變形參數(shù)對BR1500HS材料性能與微觀組織的影響

尚欣，周杰，卓芳，黃磊

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變形參數(shù)對BR1500HS材料性能與微觀組織的影響

尚欣，周杰，卓芳，黃磊

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶，400044)

通過高溫拉伸實驗研究超高強度鋼BR1500HS不同變形參數(shù)對真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線及抗拉強度的影響，并采用光學顯微鏡觀察不同變形參數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)，利用掃描電子顯微鏡SEM分析所得材料的斷口形貌。研究結(jié)果表明：不同變形參數(shù)對抗拉強度、流變應(yīng)力的影響規(guī)律不同，增大變形溫度或減小應(yīng)變速率均可減小材料流變應(yīng)力；當變形溫度在800~900 ℃時，其材料流變抗力小、塑性好，有利于成形；在相同應(yīng)變速率條件下，當變形溫度區(qū)間為300~400 ℃，500~700 ℃以及800 ℃以上時，其微觀結(jié)構(gòu)組織分別主要為馬氏體、貝氏體以及奧氏體；在相同應(yīng)變速率下，當變形溫度區(qū)間為300~400 ℃和500~900 ℃時，其斷裂方式分別為脆性斷裂、韌性斷裂，且在800~900 ℃時，其韌窩斷口形貌較好。

BR1500HS；材料性能；微觀組織；變形參數(shù)

超高強度鋼板因具有安全、減重以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用上有廣泛的前景。但因其具有極高的屈服應(yīng)力和抗拉強度以及較低硬化指數(shù)、厚向異性系數(shù)和伸長率[1?4]，需在高溫條件成形，即采用熱沖壓成形。熱沖壓技術(shù)是將坯料加熱到一定溫度并保溫使組織完全奧氏體化，隨后采用專用模具進行成形并同步冷卻淬火，得到強度比極高的零件。熱沖壓過程為塑性力學、熱力學相互耦合過程，板料因受溫度、應(yīng)力?應(yīng)變和組織三者相互作用，其零件質(zhì)量較難控制，正確認識變形參數(shù)對材料性能及內(nèi)部微觀組織演變規(guī)律的影響可為熱沖壓工藝的合理設(shè)計奠定基 礎(chǔ)[5?8]。近年來，國內(nèi)外學者就熱成形技術(shù)中的變形工藝參數(shù)進行了較多研究。MERKLEINL等[9?10]對熱成形硼鋼在高溫下的流動行為及材料熱物性參數(shù)進行了測定，并將數(shù)值模擬與實驗研究結(jié)合起來，研究材料在高溫下的力學性能。TURETTA等[11]在Nakazima理論基礎(chǔ)上，在不同的變形參數(shù)(流動應(yīng)力、溫度以及應(yīng)變率)條件下進行熱拉伸、淬火，將所得數(shù)據(jù)用于模擬仿真，提出并優(yōu)化了用于克服高強度鋼板成性能差的試驗方法。PAUL[12]基于熱沖壓試驗數(shù)據(jù)，建立了準確的熱沖壓成形有限元模型以預(yù)測板料變形過程及各變形參數(shù)對零件力學性能的影響，提高了熱沖壓模擬仿真的精確度。KARBASIAN等[13]對熱沖壓成形技術(shù)中的熱、機械性能、微觀結(jié)構(gòu)和技術(shù)領(lǐng)域的最新狀況進行了闡述，指出整個成形過程中相變和連續(xù)流變行為都與力學性能、幾何形狀密切相關(guān)。林建平等[14]以超高強度硼鋼USIBOR1500為實驗材料，在不同變形溫度、應(yīng)變速率條件進行熱拉伸實驗，建立了此材料的熱流變抗力模型，同時獲得變形溫度、應(yīng)變速率對其力學性能的影響規(guī)律。LIU等[15]基于不同變形參數(shù)下的熱拉伸試驗，測試了對應(yīng)條件下的力學性能，并考慮應(yīng)變、應(yīng)變速率及溫度等參數(shù)建立了材料本構(gòu)模型，同時分析了凸模速度、模具溫度等參數(shù)對熱成形盒形件的性能影響，優(yōu)化了凸模速度、模具溫度參數(shù)。MA等[16?19]對熱成形過程進行了熱成形熱、力、相變耦合分析，還通過將數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合，建立了材料本構(gòu)關(guān)系并提出了用于熱成形模具設(shè)計及工藝過程分析的新方法。XING等[20]通過不同參數(shù)條件下硼鋼成形試驗，建立了有效的材料模型，并進一步闡述了各變形參數(shù)對材料性能的影響。但對于超強鋼板BR1500HS熱成形工藝參數(shù)對材料組織、性能以及成形缺陷的影響規(guī)律研究相對較少。本文作者主要研究變形參數(shù)對BR1500HS 超高強鋼的抗拉強度、硬度、微觀組織及斷口形貌等的影響規(guī)律。根據(jù)BR1500HS 的熱成形過程的關(guān)鍵特征試驗路線設(shè)計并完成實驗步驟，獲得測試試樣并觀察各條件下材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。利用 Gleeble?1500材料熱模擬實驗機在不同變形溫度、變形速率下試樣的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線；使用掃描電子顯微鏡(SEM)對BR1500HS 淬火后拉伸斷口形貌進行分析。通過對變形溫度、變形速率對材料性能以及組織形貌的影響規(guī)律進行分析，了解不同變形參數(shù)對材料內(nèi)部微觀組織演變規(guī)律的影響。

