冷軋雙相鋼的烘烤硬化性能

曹彥朋，李維娟，聶麗麗，王麗萍，廖華軍

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，鞍山 114051）

0 引 言

安全與能耗成為目前世界各國汽車工業(yè)面臨的主要問題，高強度汽車用鋼的使用對減輕車身質(zhì)量、降低能耗具有重要作用。雙相鋼具有低的屈強比、高的初始加工硬化速率、良好的強度和延性配合等特點，已成為一種新型汽車用高強度沖壓鋼［1］。

雙相鋼和烘烤硬化鋼一樣，也具有烘烤硬化特性，但以往通常不作為其必要的特性指標(biāo)。近年來，汽車制造業(yè)對雙相鋼的烘烤硬化性能也提出了明確的要求，如通用汽車公司在材料標(biāo)準(zhǔn)中，就明確要求冷軋雙相鋼的烘烤硬化值（BH值）應(yīng)不小于30MPa［2］。目前，對于雙相鋼烘烤硬化性能的研究并不多。Knoieczny［3］等認(rèn)為DP590雙相鋼的BH值與預(yù)變形量無關(guān)，但是并未做出機理分析。朱曉東［4］等的研究指出，預(yù)變形前雙相鋼板的BH值較小，而經(jīng)2%預(yù)變形后其BH值大大提高，但是對其它預(yù)變形量條件下的BH值并沒有研究。張繼誠［5］等在研究相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼烘烤硬化機理時，采用了含馬氏體為40%（體積分?jǐn)?shù)）的雙相鋼作為對照，發(fā)現(xiàn)雙相鋼的BH值隨預(yù)變形量的增大而減小。Waterschoot［6］等認(rèn)為雙相鋼的BH值隨烘烤時間的延長而增大。國內(nèi)關(guān)于烘烤工藝對冷軋雙相鋼烘烤硬化性能影響的研究鮮有報道。通常汽車板經(jīng)烘烤后，需要在室溫長期放置后才使用，因此，研究汽車板烘烤硬化性能在放置后是否容易失效，也具有一定的實際意義。為此，作者以冷軋雙相鋼板為對象，研究了預(yù)變形量、烘烤時間和室溫時效處理對其烘烤硬化性能的影響，分析了這些因素對冷軋雙相鋼板烘烤硬化性能的影響機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗鋼為冷軋雙相鋼，化學(xué)成分見表1，熱處理狀態(tài)為退火態(tài)，顯微組織由鐵素體、馬氏體和微量殘余奧氏體組成。馬氏體的體積分?jǐn)?shù)為16%，鐵素體平均晶粒尺寸為30μm。

表1 冷軋雙相鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of cold-rolled dual-phase steel（mass） %

預(yù)變形和力學(xué)性能的測試采用MTS 810型拉伸試驗機進行，拉伸速度為5mm·min－1。烘烤在101-1型烘烤箱完成。對試樣分別施加1%，2%，5%，7%，10%，15%，20%的預(yù)變形后，在170 ℃下烘烤20min；另對預(yù)變形量為2%的試樣，在170℃的溫度下分別烘烤10，50，100，500，1 000，5 000，10 000min；另將預(yù)變形量為2%，5%，10%的試樣烘烤硬化后在室溫下放置3個月時間。分別對以上三種試驗條件下試驗鋼的BH值進行測定。

BH值的定義參考SEW094進行了修改：

（1）不同預(yù)變形量下試樣的BH值用Rel－Rpx表示（Rel為試樣經(jīng)一定量預(yù)變形，并170℃烘烤20min后的屈服強度；Rpx為預(yù)變形時的流變應(yīng)力）。

（2）不同烘烤時間下試樣的BH值用Rel－RP0.2表示（Rel為試樣經(jīng)2%預(yù)變形，并170℃烘烤一定時間后的屈服強度；RP0.2為2%預(yù)變形時對應(yīng)的流變應(yīng)力）。

（3）室溫時效不同時間后BH值用Rel－Rpx表示（Rel為試樣經(jīng)一定量預(yù)變形，并170℃烘烤20min后，于室溫下放置3個月的屈服強度，Rpx經(jīng)相同預(yù)變形時烘烤后放置一定時間的屈服強度）。

將打磨至厚0.03mm以下的試樣薄片沖減為φ3mm的小圓片，放進雙噴拋光儀上進行電解拋光，腐蝕液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的鹽酸酒精溶液。采用JEM-2100型透射電子顯微鏡（TEM）觀察試樣的顯微組織和位錯形貌。

