雙相鋼拼焊板溫拉伸力學(xué)性能及組織分析

蔣滿國，陳 煒，黃忠富，劉 政

(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

雙相鋼拼焊板溫拉伸力學(xué)性能及組織分析

蔣滿國，陳 煒，黃忠富，劉 政

(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

為了揭示溫變形工藝參數(shù)對雙相鋼拼焊板宏觀力學(xué)性能及組織演變的影響規(guī)律，在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下對DP590雙相鋼拼焊板進行溫拉伸試驗和微觀組織觀察，將變形溫度和應(yīng)變速率對材料溫成形過程的綜合影響統(tǒng)一為Zener－Hollomon(Z)參數(shù)來研究材料宏觀力學(xué)性能和微觀組織演變.實驗結(jié)果表明，隨著Z參數(shù)的降低，材料越容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，流變應(yīng)力－應(yīng)變曲線越低，斷后延伸率逐漸提高，平均晶粒尺寸有長大的趨勢.本研究對于通過Z參數(shù)優(yōu)化DP590雙相鋼拼焊板溫變形宏觀力學(xué)性能和微觀組織具有一定的參考價值.

雙相鋼拼焊板;溫成形;Z參數(shù);微觀組織;宏觀力學(xué)性能

以相變強化為基礎(chǔ)，由鐵素體與馬氏體組成的雙相鋼具有低屈強比、高初始加工硬化速率、良好的強度和延性配合等特點，已發(fā)展為一種汽車用高強度新型沖壓用鋼.雙相鋼拼焊板兼有雙相鋼板與激光拼焊板(TWBs)技術(shù)的優(yōu)點，在減輕車身重量的同時，提高了汽車的抗沖擊性、抗凹性［1］.但由于焊縫的存在，雙相鋼拼焊板在常溫下成形比較困難，通過溫塑性成形技術(shù)可以提高其成形性能［2］.有學(xué)者［3－4］研究了不同溫度、應(yīng)變速率下材料(鈦合金和雙相鋼)的宏觀力學(xué)性能及微觀組織，認(rèn)為溫塑成形過程中變形溫度、應(yīng)變速率等對材料(鈦合金和雙相鋼)宏觀力學(xué)性能及微觀組織具有很大影響.楊慧等［5］研究了不同變形溫度和應(yīng)變速率下Zener－Hollomon(Z)參數(shù)對20CrMnTi的溫?zé)釅嚎s變形行為的影響.Xu S W等［6］對Mg－Al－Zn－Ca鎂鋁合金熱壓縮試驗中再結(jié)晶晶粒尺寸與Z參數(shù)的關(guān)系進行了研究.但是將變形溫度和應(yīng)變速率統(tǒng)一為Z參數(shù)來研究雙相鋼拼焊板材料溫成形規(guī)律的比較少見.

本文基于變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系方程［7］，研究不同溫度、應(yīng)變速率下雙相鋼拼焊板的宏觀力學(xué)性能及微觀組織演變，為通過Z參數(shù)提高DP590雙相鋼拼焊板溫變形宏觀力學(xué)性能和優(yōu)化微觀組織提供一定的理論依據(jù).

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為寶鋼生產(chǎn)的高強度冷軋雙相鋼DP590，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為1.80Mn－0.46Si－0.12C－0.01P－0.006 S－0.051Al.厚度為1 mm，進行激光焊接成等厚拼焊板.雙相鋼拼焊板沿縱向取樣，焊縫平行于拉伸方向，且處于試樣中間位置，試樣標(biāo)距為36 mm，寬度為9 mm.

對試樣在不同變形溫度和應(yīng)變速率下進行單向拉伸實驗，變形溫度為550、600、650和700℃，應(yīng)變速率為0.1、0.01、0.001、0.0001 s－1，實驗拉伸設(shè)備為CMT5205微機控制電子萬能試驗機，加熱裝置為三段控溫電阻爐，溫控誤差為±1℃，加熱速度為5℃/s，加熱至預(yù)定溫度后保溫10 min，然后進行拉伸實驗.拉伸后的試樣立即進行水淬處理，以保留變形后的組織.因斷口附近加熱溫度穩(wěn)定，組織均勻，能夠準(zhǔn)確表述不同溫度下雙相鋼激光拼焊板的微觀組織變化情況，故在拉伸斷口處橫向截取母材、焊縫區(qū)試樣，經(jīng)過拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液浸蝕，利用JSM－7001F熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察其微觀組織.利用圖像處理軟件對斷口處微觀組織電鏡照片進行處理得到不同變形溫度和應(yīng)變速率下平均晶粒尺寸，利用動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程［8］求得斷口處母材和焊縫區(qū)平均再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù).