1 實驗

1.1 材料及設(shè)備

實驗材料為中國寶山鋼鐵股份有限公司研發(fā)的1.8 mm厚的BR1500HS熱軋鋼板。根據(jù)GB/T4338—2006金屬材料高溫拉伸試驗方法的規(guī)定，制成如圖1所示拉伸試樣。采用Gleeble?1500材料熱模擬實驗機進行熱拉伸實驗。在熱模擬實驗中，為了保證實驗準確可靠，采用自制專用板料夾具對板料進行夾持?；诮鹣嗉夹g(shù)，采用 OLYMPUS OLS3000激光共聚交顯微鏡對BR1500HS熱拉伸后冷卻至室溫的試樣組織進行觀察與分析。同時基于SEM技術(shù)，通過采用Quanta 200F高分辨掃描電鏡觀察BR1500HS拉斷后冷卻至室溫的斷口形貌。

單位：mm

1.2 實驗方案

圖2所示為熱拉伸工藝方案。本實驗參照熱成形過程的所有關(guān)鍵特征試驗路線圖(圖2)來設(shè)計實驗方案。圖2中：i為目標變形溫度；A3為奧氏體化溫度；Ms為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度。

圖2 熱拉伸工藝方案

由圖2可見：以10 ℃/s的加熱速率將試樣加熱至950 ℃，保溫10 s，然后以40 ℃/s的冷卻速度將試樣分別冷卻至900，800，700，600，500，400和300 ℃，分別在各目標變形溫度進行等溫拉伸，各目標變形溫度下均采用0.03 /s和0.6 /s的應(yīng)變速率拉至試樣斷裂。在拉伸過程中，通過試驗機的微機處理系統(tǒng)采集實驗數(shù)據(jù)。變形結(jié)束后，待試樣冷卻至室溫，對試樣中部均溫區(qū)的變形組織、晶粒粒度及斷口形貌進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 變形參數(shù)對顯微組織的影響

