顯微組織對FB60鋼板延伸凸緣性能的影響

梁 文 吳 潤 胡 俊 劉 斌 劉永前 彭 周

(1.武漢科技大學 材料與冶金學院，湖北 武漢 430081；2.武鋼研究院，湖北 武漢 430080)

熱軋鐵素體/馬氏體(F/M)雙相鋼具有高強度、低屈強比、初始加工硬化率高以及強度和韌性良好等優(yōu)點，是目前應用最多的先進高強度鋼種(advanced high strength steel，AHSS)之一[1- 2]。然而在汽車車輪和底盤的制造中，鋼材需進行翻邊和擴孔，要求其具有良好的擴孔性能(延伸凸緣性能)[3]。F/M雙相鋼的擴孔性能較差，如果鋼中的馬氏體被貝氏體取代，則可顯著提高其擴孔性能[4]。這種鐵素體/貝氏體(F/B)雙相鋼兼具高強度和良好的冷成形性能，而且焊接性和耐疲勞性能良好，是制作汽車底盤和車輪等部件的理想材料[5]。目前，國內(nèi)汽車行業(yè)大量采用擴孔性能良好的60 kg級FB60鋼制造汽車零部件。

大量研究結果表明[6- 13]，影響鋼板擴孔性能的因素主要有鋼材純凈度、組織類型和圓孔的加工工藝。在對顯微組織的研究方面，業(yè)已做了大量的工作，所研究材料的強度[14- 17]和成分[14- 16,18]差異均很大，或者顯微組織相同[19- 21]，但很少有人研究成分相同、強度相同時，不同類型組織對擴孔性能的影響。本文在實驗室對FB60鋼板采用不同的工藝進行熱處理，得到了強度相同或接近、顯微組織不同的鋼板試樣，研究了顯微組織對鋼板擴孔性能的影響，并探討了其擴孔開裂的機制。

1 試驗材料及方法

試驗用原料為工業(yè)用3.5 mm FB60鋼板材，化學成分見表1。為得到不同的組織，采用同一卷FB60鋼板在實驗室進行熱處理(原料為試樣A)，熱處理工藝見圖1。

表1 FB60鋼的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the FB60 steel (mass fraction) %

圖1 試驗鋼的熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic of heat treatment process for the tested steel

在熱處理前、后，沿板材橫向截取標準拉伸試樣，用Zwick Z600E電子拉伸試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。每件鋼板試樣加工3片90 mm×90 mm的擴孔用試樣，沖制出φ10 mm的圓孔，按照GB/T 24524—2009采用Zwick/roell BUP400板材成形試驗機進行擴孔試驗，錐形沖頭頂角為60°，沖頭運行速率為60 mm/min，直至圓孔邊緣有明顯貫穿裂紋為止。采用LEICA DM6000金相顯微鏡和FEI Quanta 400掃描電鏡觀察試樣的微觀組織，并借助Analysis pro 5圖象分析軟件測量鐵素體的平均晶粒尺寸和第二相的體積分數(shù)。在掃描電鏡觀下觀測擴孔后試樣圓孔端面和貫穿裂紋斷口的形貌，以及縮頸區(qū)域內(nèi)縱剖面的孔洞分布。采用HYSITRONTI 750原位納米壓痕儀測定顯微硬度，試驗力為4 mN，壓痕點間距5 μm，每件試樣100個壓痕，并用掃描電鏡觀察納米壓痕點。

2 試驗結果

2.1 力學性能

試樣的力學性能如表2所示，工程應力- 工程應變曲線如圖2所示。由表2可知，試樣A、C、D抗拉強度相同，均為610 MPa左右，斷后伸長率也基本相同，為22%～26%，屬于力學性能相同的產(chǎn)品。但它們的屈強比差異較大，試樣A為0.90，而試樣C、D約為0.6，由圖2可知，試樣C、D曲線光滑無屈服平臺，為典型的F/M雙相鋼拉伸曲線。試樣B抗拉強度最低，僅為481 MPa，斷后伸長率最高。

表2 不同狀態(tài)FB60鋼試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of the FB60 steel specimens in different conditions

圖2 FB60鋼試樣的工程應力- 工程應變曲線圖Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of the FB60 steel specimens

2.2 顯微組織

FB60鋼試樣的顯微組織見表4和圖3、圖4。由圖3、圖4可知，試樣A為典型的F+B組織，試樣B為F+P，這與其空冷至室溫有關。試樣C、D均為F+M，與試樣C相比，試樣D的鐵素體晶粒較粗大，馬氏體量少。這是因為試樣D加熱后空冷至670 ℃才淬水，其空冷時間較試樣C延長了約60 s。隨著空冷時間的延長， 奧氏體向鐵素體轉變的量增多，且鐵素體晶粒長大，剩余的奧氏體水冷轉變?yōu)轳R氏體，馬氏體呈彌散的孤立島狀[22- 23]。F/M雙相鋼板中的屈服強度決定于鐵素體[23]，試樣D的鐵素體晶粒較粗大，故其屈服強度較試樣C低32 MPa。抗拉強度則決定于軟硬相比例以及馬氏體的強度，而馬氏體的強度隨其碳含量的增加而提高[23]。