采用扭擺內(nèi)耗儀對預(yù)變形量為2%，10%，在170℃烘烤20min試樣進行內(nèi)耗測定，以探究雙相鋼的烘烤硬化機理。

通過此次深入農(nóng)戶實地走訪調(diào)研，了解了溝張村農(nóng)戶小額信貸的使用情況，小額信貸對農(nóng)戶起著重要的作用，它能夠有效解決農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展的資金困難。但農(nóng)村信貸同時也存在一些問題，面對這些問題，應(yīng)從以下幾個方面解決。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 預(yù)變形量對烘烤硬化性能的影響

由圖1可以看出，隨著預(yù)變形量的增大，BH值不斷增大。當(dāng)預(yù)變形量為2%時，BH值達到了45MPa，說明試驗鋼具有良好的烘烤硬化性能。

圖1 預(yù)變形量對試驗鋼BH值的影響Fig.1 Effect of pre-deformation degree on BH value of test steel

從圖2～4可以看出，2%預(yù)變形條件下的位錯密度比10%預(yù)變形條件下試樣的位錯密度小，并且位錯呈網(wǎng)狀，不同預(yù)變形量下的晶界都比較平直。室溫下，晶界對位錯滑移具有阻礙效應(yīng)，只有載荷足夠大時才可以使位錯通過晶界繼續(xù)滑移，甚至穿過晶界。晶界對材料起到強化效應(yīng)。

圖2 不同預(yù)變量下試樣的位錯形貌Fig.2 Dislocation morphology in samples with different pre-deformation degrees

由圖5可以看出，預(yù)變形量為2%和10%試樣的內(nèi)耗隨著測試溫度的升高先升后降，都出現(xiàn)了很明顯的峰值，說明烘烤后有柯氏氣團形成；預(yù)變形量為10%試樣的內(nèi)耗峰值比預(yù)變形量為2%試樣的高很多，說明前者試樣內(nèi)部碳原子與位錯交互作用比后者的強很多，柯氏氣團的密度比也大。

由前文可知，預(yù)變形量為10%時試樣的位錯密度比預(yù)變形量為2%時的大，而位錯密度大，形成的柯氏氣團密度也大，這對BH值的貢獻大，所以經(jīng)相同的工藝烘烤后，預(yù)變形量大的試樣其內(nèi)耗峰值高。雙相鋼的烘烤硬化性能主要受柯氏氣團的形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解、碳化物析出的影響［6－7］。其中柯氏氣團的影響最大，烘烤時，鋼中固溶的間隙碳原子在獲得能量后將會向自由位錯處擴散，并釘扎位錯，形成柯氏氣團。其密度主要受鐵素體和馬氏體中間隙碳原子、晶界上的碳原子和位錯密度的影響。根據(jù)柯氏模型［7］，在柯氏氣團形成前期，BH值隨著柯氏氣團密度的增加呈線性增大，而后增大速度逐漸變慢，最終保持一定值，即柯氏氣團密度達到飽和時，BH值達到最大。因此，在一定范圍內(nèi)，間隙碳原子、晶界上的碳原子越多，位錯密度越大，則柯氏氣團密度越大，BH值越大。

圖3 預(yù)變形量為2%，170℃烘烤20min后試樣不同位置的位錯形貌Fig.3 Dislocation morphology in different locations of the samples with pre-deformation degree of 2%after baking at 170℃for 20min：（a）location 1；（b）location 2；（c）location 3and（d）location 4

圖4 預(yù)變形量為10%，170℃烘烤20min后試樣不同位置的位錯形貌Fig.4 Dislocation morphology in different locations of the samples with pre-deformation degree of 10%after baking at 170℃for 20min：（a）location 1；（b）location 2；（c）location 3and（d）location 4

圖5 不同預(yù)變形量下170℃烘烤20min后試樣的溫度－內(nèi)耗曲線Fig.5 Curves of internal friction vs temperature for samples with pre-deformation degree of 2% （a）and 10%（b）after baking at 170 ℃for 20min

由圖3和圖4可見，經(jīng)2%和10%預(yù)變形，170℃烘烤20min后試樣中的晶界都比較平直，說明其晶界強化作用大致相當(dāng)。雙相鋼在170℃烘烤時，會發(fā)生以下變化。（1）鐵素體中會有碳化物析出，馬氏體會發(fā)生低溫回火，如圖4（c）所示。馬氏體在低溫回火時，碳原子重新分配并向位錯和晶界聚集，馬氏體中的碳化物轉(zhuǎn)化成ε和η等碳化物，這些析出碳化物會起到沉淀強化的作用，使得屈服強度升高。（2）殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，如圖3（c）所示?；鼗瘃R氏體的強度比奧氏體的高，因此，殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變也使得其屈服強度升高。