為了深入研究熱成形溫度對 BR1500HS材料組織的影響，將測試試樣經(jīng)過處理并在光學顯微鏡下觀察，得到材料顯微組織的分布情況如圖3和圖4所示。

t/℃：(a) 300；(b) 400；(c) 500；(d) 600；(e) 700；(f) 800；(g) 900

t/℃：(a) 300；(b) 400；(c) 500；(d) 600；(e) 700；(f) 800；(g) 900

2.2 變形條參數(shù)對材料抗拉強度的影響

溫度、應(yīng)變速率對材料抗拉強度的綜合影響如圖5所示。從圖5可以看出：在同一應(yīng)變速率條件下，材料抗拉強度隨溫度降低呈明顯的上升趨勢。這是由于隨著溫度降低，材料金屬原子間結(jié)合力升高，增加了晶間滑移的臨界切應(yīng)力，晶間滑移難以進行，造成材料的抗拉強度也隨之增大。當溫度為600 ℃以上時，抗拉強度隨著應(yīng)變速率的升高而增加，而當溫度為550 ℃以下時，抗拉強度反而隨著應(yīng)變速率的增加而降低。這是由于當溫度高于600 ℃時，應(yīng)變速率升高，增加了滑移臨界切應(yīng)力以及晶界間的破壞極限應(yīng)力，使金屬的流變應(yīng)力增加，且使應(yīng)變強化效應(yīng)顯著，材料抗拉強度也就隨著應(yīng)變速率的增加而增大。而在400~600 ℃時，溫度低于貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度且接近馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，在較低應(yīng)變速率條件下材料變形產(chǎn)生形變熱較少，試樣溫度處于貝氏體或馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，可產(chǎn)生較短、強度較高的貝氏體或馬氏體，故在較低應(yīng)變速率下抗拉強度反而比較高應(yīng)變速率下的抗拉強度要高。綜上所述，可使超高強度鋼板在800~900 ℃成形，此時材料變形抗力較小，其塑性相對較好，有利于零件成形。

圖5 變形溫度、應(yīng)變速率與抗拉強度之間的關(guān)系

2.3 變形參數(shù)對流變應(yīng)力的影響

2.3.1 溫度對流變應(yīng)力的影響

圖6所示為材料在同一應(yīng)變速率、不同溫度下的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線。由圖6 可知：溫度對超高強度鋼板BR1500HS材料的力學性能有較大影響；當應(yīng)變速率保持恒定時，流變應(yīng)力和真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線的斜率都隨著變形溫度增高而降低，且應(yīng)變速率越低時金屬材料對溫度的敏感度越高。其原因是隨著溫度的升高，材料的熱激活作用增強，金屬原子平均動能增加，晶界切變抗力顯著降低，晶間滑移易于進行，使材料的流變應(yīng)力降低。同時，隨著溫度升高，動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶也容易進行，使得位錯密度下降，對塑性變形過程中的加工硬化的抵消作用增大，降低了材料的流變應(yīng)力，提高了金屬的塑性，從而顯著地降低了材料的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線的斜率。

/s?1：(a) 0.03；(b) 0.6 溫度/℃：1—300；2—400；3—500；4—600；5—700；6—800；7—900。

在相同溫度下，隨著變形量增加，經(jīng)過初始應(yīng)變硬化，動態(tài)回復(fù)作用加強，應(yīng)變硬化和軟化有趨于平衡的趨勢，應(yīng)力?應(yīng)變曲線逐漸平緩。

同時，可看出高溫BR1500HS的流變應(yīng)力?應(yīng)變曲線屬于動態(tài)再結(jié)晶類型。在變形的開始階段，存在明顯的加工硬化，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加達到峰值，且變形溫度和應(yīng)變速率均對加工硬化產(chǎn)生很大的影響，降低變形溫度或增大應(yīng)變速率都可以加劇加工硬化并增大對應(yīng)的峰值應(yīng)力?應(yīng)變。當流變應(yīng)力越過峰值時，其值反而隨著應(yīng)變的增加而下降。這是因為動態(tài)再結(jié)晶的軟化效應(yīng)大于熱加工硬化的強化效應(yīng)，使整體上呈現(xiàn)應(yīng)變軟化。圖6中存在著流變應(yīng)力基本不隨應(yīng)變的增大而發(fā)生變化的階段，因為此時動態(tài)再結(jié)晶引起的晶粒細化導(dǎo)致熱加工硬化較峰值時更為劇烈，使得動態(tài)再結(jié)晶軟化效應(yīng)與熱加工效應(yīng)處于相對的平衡狀態(tài)[21?22]，即材料進入了穩(wěn)態(tài)流動階段。