2 基于Z參數(shù)的宏觀力學(xué)性能分析

根據(jù)MILOVIC R和MANOJLOVIC D等［7］對高速鋼熱加工性能的研究，材料應(yīng)變速率、溫度與Z參數(shù)之間的關(guān)系可表示為

式中:ε·為應(yīng)變速率(s－1);T為變形溫度(K);R為氣體常數(shù)(8.31 J·mol－1·K－1);Q為變形激活能(kJ·mol－1);Z為Zener－Hollomon參數(shù)，其物理意義為溫度補償?shù)膽?yīng)變速率因子(s－1).

根據(jù)陳煒等［4］的研究，DP590雙相鋼拼焊板平均變形激活能Q=398.181 kJ/mol.利用式(1)將變形溫度和應(yīng)變速率兩個影響因素統(tǒng)一為Z參數(shù).不同變形溫度和應(yīng)變速率對應(yīng)的Z參數(shù)見表1.不同Z參數(shù)下DP590拼焊板溫拉伸真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示.

表1 不同溫度及應(yīng)變速率下對應(yīng)的Z參數(shù)

圖1 不同Z參數(shù)下DP590拼焊板溫拉伸真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖1可以看出:1)DP590雙相鋼拼焊板在變形初期，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加迅速上升，達(dá)到一定的峰值后，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，流變應(yīng)力保持水平或出現(xiàn)下降的趨勢;2)在實驗Z參數(shù)范圍內(nèi)(2.38×1017～1.87×1024s－1)，隨著Z參數(shù)的降低，拼焊板真實流變應(yīng)力－應(yīng)變曲線從加工硬化－動態(tài)回復(fù)型轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)再結(jié)晶類型，材料軟化程度越來越高，材料最大流變應(yīng)力隨著Z參數(shù)的降低而減小，從450 MPa下降到65 MPa，最大應(yīng)變從0.2逐漸上升到0.75;3)由圖1(a)可以看出，在較高的Z參數(shù)下，也就是在較低溫度和較高應(yīng)變速率下，材料軟化機制以動態(tài)回復(fù)為主，材料軟化程度比較低，因為較低的溫度下位錯的滑移和攀移產(chǎn)生的軟化不足以克服位錯密度增加所帶來的硬化;4)由圖1(b)可以看出，在較低的Z參數(shù)下，也就是在較高溫度和較低應(yīng)變速率下，材料發(fā)生了相對明顯的動態(tài)再結(jié)晶軟化現(xiàn)象，材料的軟化機制為動態(tài)再結(jié)晶為主，抵消了拉伸過程中的加工硬化，使得流變應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢，峰值應(yīng)力在220 MPa以下.

圖2為不同Z參數(shù)下的拼焊板溫拉伸斷后延伸率(ψ).

圖2 不同Z參數(shù)下拼焊板溫拉伸斷后延伸率(ψ)

從圖2可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)Z參數(shù)從6.69×1020s－1左右下降到2.38×1017s－1左右時，材料斷后延伸率從38.9%上升到133.3%;在較高的Z參數(shù)下，其斷后延伸率變化并不明顯.因此DP590拼焊板溫拉伸在較低的Z參數(shù)下有利于提高其斷后延伸率.

3 基于Z參數(shù)的微觀組織演變分析

不同Z參數(shù)條件下，DP590拼焊板溫拉伸斷口母材和焊縫區(qū)微觀組織電鏡照片分別如圖3和4所示.從圖3和4可以看出:隨著Z參數(shù)的降低，材料動態(tài)再結(jié)晶程度增強，材料微觀組織中馬氏體的含量逐漸降低并轉(zhuǎn)化為鐵素體和碳化物等;在溫拉伸過程中焊接焊縫區(qū)并沒有孔洞、撕裂等缺陷出現(xiàn)，其微觀組織變化比母材區(qū)要明顯;隨著Z參數(shù)的降低，材料軋制態(tài)晶粒逐漸轉(zhuǎn)變成了等軸晶粒，等軸晶粒有利于材料的塑性成形.利用圖像處理軟件，對不同Z參數(shù)下斷口處母材和焊縫區(qū)微觀組織電鏡照片進行處理以獲得其平均晶粒尺寸(D).利用動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程［8］，求得斷口處母材和焊縫區(qū)平均再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)(XD).