2.3 擴孔性能(延伸凸緣性能)

圖3 FB60鋼試樣A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的顯微組織Fig.3 Microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

圖4 FB60鋼試樣A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的掃描電鏡組織Fig.4 SEM microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

避開貫穿裂紋所在的方向，對擴孔后試樣(見圖5)的圓孔進行測量，取3次測量的平均值，并根據(jù)式(1)計算其擴孔率，結果如表3所示。

圖5 擴孔后的FB60鋼試樣Fig.5 Hole- expanded FB60 steel samples

表3 FB60鋼試樣的擴孔性能Table 3 Hole expanding rate (HER) of the FB60 steel specimens

(1)

式中：λ—擴孔率，%；D0—擴展前孔的直徑，mm；Dh—擴展至開裂時孔的平均直徑，mm。

由表3可知，試樣B的擴孔性能最好，試樣A次之，試樣D最差，且試樣C、D的擴孔率接近。即F/B雙相試樣A的擴孔率約為F/M雙相試樣C、D擴孔率的3倍大。

2.4 顯微硬度

對FB60鋼試樣中4種不同的顯微組織進行納米壓痕試驗，其典型的試驗力—壓痕深度曲線如圖6所示。對納米壓痕點進行篩選，剔除不合格的納米壓痕點(見圖7)，每個試樣有效壓痕數(shù)為70～80個。對這些合格的壓痕點進行統(tǒng)計(見圖8)，將其算術平均值作為該試樣組織的顯微硬度，結果如表4所示。

圖6 FB60鋼試樣中馬氏體(M)、貝氏體(B)、珠光體(P)和鐵素體(F)的試驗力- 壓痕深度曲線Fig.6 Load- indentation depth curves for martensite (M), bainite (B), pearlite (P) and ferrite (F) in the FB60 steel specimens

圖7 試樣A的納米壓痕SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM micrograph of nano- indentation of the sample A

由表4可知，不同試樣中的鐵素體硬度值略有區(qū)別，鐵素體的平均顯微硬度為2.66～3.08 GPa，珠光體為3.22 GPa， 貝氏體為3.84 GPa， 馬氏體為5.46～6.57 GPa。鐵素體顯微硬度波動較大可能與不同試樣中鐵素體的大小、晶內(nèi)位錯、亞晶結構等因素有關；馬氏體的硬度與其含碳量有關，含碳含量越高，馬氏體的硬度越高[19]。對于F/B雙相鋼板，硬/軟相硬度比值為1.25，遠小于F/M雙相鋼板的1.84～2.17。硬/軟相硬度比值大小為試樣B<試樣A<試樣C<試樣D，即F+P組織

圖8 試樣A中鐵素體(a)和貝氏體(b)的顯微硬度統(tǒng)計圖Fig.8 Micro- hardness statistical graphs for ferrite (a) and bainite (b) in the specimen A

表4 試樣的顯微組織及其顯微硬度Table 4 Microstructures in the specimens and their micro- hardness

注：軟相指F，硬相指P、B、M

2.5 斷口形貌

對擴孔后的試樣用SEM觀察孔的端面、貫穿裂紋以及縮頸區(qū)截面的微觀形貌，結果如圖9～11所示。

由圖9(c)可知，試樣的圓孔端面有大量的微裂紋，并與板厚呈45°或135°角，裂紋夾角近90°，這些裂紋是鋼板在擴孔過程中沿最大切應力方向起裂所致[24- 25]。圖9(b)、9(d)為貫穿裂紋斷口形貌，可知所有試樣的斷口均為延性斷口。F/B雙相鋼貫穿裂紋斷口的韌窩大而深，大小均勻，說明F/B雙相鋼具有良好的塑性。而F/M雙相鋼斷口韌窩小而淺，且大小不均勻，說明F/M雙相鋼塑性較差。這是因為F/M雙相鋼中存在較多的位錯，導致其難以滑移[26]。

圖9 擴孔后孔的形貌(a)以及(a)中所示裂紋斷口(試樣A(b)和C(d))和圓孔凸緣(c)的形貌Fig.9 (a)Expanded hole in the specimen and micrographs of ((b)specimen A and (d) specimen C) crack fracture and (c) hole flange showed in (a)

圖10 試樣A(a)、C(b)和D(c)擴孔后圓孔截面的微觀形貌 Fig.10 Micrographs of cross- section of the expanded hole in the samples A (a), B (b) and D(c)