2.3.2應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響

圖7所示為同一溫度不同應(yīng)變速率條件下材料的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線。從圖7可以看出：在相同溫度下，應(yīng)變速率對材料力學性能影響顯著，且與不同變形溫度下的影響各不相同；當溫度為500 ℃時，隨著應(yīng)變速率的升高，材料真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線的斜率降低；當溫度為300，400，600，700，800和900 ℃時，材料的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線斜率隨著應(yīng)變速率升高而升高，但是其真應(yīng)力并不隨之升高。

t/℃：(a) 300；(b) 400；(c) 500；(d) 600；(e) 700；(f) 800；(g) 900 /s?1：1—0.03；2—0.6。

當金屬試樣的變形溫度和應(yīng)變速率保持恒定時，隨著金屬變形量增加，材料的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線在最初呈現(xiàn)出直線上升的趨勢，這主要是起初材料的變形量很小，金屬尚處于彈性階段。隨后金屬進入塑性變形階段，該曲線不再表現(xiàn)為直線，此時金屬雖然發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，但是金屬動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的出現(xiàn)對金屬材料形成了軟化作用，致使曲線的斜率不斷降低，直到應(yīng)力達到最大值。然后曲線開始呈現(xiàn)下降趨勢，最終處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，這主要是因為金屬的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用增強，它與加工硬化引起的材料強度、硬度、變形抗力升高現(xiàn)象達到了一個動態(tài)平衡[23?25]。

當變形溫度一定時，應(yīng)變速率越高則流變應(yīng)力越大，這是因為應(yīng)變速率越高，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的程度越小，軟化作用不能抵消加工硬化作用。動態(tài)再結(jié)晶可使流變應(yīng)力達到峰值后呈下降趨勢，因為動態(tài)再結(jié)晶，可綜合了加工硬化對材料變形抗力的影響，使得材料最終在加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶的綜合作用下處于一種動態(tài)平衡。

2.4 變形參數(shù)對拉伸斷口形貌的影響

t/℃：(a) 300；(b) 400；(c) 500；(d) 600；(e) 700；(f) 800；(g) 900

在500~900 ℃進行淬火拉伸時，在高溫加熱時(950 ℃)，鐵素體和珠光體可完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在保溫過程中，材料中的雜質(zhì)(如P，S，Si和Ti等)在晶界上偏聚或脫溶，成為空洞核，在晶界形成孔洞等缺陷，并隨著溫度升高逐漸長大。淬火試樣在拉應(yīng)力作用下促使位錯聚積，空洞相互連接而導(dǎo)致材料斷裂，為延性斷裂中的韌性斷裂，具有較高的吸能性。在一般情況下，斷裂在晶界缺陷處形成，斷裂面微觀形態(tài)呈蜂窩狀，在斷裂前伴有一定的塑性變形，斷裂方式主要為穿晶和沿晶斷裂，試樣的延性斷裂說明淬火B(yǎng)R1500HS試樣中的馬氏體組織具有相當?shù)捻g性，而且隨著BR1500HS試樣拉伸時溫度的升高和保溫時間延長，韌窩的尺寸會變大，有利于提高材料的韌性，但是當韌窩的尺寸過大時，反而會降低材料的韌性。對BR1500HS試樣加熱到Ac3(811 ℃)以上進行淬火，然后冷卻至400 ℃以下，由于組織完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，所以其強度依然上升。