綜上所述，預(yù)變形量在20%以下時，由于柯氏氣團形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解和碳化物析出共同作用，使得隨著預(yù)變形量的增大，BH值不斷增大，位錯密度升高。BH值隨預(yù)變形量的增大而持續(xù)增大的原因，是由于在試驗條件下，柯氏氣團的密度未達到最大值。

2.2 烘烤時間對烘烤硬化性能的影響

由圖6可知，隨烘烤時間的延長，BH值不斷延長。當(dāng)烘烤時間為10 000min時，BH值達到了82MPa。

圖6 烘烤時間對BH值的影響Fig.6 Effect of baking time on BH value

從圖7，8可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)變形量為2%，烘烤溫度為170℃條件下，隨烘烤時間的延長試樣的位錯密度逐漸減小，位錯呈網(wǎng)狀；在烘烤過程中鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體中會析出碳化物。

圖7 預(yù)變形量為2%，170℃下烘烤不同時間后試樣的位錯形貌Fig.7 Dislocation morphology in the samples with pre-deformation degree of 2%after baking for different times at 170 ℃

圖8 預(yù)變形量為2%，170℃烘烤100min后試樣的位錯形貌Fig.8 Dislocation morphology in different locations of samples with pre-deformation degree of 2%after baking for 100min at 170 ℃

從圖9可以看出，隨著測試溫度的升高，烘烤10，100min后試樣的溫度－內(nèi)耗曲線都出現(xiàn)了明顯的峰值，說明烘烤后有柯氏氣團形成；比較兩試樣的峰可以看出，烘烤100min的峰值較高，說明烘烤100min試樣的內(nèi)部碳原子與位錯交互作用比烘烤10min試樣的強，試樣內(nèi)部的氣團密度較大，即隨烘烤時間的延長，柯氏氣團密度增大。

圖9 預(yù)變形量為2%時170℃烘烤不同時間后試樣的溫度－內(nèi)耗曲線Fig.9 Curves of internal friction vs temperature for samples with pre-deformation degree of 2%after baking at 170 ℃for 10min（a）and 100min（b）

綜上所述，隨烘烤時間延長，柯氏氣團密度不斷增大。這是由于烘烤時，部分正負(fù)位錯會相互抵消，隨烘烤時間的延長，相互抵消的位錯越多，但間隙碳原子對位錯的釘扎也越充分，當(dāng)柯氏氣團未達到飽和時，柯氏氣團的密度會越來越大。同時，烘烤時間越長，馬氏體低溫回火越充分，內(nèi)應(yīng)力釋放得越充分，使得自由位錯增多，這可以彌補部分相互抵消的正負(fù)位錯；烘烤時間越長，殘余奧氏體向回火馬氏體的轉(zhuǎn)變越充分，回火馬氏體的含量越多，屈服強度越高；烘烤時間越長，鐵素體和馬氏體中析出的碳化物增多，沉淀強化作用增強，屈服強度升高。在這些影響因素的共同作用下，使得BH值隨烘烤時間的延長不斷增大。

2.3 室溫時效處理對烘烤硬化性能的影響

由表2可知，預(yù)變形量為2%，5%和10%的試樣，在170℃烘烤20min，并于室溫放置3個月后，其BH值的變化規(guī)律不明顯，有的增大，有的減小，最大變化值為7MPa。

表2 室溫時效對試驗鋼BH值的影響Tab.2 Effect of aging at room temperature on BH value of test steel MPa

文獻［8］中用時效指數(shù)來反映薄板的時效傾向，它表示預(yù)變形下的流變應(yīng)力與室溫長期放置后屈服應(yīng)力的差值。時效指數(shù)越大，時效傾向越明顯。時效指數(shù)小于30MPa時，薄板3個月不失效。參照文獻［8］的定義，可認(rèn)為試驗鋼3個月內(nèi)不失效。

室溫時效后，BH值變化不大，這是由于柯氏氣團中的碳原子對位錯的釘扎作用比較強烈，未達到使碳原子和位錯分離的動力學(xué)條件。同時，間隙碳原子也未獲得足夠的能量向自由位錯處擴散，形成新的柯氏氣團；烘烤后的組織在室溫下較穩(wěn)定，沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)變量很少，使得屈服強度變化不大。

3 結(jié) 論

（1）隨著預(yù)變形量的增大和烘烤時間的延長，試驗鋼的BH值不斷增大；當(dāng)預(yù)變形量為2%時，試驗鋼的BH值為45MPa，已具有良好的烘烤硬化性能。

（2）試驗鋼的烘烤硬化性能比較穩(wěn)定，不易失效。

（3）試驗鋼的烘烤硬化機理主要是與柯氏氣團形成、馬氏體回火、殘余奧氏體分解和碳化物析出共同作用的結(jié)果。

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