碳含量對雙相鋼組織和性能的影響

供稿|劉宏亮 / LIU Hong-liang

隨著節(jié)能減排要求的不斷提升，汽車輕量化任務(wù)越來越嚴(yán)峻。汽車車身用鋼主要是以鋼鐵板材為主，汽車的鋼結(jié)構(gòu)也被稱為“白車身”?！鞍总嚿怼庇娩摰倪x材標(biāo)準(zhǔn)主要以夠降低汽車重量、保障車身安全、降低油耗、提高碰撞安全性為依據(jù)。因此，高強(qiáng)鋼的使用成為保障車身安全前提下，降低車身自重，滿足降低油耗要求的最佳選擇。高強(qiáng)鋼在國內(nèi)發(fā)展異常迅速，超高強(qiáng)熱成形鋼、馬氏體鋼等均開始在白車身大量使用[1，2]。但是，汽車車身需要一定成形性能的結(jié)構(gòu)件依然以雙相鋼(DP鋼)為主，最多可占白車身重量70%[3]。

DP鋼以鐵素體和馬氏體兩相組織為主，屈強(qiáng)比低，延伸率較高，在保障較高強(qiáng)度前提下，具備良好的成形性，以前DP鋼的使用以DP590為主，如今正在大量轉(zhuǎn)為DP780和DP980，DP1180也開始使用。目前，DP780是冷沖壓成形普遍使用的最常用鋼種，因此DP780的穩(wěn)定生產(chǎn)和低成本生產(chǎn)成為了熱門課題[4，5]。

本課題以工業(yè)生產(chǎn)DP780為研究目標(biāo)，通過調(diào)整碳含量，通過實驗室模擬連退生產(chǎn)，研究成分對DP780組織和性能的影響作用機(jī)理，并以此理論依據(jù)，通過調(diào)整成分和工藝制備具有不同性能特性的雙相鋼產(chǎn)品，滿足不同市場需求目標(biāo)。

試樣制備與實驗方法

試樣制備

本實驗所選用雙相鋼為實驗室冶煉產(chǎn)品，設(shè)計不同碳含量的材料化學(xué)成分，經(jīng)過100 kg中頻感應(yīng)爐冶煉，連鑄制備成鋼錠，經(jīng)過實驗室熱軋機(jī)組，以及酸洗、冷軋實驗機(jī)組，制備成1.6 mm冷硬板，最終，通過連退熱模擬實驗機(jī)制備成性能符合要求的DP780樣品，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 DP780鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

實驗方法與測試技術(shù)

本研究采用連退熱模擬實驗機(jī)進(jìn)行模擬實驗，將試樣以10℃/s升溫速率加熱到780℃，均熱保溫3 min，再以30℃/s的冷卻速率快速冷卻至250℃后，保溫1 min，完成連退模擬實驗。具體實驗工藝如圖1所示。

圖1 熱模擬工藝示意圖

連退后，板料加工成拉伸試樣，依據(jù)GB/T228“金屬材料室溫拉伸實驗方法”，使用CMT30 t微機(jī)控制萬能實驗機(jī)，進(jìn)行力學(xué)性能測試。金相組織采用型號為OLYMPUS-BX51金相顯微鏡進(jìn)行分析。

實驗結(jié)果

為了系統(tǒng)研究化學(xué)成分對DP780雙相鋼組織和性能的影響，首先采用相同工藝制備力學(xué)性能測試樣品，并對其進(jìn)行拉伸實驗測試，組織分析選擇拉伸后樣品夾持部分進(jìn)行分析。

成分對DP780性能的影響

不同碳含量樣品力學(xué)性能測試結(jié)果如圖2所示。實驗鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.12%、0.13%、0.14%和0.15%，對應(yīng)的屈服強(qiáng)度依次是429、458、463、488 MPa，如圖2(a)所示。

碳含量對屈服強(qiáng)度有明顯影響，而對比圖2(b)抗拉強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，碳含量對抗拉強(qiáng)度影響更加明顯。隨著碳含量的增加，抗拉強(qiáng)度由0.12%碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)時的802 MPa升高碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%時的921 MPa。

延伸率隨著碳含量的增加明顯降低，如圖2(c)所示。本實驗中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最高值0.15%時，延伸率已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)下限的14%。