通過對各冷卻至溫度為300，400，500，600，700，800和900 ℃并保溫2 min試樣的單向拉斷試樣的斷口形貌進行分析，發(fā)現(xiàn)試樣在300~400 ℃淬火時，斷裂方式主要為脆性斷裂，在500~900 ℃淬火時斷裂主要為韌性斷裂，但由于溫度過高形成的空洞較大，導(dǎo)致試樣塑性下降，而試樣在800~900 ℃時，也就是在其Ac3以上10~100 ℃時，具有較好的韌窩斷口形貌，較高的伸長率適合于熱成形。

t/℃：(a) 300；(b) 400；(c) 500；(d) 600；(e) 700；(f) 800；(g) 900

3 結(jié)論

1) 在相同應(yīng)變速率下，當試樣冷卻至300~400 ℃時，材料顯微組織出現(xiàn)明顯馬氏體組織。在較低應(yīng)變速率條件下拉伸速度較慢，當溫度為500~700 ℃時，其微觀組織主要為貝氏體。當溫度為800 ℃以上時，微觀組織完全處于奧氏體化狀態(tài)。

2) 當溫度為600 ℃以上，材料的抗拉強度隨著應(yīng)變速率的升高而增加；而當溫度為550 ℃以下時，材料的抗拉強度隨著應(yīng)變速率的增加而降低。在同一應(yīng)變速率下，材料的抗拉強度隨著溫度的降低而升高?？墒钩邚姸蠕摪逶?00~900 ℃成形，在此溫度下材料變形抗力小、塑性好，有利于零件的成形。

3) 增大變形溫度或減小應(yīng)變速率均可減小材料流變應(yīng)力；當溫度為500 ℃時，隨著應(yīng)變速率的升高，真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線的斜率降低；當溫度為300，400，600，700，800和900 ℃時，真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線斜率隨著應(yīng)變速率的升高而升高；當變形溫度、應(yīng)變速率保持恒定時，真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線在最初處于彈性變形呈直線上升，隨后進入塑性變形不再呈直線狀態(tài)，因動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用抵消加工硬化使得曲線的斜率降低，直到應(yīng)力達到最大值。

4) 當應(yīng)變速率為0.03 s?1時，試樣在300~400 ℃斷裂方式主要為脆性斷裂，在500~900 ℃斷裂主要為韌性斷裂，且在800~900 ℃時，具有較好的韌窩斷口形貌。當應(yīng)變速率為0.6 s?1時，各溫度下試樣斷裂方式均為韌性斷裂，試樣斷口形貌為大小不等的圓形或橢圓形的凹坑韌窩。

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Effect of forming parameters on material properties and microstructure of BR1500HS

SHANG Xin, ZHOU Jie, ZHUO Fang, HUANG Lei

(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The effects of different deformational parameters on true stress?true strain curves, tensile strength, microstructure and morphology of BR1500HS were investigated through tensile tests, metallographic optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM). The results show that different deformation parameter ranges have different effects on true stress?true strain curves and tensile strength. Both the increasing deformational temperature and decreasing strain rate can decrease the flow stress. At the temperature ranging from 800to 900 ℃, the flow stress of material is small and the material’s plastic is better, which greatly benefits material forming. At the deformational temperature ranges from 300to 400 ℃, 500 to 700 ℃ and above 800 ℃, the corresponding major microstructures are martensite, bainite and austenite respectively with the same strain rate. Meanwhile, at the deformational temperature ranges from 300 to 400 ℃ and 500 to 900 ℃, the corresponding fracture mechanisms are brittle fracture and dimple fracture, especially at the temperature ranges from 800 to 900 ℃, the dimple fracture morphology is better.

BR1500HS; material properties; microstructure; deformation parameters

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.008

TG142.1

A

1672?7207(2016)09?2958?10

2015?11?05；

2015?12?30

重慶市自然科學基金重點資助項目(CSTC2009BA4065) (Project(CSTC2009BA4065) supported by Natural Science Foundation of CQ CSTC)

周杰，教授，博士生導(dǎo)師，從事汽車用超高強鋼板熱沖壓關(guān)鍵技術(shù)研究；E-mail: cqzf0223@163.com

(編輯 陳愛華)