超高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)組織特征的熱模擬研究

鄧 越，張 喜，張光凱，黃克軍，任江偉*

（上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620）

1 背景

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)于安全、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，汽車輕量化成為行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼是目前平衡汽車安全性和節(jié)能性這對(duì)矛盾體的理想方案[1，2]。在車身的制造流程中電阻點(diǎn)焊是最主要的方法之一。對(duì)于常用鋼制車身，白車身上的焊點(diǎn)可達(dá)4000個(gè)～6000個(gè)，這些焊點(diǎn)的質(zhì)量直接影響車身的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、抗沖擊性、力學(xué)穩(wěn)定性能等[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)熱成形鋼、雙相鋼等高強(qiáng)度鋼電阻點(diǎn)焊性能的研究顯示，焊接熱影響區(qū)對(duì)整個(gè)接頭的承載能力影響甚大[4，5]。由于電阻點(diǎn)焊時(shí)的加熱和冷卻速度極快，傳統(tǒng)的熱處理手段無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻點(diǎn)焊熱循環(huán)的模擬，因此采用熱模擬的方法模擬超高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊過程中熱影響區(qū)的組織和性能演變，可靈活地對(duì)點(diǎn)焊過程中的各種因素進(jìn)行綜合研究和分析，降低成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本文采用B1500HS超高強(qiáng)鋼為研究對(duì)象，其顯微組織為馬氏體，化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

表1 B1500HS鋼化學(xué)成分[6]

表2 B1500HS鋼力學(xué)性能[7]

圖1 熱模擬試樣（單位mm）

鋼板經(jīng)線切割并加工出熱模擬試樣，尺寸見圖1。在熱模擬試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械打磨和超聲清洗。熱模擬試驗(yàn)采用的為美國(guó)Dynamic System公司生產(chǎn)的Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)。設(shè)定的主要工藝參數(shù)為：加熱速度224℃/s，間隔時(shí)間200ms，試樣A加熱溫度800℃，加熱時(shí)間200ms；試樣B加熱溫度600℃，加熱時(shí)間200ms；試樣C加熱溫度400℃，加熱時(shí)間200ms。

熱模擬試驗(yàn)后，采用標(biāo)準(zhǔn)程序制備金相試樣，并在日本基恩士公司生產(chǎn)的VHX-600K超景深三維數(shù)碼顯微分析系統(tǒng)和日立公司生產(chǎn)的S-3400N掃描電子顯微鏡下觀察微觀組織。采用HXD-1000TMSC顯微硬度計(jì)測(cè)試不同組織的顯微硬度。載荷200g，保持時(shí)間為15s。每個(gè)試樣測(cè)試五次，取其平均值為該組織的典型值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

三個(gè)試樣的熱循環(huán)曲線如圖2所示，各試樣的微觀組織如圖3、圖4。

圖2 三個(gè)試樣的熱模擬溫度曲線

從圖2～圖4可見，試樣A的實(shí)際加熱溫度為740℃，比預(yù)設(shè)溫度低60℃。試樣焊接熱循環(huán)峰值溫度大于Ac1，但小于Ac3，該試樣模擬了跨臨界熱影響區(qū)的焊接熱循環(huán)。光學(xué)金相照片顯示，存在明顯的帶狀組織。晶粒被拉長(zhǎng)，珠光體和鐵素體還有沿晶界析出的碳化物呈帶狀分布。掃描電鏡照片顯示，晶界處出現(xiàn)大量鐵素體。晶粒內(nèi)部，則是典型的珠光體組織。在該溫度下的熱循環(huán)，試樣原有的板條狀馬氏體已經(jīng)完全分解，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體組織。該試樣的平均顯微硬度約275HV，比母材硬度下降了約50%，該區(qū)域軟化程度十分明顯。

試樣B的實(shí)際加熱溫度為590℃，比預(yù)設(shè)溫度低10℃。試樣焊接熱循環(huán)峰值溫度略低于Ac1，該試樣模擬了亞臨界熱影響區(qū)的焊接熱循環(huán)，也可稱之為高溫回火區(qū)。光學(xué)金相照片顯示，原有的板條狀馬氏體已經(jīng)消失，可見鐵素體和碳化物所組成的板條狀晶粒。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是，由于高溫持續(xù)時(shí)間短，馬氏體直接受熱分解成鐵素體和碳化物，因此，基體組織保持了原有的板條狀特征。掃描電鏡照片顯示，在鐵素體基體的界面處，出現(xiàn)了大量的碳化物析出。在該溫度下的熱循環(huán)，組織的顯微硬度為293HV，只略高于試樣A的顯微硬度。

圖3 三個(gè)試樣的微觀組織（光學(xué)圖像）

圖4 三個(gè)試樣的微觀組織（SEM圖像）

試樣C的實(shí)際加熱溫度為390℃，比預(yù)設(shè)溫度低10℃。顯微組織觀察顯示，熱加工流線非常明顯。光學(xué)金相照片顯示，鐵素體、馬氏體呈長(zhǎng)條狀分布，在晶界處出現(xiàn)了碳化物偏聚。掃描電鏡照片顯示，原有的板條狀馬氏體并未消失，但在晶界處，出現(xiàn)了碳化物偏聚。在組織中，也可看到一些鐵素體。試樣C的平均顯微硬度約425HV，相比母材該硬度值有所下降。結(jié)合顯微組織和模擬溫度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在熱循環(huán)中，由于加熱速度快，高溫停留時(shí)間短，馬氏體分解并不是該區(qū)域出現(xiàn)軟化的主要原因。該區(qū)域發(fā)生軟化主要是因?yàn)?，基體組織中的碳原子在受熱過程中，發(fā)生偏聚，使晶格畸變降低，進(jìn)而引起硬度下降。

4 結(jié)論

（1）由于電阻點(diǎn)焊的加熱和冷卻過程速度很快，模擬時(shí)的實(shí)際加熱溫度與設(shè)定溫度間存在一定的偏差。但是偏差比較小，對(duì)本研究中的組織轉(zhuǎn)變及其力學(xué)性能沒有顯著改變。

（2）B1500HS母材為板條狀馬氏體。加熱到Ac1～Ac3之間溫度時(shí)，形成珠光體+鐵素體組織，硬度275HV。加熱到略低于Ac1以下溫度時(shí)，形成鐵素體和碳化物組織，硬度293HV。加熱到400℃時(shí)，形成鐵素體+馬氏體組織，硬度425HV。

（3）B1500HS電阻點(diǎn)焊時(shí)，HAZ的最低硬度出現(xiàn)在跨臨界熱影響區(qū)，該區(qū)域發(fā)生顯著的軟化，成為整個(gè)焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。通過加快冷卻速度，獲得馬氏體組織，有望進(jìn)一步提高接頭的承載能力。

致謝：本項(xiàng)目得到上海工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（cx1805004）的支持。