高強(qiáng)汽車板DP780鍍鋅過程中的組織轉(zhuǎn)變及相變

文／耿志宇，宋海武，郭健，魏煥君·河鋼股份有限公司唐山分公司

如今汽車的產(chǎn)銷量越來越大，中國(guó)已經(jīng)是世界第一大汽車市場(chǎng)。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，汽車的排放要求越來越嚴(yán)格，于是就要求汽車減重以進(jìn)一步降低排放。高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼的使用對(duì)汽車減重有著明顯的效果，因此使用越來越廣泛。其中雙相高強(qiáng)鋼具有低屈強(qiáng)比、高初始加工硬化率、強(qiáng)度和塑性配合良好的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為汽車用鋼的主流。雙相鋼主要通過連續(xù)退火和鍍鋅線生產(chǎn)，其中鍍鋅線的產(chǎn)品耐蝕性要好于連退線。對(duì)于鍍鋅線生產(chǎn)來說，其均熱溫度（或叫退火溫度）是影響鍍鋅后雙相鋼的組織與性能的最重要因素，因此，本文主要研究了鍍鋅工藝中的均熱溫度對(duì)DP780的組織、性能和相組成的影響。

本試驗(yàn)采用冷軋板，成分如表1所示。

試樣的尺寸為240mm×30mm，使用Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，分別進(jìn)行不同均熱溫度的鍍鋅工藝模擬。模擬結(jié)束后試樣用線切割加工成拉伸試樣，使用Zwick Z100拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的力學(xué)性能，使用金相顯微鏡和蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的金相組織。在進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)的同時(shí)，使用膨脹儀檢測(cè)試樣的相變。

鍍鋅均熱溫度對(duì)DP780性能的影響

試驗(yàn)采用的鍍鋅工藝如圖1所示。由圖可見，高強(qiáng)汽車板的鍍鋅工藝可以分為：預(yù)熱段、加熱1段、加熱2段、均熱段、緩冷段、快冷段、均衡段、后冷卻段。本次試驗(yàn)改變均熱段的均熱溫度，變化范圍為600～860℃。

表1 試樣的化學(xué)成分

圖1 鍍鋅工藝

熱模擬試驗(yàn)完成后檢測(cè)其力學(xué)性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同均熱溫度下的性能

隨著均熱溫度的升高，DP780的性能變化有著很強(qiáng)的規(guī)律性。可以將均熱溫度對(duì)性能的影響分為三個(gè)階段：⑴600～660℃，隨著均熱溫度的升高，鋼的強(qiáng)度緩慢降低，伸長(zhǎng)率（A50）不變，且屈強(qiáng)比不變，始終為1。此階段為回復(fù)或少量再結(jié)晶階段，均熱溫度的變化對(duì)性能影響不大；⑵660～700℃，隨著均熱溫度的升高，強(qiáng)度急劇下降，且伸長(zhǎng)率升高，屈強(qiáng)比稍有降低。可以認(rèn)定此階段為再結(jié)晶階段，均熱溫度的升高使得再結(jié)晶更加充分，因此對(duì)性能產(chǎn)生了較大影響。但是要注意，此階段再結(jié)晶并沒有完全結(jié)束；⑶700～860℃，此階段為雙相階段，雙相鋼的低屈強(qiáng)比的特性開始表現(xiàn)出來。而在700～740℃區(qū)間屈強(qiáng)比隨著均熱溫度的升高而降低，和此時(shí)的馬氏體量較少有關(guān)。均熱溫度超過740℃，屈強(qiáng)比不隨均熱溫度的變化而變化。

鍍鋅過程中的相變

為了研究DP780在不同鍍鋅工藝處理后的相組成，進(jìn)行了鍍鋅過程的相變研究。目前，研究相變通常采用線膨脹測(cè)量技術(shù)，且是目前研究固態(tài)相變最有效的手段之一。下面我們依次觀察DP780在不同均熱溫度下的相變情況。