式中:XD為動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù);εp為峰值應(yīng)變; k和nd為決定于化學(xué)成分和變形條件的參數(shù);εc為臨界應(yīng)變;εc、εp、k可以表示成 Z參數(shù)的函數(shù)［9］.

圖3 不同Z參數(shù)下DP590拼焊板斷口母材區(qū)電鏡照片

圖4 不同Z參數(shù)下DP590拼焊板斷口焊縫區(qū)電鏡照片

不同Z參數(shù)下斷口處母材和焊縫區(qū)平均晶粒尺寸和平均再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分別如圖5和6所示.從圖5和6可以看出:隨著Z參數(shù)的降低，材料更容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸有長大的趨勢;相同Z參數(shù)下，雖然焊縫區(qū)動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)高于母材區(qū)，但是由于焊縫區(qū)原始晶粒尺寸要比母材區(qū)小使得母材平均晶粒尺寸普遍要大于焊縫區(qū);在較低的Z參數(shù)下，同時結(jié)合圖3和4可以看出，材料動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨Z參數(shù)的下降具有明顯的上升趨勢，材料微觀組織出現(xiàn)大量的亞晶粒并且長大.低的Z參數(shù)代表著較高的變形溫度和較小的應(yīng)變速率，這樣材料塑性變形中能夠獲得較高的能量以及亞晶粒的長大時間.

圖5 不同Z參數(shù)下拼焊板母材和熱影響區(qū)平均晶粒尺寸(D)

圖6 不同Z參數(shù)下拼焊板母材和熱影響區(qū)平均再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)(XD)

4 結(jié)論

將變形溫度和應(yīng)變速率對材料溫成形過程的綜合影響統(tǒng)一為Z參數(shù)，研究了DP590雙相鋼拼焊板溫拉伸宏觀力學(xué)性能及微觀組織，其研究結(jié)論如下:

1)在實驗的Z參數(shù)范圍內(nèi)，隨著Z參數(shù)的降低，DP590雙相鋼拼焊板軟化機制從動態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)再結(jié)晶，其流變應(yīng)力－應(yīng)變曲線越低，材料延伸率逐漸提高.

2)隨著Z參數(shù)的降低，材料動態(tài)再結(jié)晶程度逐漸加強，平均晶粒尺寸有長大的趨勢，母材扎制態(tài)的晶粒形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S形態(tài)，焊縫區(qū)板條狀馬氏體逐漸消失并生成新的等軸晶粒.

3)在相同的Z參數(shù)下，焊縫區(qū)的平均晶粒尺寸普遍小于母材區(qū)而動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)卻大于母材區(qū)，即焊縫區(qū)微觀組織演變程度高于母材區(qū).

4)變形溫度和應(yīng)變速率對DP590雙相鋼拼焊板宏觀力學(xué)性能及微觀組織的綜合影響可以用單一因子Z參數(shù)來表示.

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Investigation on mechanical properties and microstructure evolution of DP steel TWBs

JIANG Man-guo，CHEN Wei，HUANG Zhong-fu，LIU Zheng
(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

To understand the effect of process parameters on the mechanical properties and microstructure evolution of dual-phase(DP)steel tailor welded blanks(TWBs)during warm deforming，the warm tensile tests at different temperatures and strain rates were carried out.The mechanical properties and microstructure evolution of DP590 steel TWBs during warm tensile tests were influenced by temperature and strain rate，and all of those factors were reflected by Zener-Hollomon(Z)parameter.The results indicated that at the range of given experimental Z parameter，due to the dynamic recrystallization，the lower the Z parameter，the lower the stress-strain curves，and as Z parameter decreased，the elongation at fracture，the volume fraction of recrystallization and average grain size increased.

tailor-welded blanks;warm forming;Zener-Hollomon parameter;microstructure evolution;mechanical properties

TG142.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2012)02－0112－05

2011－06－13.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50775102);上海市數(shù)字化汽車車身工程重點實驗室開放基金課題(200903).

蔣滿國(1986－)，男，碩士研究生;

陳 煒(1965－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

陳 煒:E-mail:chen_wei@ujs.edu.cn.

(編輯 程利冬)