圖10為縮頸區(qū)截面上裂紋尖端的形貌。對于試樣A，見圖10(a)，在裂紋的四周，貝氏體和鐵素體發(fā)生了明顯的形變，且存在大量的孔隙，分布范圍寬達60 μm。而試樣C僅在裂紋擴展的方向有少量的變形鐵素體和馬氏體，分布范圍僅10 μm寬，見圖10(b)。試樣D幾乎看不到變形的鐵素體和馬氏體，且孔隙數(shù)量更少，見圖10(c)。

圖11為F/M雙相鋼中擴展的裂紋形貌。由圖可知，試樣C裂紋兩側存在斷裂的馬氏體，裂紋為穿晶擴展。試樣D中裂紋沿晶界擴展，這是因為試樣D中的馬氏體硬度高，不易破裂。

圖11 試樣C(a)和D(b)裂紋擴展照片F(xiàn)ig.11 Micrographs of expanded crack in the specimens C (a) and D (b)

3 分析與討論

對于F/B和F/P鋼，試樣在擴孔過程中最先形變的是強度最低的鐵素體，變形導致鐵素體晶粒內(nèi)位錯增多。當位錯強化使得鐵素體強度與珠光體、貝氏體接近時，不同的組織一起變形，宏觀表現(xiàn)為擴孔性能良好。隨著變形量的進一步增大，在兩相界面或鐵素體晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量孔隙，孔隙被拉長、聚集而形成宏觀裂紋[17]。由于F/B和F/P鋼變形范圍大，且形變均勻，孔隙擴大的速率也基本相同，其貫穿裂紋斷口上的韌窩大小也較均勻。

而F/M雙相鋼中兩相的強度差別很大，其顯微硬度相差1倍，形變的鐵素體強度仍不能達到或接近馬氏體的強度，導致變形難以協(xié)調。而鐵素體的強度不高，當變形量達到兩相界面的極限變形量時，兩相界面將產(chǎn)生孔隙，故其擴孔性能很差。這些孔隙是在兩相界面產(chǎn)生，而馬氏體晶粒大小不一，孔隙的大小也不均勻，這些孔隙聚集擴大時，導致其斷口的韌窩尺寸也不均勻。與F/B和F/P鋼相比，F(xiàn)/M鋼中均勻變形的范圍大，產(chǎn)生的孔隙少，使擴孔過程中的應力更易集中，從而在擴孔過程的初期即開裂。

對于馬氏體含量不同、但擴孔性能接近的試樣C、D，擴孔性能除與兩相硬度差有關外，還與鋼中兩相的比例、兩相界面的面積、裂紋擴展的方式等因素有關[27]。試樣D中的馬氏體硬度高，即硬/軟相硬度比值大，其開裂概率大；如馬氏體含量少，其兩相界面少，發(fā)生開裂的部位也少。此外，馬氏體硬度高，在一定程度上又阻止鐵素體變形，增大了裂紋擴展所需的外力。試樣D中裂紋為沿晶擴展，所需的外力與穿晶擴展的試樣C不同。各種因素的綜合影響使試樣C、D的擴孔性能相近。還有待進一步研究。

對于試樣B，其擴孔率最大，達129%。這主要與其顯微組織為F+P有關。其兩相強度差最小，硬/軟相比值最小，擴孔時兩相協(xié)調最好。但珠光體強度太低，故試樣的強度最低，僅為480 MPa。而擴孔性能與抗拉強度成反比，當抗拉強度從500 MPa增加至600 MPa時，擴孔率下降約25%～35%[15]。相對而言，F(xiàn)+P兩相組織不是延伸凸緣性能良好的鋼板的最佳選擇。

綜上所述，F(xiàn)/B組織兼具高的強度和良好的擴孔性能，提高F/B雙相鋼中鐵素體強度以降低兩相的強度差[21]，或開發(fā)含有大量細小鐵素體單相組織的鋼，是高強度易擴孔的鋼的研究熱點。據(jù)報道，這種易擴孔的鋼的抗拉強度為780 MPa，擴孔率仍高達80%[28]。

4 結論

(1)成分相同、抗拉強度相同的F/B雙相鋼板的擴孔性能(延伸凸緣性能)是F/M雙相鋼板的3倍；成分相同時，F(xiàn)/P兩相組織的擴孔性能最好，但強度最低。

(2)擴孔開裂的直接原因是鋼板中兩相組織存在強度差，強度差越大，兩相的協(xié)同變形越差，在兩相界面越容易產(chǎn)生孔隙，孔隙聚集擴大而形成裂紋。

(3)對于F/P和F/B鋼板，擴孔過程中產(chǎn)生的大量形變區(qū)域和孔隙能緩解擴孔過程中的應力集中，吸收能量，并提供擴孔所需的空間，使鋼板具有良好的擴孔性能。對于F/M雙相鋼板，擴孔性能除與兩相的硬度差有關外，還與鋼板中兩相的比例、界面的面積、裂紋擴展的方式等因素有關。

(4)降低兩相強度差，或選擇析出強化的鐵素體單相組織，是高強度易擴孔鋼的發(fā)展方向。