng)兩相區(qū)直接退火試驗(yàn)鋼板的伸長率和強(qiáng)塑積都更高一些，因此，可用兩相區(qū)直接退火代替ART工藝，這樣可以節(jié)約更多成本，而且性能還更優(yōu)秀。

2.3 兩種熱處理工藝下力學(xué)性能及成形性能分析

兩種熱處理工藝中最佳的熱處理工藝參數(shù)分別為630 ℃保溫10 min兩相區(qū)直接退火和800 ℃保溫5 min淬火后630 ℃保溫10 min ART退火。r值是衡量材料成形性能的重要參數(shù)，而且r值的大小與織構(gòu)有關(guān)，因此對兩種最佳熱處理工藝下的試驗(yàn)鋼板分別測試其織構(gòu)組成。

通過取向分布函數(shù)（ODF）分析試驗(yàn)鋼板的織構(gòu)種類和密度情況，如圖8所示，可以看出兩種熱處理工藝下試驗(yàn)鋼板均存在{001} ，{112} ，{223}，{111} 和{111} 織構(gòu)，兩相區(qū)直接退火試驗(yàn)鋼板的織構(gòu)密度較大，密度水平最大為2.30。

表4是不同熱處理工藝下試驗(yàn)鋼板不同取向的織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)，從表中可以看出，兩相區(qū)直接退火鋼板的{001}、{112}、{223}、{111}、{111}織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)均高于ART退火鋼板。

通過ResMat-TeTools織構(gòu)分析軟件的計(jì)算，能夠得出兩相區(qū)直接退火（630 ℃保溫10 min）和ART退火（850 ℃保溫5 min淬火后630 ℃保溫10 min退火）工藝下的{111}、{110}和{100}織構(gòu)的含量，如圖9所示。{111}織構(gòu)為有利織構(gòu)，{100}織構(gòu)為不利織構(gòu)，{110}織構(gòu)介于二者之間。大量文獻(xiàn)證明{111}織構(gòu)能夠提高r值。從圖9中看出，冷軋板經(jīng)兩相區(qū)直接退火后，{111}織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)為16.35%，{110}織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)為22.95%。{111}和{110}織構(gòu)含量均比ART退火的含量高，而ART工藝下{100}不利織構(gòu)的含量要比兩相區(qū)直接退火的含量高。由此可見，兩相區(qū)直接退火相比于ART退火，可以使鋼板獲得更優(yōu)異的成形性能。

3 結(jié)論

（1）采用ART退火工藝與兩相區(qū)直接退火工藝，隨著退火溫度的升高，試驗(yàn)鋼板抗拉強(qiáng)度上升，屈服強(qiáng)度下降，殘余奧氏體含量先上升后下降，伸長率、強(qiáng)塑積均先上升后下降。當(dāng)退火時間為10 min時，兩種工藝的最佳退火溫度均為630 ℃，強(qiáng)塑積分別為27.5 GPa·%和30.3 GPa·%。

（2）相比于ART退火工藝，經(jīng)兩相區(qū)直接退火后，試驗(yàn)鋼板中有利織構(gòu){111}含量高，不利織構(gòu){100}含量低，具有更好的成形性能。

本文摘自《軋鋼》2023年第5期