圖3所示為DP780經(jīng)過加熱到1000℃后再冷卻至室溫的過程中發(fā)生的相變情況。由圖可見，在加熱過程中，在A點(diǎn)開始發(fā)生相變，此時(shí)的溫度為720℃。隨著溫度繼續(xù)升高，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)相變基本結(jié)束，隨后在冷卻的過程中，BC段不發(fā)生相變，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)是鍍鋅工藝中的均衡段，在此溫度（460℃）等溫過程中發(fā)生相變（CD段），在隨后的后冷卻段相變結(jié)束，直至室溫。在此可以認(rèn)定1000℃時(shí)鋼已經(jīng)完全奧氏體化，所以此時(shí)試樣的膨脹量ab為鋼完全奧氏體化時(shí)的膨脹量，其他溫度時(shí)試樣的膨脹量與之對(duì)比即可認(rèn)為是此溫度下的奧氏體化量。

圖3 1000℃時(shí)的相變

從圖4可以看出，均熱溫度700℃時(shí)，試樣的尺寸隨著均熱溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此可以認(rèn)定，在700℃和以下溫度，DP780只發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，不發(fā)生相變。

圖4 700℃時(shí)的相變

由圖5和圖6中可見，均熱溫度為720℃時(shí)鋼只有很少的奧氏體相變（ab=4μm），740℃時(shí)相變量稍有增加（ab=10μm），因此，這兩個(gè)均熱溫度下奧氏體化率分別為2.2%（計(jì)算方法為4μm/180μm）和5.6%。在冷卻至室溫的過程中可以認(rèn)為發(fā)生相變的奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體過冷相變產(chǎn)物中馬氏體含量為100%，

對(duì)于均熱溫度760～860℃時(shí)的相變情況，用和上文同樣的方法計(jì)算其奧氏體化率和冷卻過程中各相的比例，計(jì)算結(jié)果見圖7。此時(shí)有一個(gè)情況需要說明，即奧氏體化時(shí)的尺寸變化和冷卻過程中的尺寸變化不一定完全相同，因?yàn)樵囼?yàn)中膨脹儀的輕微抖動(dòng)可能產(chǎn)生以下誤差，而且體心立方和面心立方金屬的熱膨脹系數(shù)也不相同，因此，依據(jù)圖3～圖6計(jì)算的試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，只作為趨勢(shì)性研究。

圖5 720℃時(shí)的相變

圖6 740℃時(shí)的相變

從圖7可以發(fā)現(xiàn)如下信息：⑴奧氏體化量隨著均熱溫度的升高而急劇升高，這個(gè)符合鐵碳相圖中的杠桿定律；⑵馬氏體在不同均熱溫度下始終存在，說明DP780的過冷奧氏體穩(wěn)定性并不差。鍍鋅工藝?yán)鋮s過程中在460℃等溫后也能得到馬氏體，究其原因是因?yàn)镸o元素的溶質(zhì)拖曳作用，降低了C原子的擴(kuò)散速度，從而推遲了相變的發(fā)生，使得過冷奧氏體穩(wěn)定下來，在低溫下發(fā)生了馬氏體相變；⑶隨著均熱溫度的升高，貝氏體的含量逐漸增多，且820℃時(shí)開始出現(xiàn)高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物——鐵素體。且隨著均熱溫度的升高，鐵素體的含量逐漸增多。眾所周知，奧氏體的穩(wěn)定性與碳含量和合金元素含量相關(guān)。根據(jù)杠桿定律，若奧氏體化溫度低，奧氏體量少，此時(shí)由于周邊鐵素體的形成，奧氏體的含碳量是很高的，因此，此時(shí)奧氏體的穩(wěn)定性是很高的，這就解釋了在低溫奧氏體化時(shí)只有馬氏體和很少量貝氏體的原因。當(dāng)奧氏體化溫度升高時(shí)，雖然奧氏體量增加，但奧氏體的整體含碳量降低，奧氏體的穩(wěn)定性下降，所以，在高奧氏體化溫度下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物出現(xiàn)了鐵素體，且貝氏體量也逐漸增多。