圖2 DP780力學(xué)性能

成分對DP780組織的影響

組織決定性能，通過對微觀組織的分析可以準(zhǔn)確判斷雙相鋼的性能。不同碳含量的DP780鋼金相組織如圖3所示。

通過金相顯微鏡分析軟件測試發(fā)現(xiàn)，隨著碳含量的增加，DP780組織中鐵素體比例減少，馬氏體比例增加。當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%時，鐵素體比例為70.5%，馬氏體比例為29.5%。而碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%時，相同工藝條件下，DP780組織中鐵素體比例降低為62.5%，馬氏體比例增加至37.5%。本實驗中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值為0.15%，此時，鐵素體比例已經(jīng)降低至48.5%，而組織中馬氏體和貝氏體比例達(dá)到51.5%。

圖3 不同碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的DP780鋼金相組織

為了進(jìn)一步分析組織與成分之間的關(guān)系，對不同成分樣品組織中馬氏體硬度進(jìn)行測量，結(jié)果表明，不同成分組織中馬氏體硬度相差不大，硬度為HV569～583。

晶粒尺寸對比發(fā)現(xiàn)，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為最高值0.15%時的樣品晶粒尺寸較粗大，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%和0.13%的樣品差別不明顯。

成分對DP780相變規(guī)律的影響

為了進(jìn)一步分析碳含量對DP780組織和性能影響及作用機(jī)理，本研究采用熱力學(xué)軟件對不同成分DP780鋼相變規(guī)律進(jìn)行計算，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4所示為截取650～850℃，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.13%和0.15%條件下的平衡相圖。隨著溫度的降低，奧氏體逐漸減少，鐵素體逐漸增加，最終奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織。兩成分對比發(fā)現(xiàn)，碳含量較高時，DP780奧氏體穩(wěn)定性優(yōu)于碳含量較低樣品。平衡條件下，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時，A3溫度為805℃，而碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.13%時，A3溫度為810℃。但A1溫度幾乎沒有變化。

圖4 DP780相圖

不同成分的DP780連續(xù)冷卻條件下相變規(guī)律如圖5所示。連續(xù)冷卻曲線計算結(jié)果表明：碳含量增加有利于奧氏體穩(wěn)定性控制；相同冷卻工藝條件下，碳含量較低樣品更容易獲得鐵素體組織。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%的樣品馬氏體溫度略高于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%樣品，但臨界冷卻速率也相對較高。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%時，臨界冷卻速率為40℃/s，而碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時，臨界冷速為30℃/s。因此，相同工藝條件下，隨著碳含量的增加，DP780更容易獲得馬氏體組織。

圖5 DP780連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線

結(jié)果分析

本實驗工藝樣品采用實驗室熱模擬實驗機(jī)制備，保障了工藝的穩(wěn)定性和一致性，因此，實驗過程對比差距均源于成分中碳含量的變化。

綜合DP780中碳含量對組織、性能以及相變的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著碳含量的增加，DP780鋼奧氏體穩(wěn)定性增加，在相同加熱溫度條件下，更多奧氏體被保留下來，加之碳含量增加，臨界冷速降低。因此，更容易獲得馬氏體組織。理論分析結(jié)果與實際測量結(jié)果一致，即隨著碳含量增加，相同工藝生產(chǎn)DP780，組織中馬氏體比例增加，鐵素體比例降低。

DP780雙相鋼力學(xué)性能與組織比例和分布有密切關(guān)系，隨著馬氏體含量的增加，必然導(dǎo)致DP780抗拉強(qiáng)度顯著增加，而鐵素體減少，使得拉伸過程中軟相減少，屈服強(qiáng)度升高，延伸率降低。

DP780在設(shè)計時，應(yīng)考慮成分與工藝的匹配。當(dāng)采用較小的冷卻速率時，可以適當(dāng)提高碳含量，減少其他合金的添加。通過增加碳含量，提高馬氏體比例，保障強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。而當(dāng)采用高速生產(chǎn)時，即冷卻速率較高時，可以采用低碳工藝生產(chǎn)，保證DP780具有更好的綜合性能。

結(jié)束語

(1) 相同工藝生產(chǎn)DP780，碳含量較高樣品更易獲得馬氏體組織，而鐵素體減少，對提高強(qiáng)度有利，但延伸率會降低。

(2) 隨著碳含量增加，DP780奧氏體穩(wěn)定性增加，A3溫度降低，本實驗條件下，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.13%提高至0.15%時，A3點(diǎn)溫度降低5℃。

(3) DP780工業(yè)生產(chǎn)時，應(yīng)基于現(xiàn)場工藝控制特點(diǎn)，合理設(shè)計碳含量。采用較低冷卻速率生產(chǎn)時，可以采用較高碳含量，同時降低加熱溫度；采用高冷卻工藝生產(chǎn)時，則應(yīng)減少碳含量，提高加熱溫度。

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