圖7 不同均熱溫度下奧氏體化比例和冷卻后各相比例

不同鍍鋅工藝的組織

鋼的組織決定性能，而金相組織就是鋼的組織的最直觀反映。金相組織往往結(jié)合性能一起分析才更有意義，而且，結(jié)合不同均熱溫度下的相變，會(huì)對(duì)組織演變的理解更深刻。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度升高的過程中，鋼的強(qiáng)度逐漸減低，這是由于回復(fù)和再結(jié)晶導(dǎo)致的。均熱溫度從600℃升至640℃的過程中，沒有觀察到再結(jié)晶的發(fā)生，因此，強(qiáng)度降低的緩慢。當(dāng)均熱溫度繼續(xù)升高，660℃時(shí)開始出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒（圖8）。680℃和700℃的再結(jié)晶晶粒趨于明顯，因此強(qiáng)度下降變快，這和圖2中的性能變化是相符的。

圖8 均熱溫度660℃

當(dāng)均熱溫度繼續(xù)升高，720℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生了少量的馬氏體相變，如圖9中白亮處。由圖可見，馬氏體的形成部位在鐵素體晶界處，但由于加熱溫度低，奧氏體相變量少，因此冷卻后形成的馬氏體量也很少。另外，還可以看到此時(shí)的鐵素體并沒有完全再結(jié)晶，組織中仍可以看到條狀鐵素體，這和圖2中的性能曲線是對(duì)應(yīng)的。從圖2中可以看到，均熱溫度在700℃以下，隨著均熱溫度的升高，強(qiáng)度是一直下降的（若在某一溫度發(fā)生了完全再結(jié)晶，那么其強(qiáng)度會(huì)隨著均熱溫度的升高而不再降低，變化趨于平緩），當(dāng)均熱溫度超過了720℃后即進(jìn)入了雙相鋼階段，強(qiáng)度又隨著均熱溫度的升高而升高，因此沒有觀察到完全再結(jié)晶階段。觀察圖9還可以發(fā)現(xiàn)，鐵素體組織中有很多白色點(diǎn)狀物，為碳化物。正是由于碳化物的存在，阻止了鐵素體的再結(jié)晶，使其再結(jié)晶推遲到了雙相鋼階段。

圖9 均熱溫度720℃

當(dāng)均熱溫度升高到740℃時(shí)，組織仍然只有馬氏體和鐵素體，但此時(shí)馬氏體量略有增多，且鐵素體形貌已經(jīng)趨于等軸狀，因此可以認(rèn)為，此時(shí)的鐵素體已經(jīng)完全再結(jié)晶（圖10）。

當(dāng)均熱溫度在760～800℃時(shí)，貝氏體組織開始出現(xiàn)，但因?yàn)榫鶡釡囟壬吡耍瑢?dǎo)致奧氏體化量也增多，因此馬氏體并未減少。試驗(yàn)中還可以發(fā)現(xiàn)，組織中馬氏體都圍繞在貝氏體周圍。這是由于C原子在奧氏體中的擴(kuò)散速度比在鐵素體中的擴(kuò)散速度小得多，因此，在雙相區(qū)保溫時(shí)，雖然C原子由鐵素體擴(kuò)散到了奧氏體中，但是在奧氏體中的擴(kuò)散速度很小，不能長(zhǎng)程擴(kuò)散，因此都集中在奧氏體晶界附近。C原子的含量又對(duì)奧氏體的淬透性有很大影響。由于奧氏體晶粒在靠近晶界處的C含量升高，過冷奧氏體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，因此在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成了馬氏體，而其他部位由于穩(wěn)定性略差，在鍍鋅均衡段轉(zhuǎn)變成了貝氏體。

圖10 均熱溫度740℃

結(jié)論

⑴隨著鍍鋅均熱溫度的升高，DP780的性能表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

⑵DP780的完全再結(jié)晶溫度為740℃，且此時(shí)已經(jīng)是雙相組織。

⑶用膨脹儀研究了DP780不同均熱溫度鍍鋅的相變，結(jié)果表明，均熱溫度在760℃以下時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)變的組織中只有馬氏體；760～820℃時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)變的組織中有馬氏體和貝氏體；820℃以上時(shí)有馬氏體、貝氏體和鐵素體，且各項(xiàng)比例隨著均熱溫度的變化而變化。