DP540雙相輪輞鋼焊接接頭組織特征及其不均勻變形研究

霍世宗 潘 華 丁 凱 趙炳戈 雷 鳴 高玉來(lái)

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 2.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444; 4.寶山鋼鐵股份有限公司研究院汽車(chē)用鋼研究所，上海 201900; 5.汽車(chē)用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900)

近年來(lái)，隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)不斷加劇，汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視并成為一個(gè)重要發(fā)展方向。有關(guān)研究表明，汽車(chē)質(zhì)量每減少100 kg，可節(jié)省燃油0.3～0.5 L /(100 km)，可減少CO2排放8～11 g/(100 km)。車(chē)輪是汽車(chē)上一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的安全部件，其服役環(huán)境的特殊性決定了這類部件有著相對(duì)獨(dú)立的性能要求。汽車(chē)車(chē)輪承受著車(chē)輛的垂直負(fù)荷、橫向力、驅(qū)動(dòng)(制動(dòng))扭矩和行駛過(guò)程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力，它是高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，要求具有足夠的負(fù)荷能力、良好的緩沖性和氣密性、良好的均勻性和質(zhì)量平衡性。輪輞是安裝在車(chē)輪周邊支撐輪胎的部件，輪輞輕量化是汽車(chē)輕量化的途徑之一[1]。目前，先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等均已被用于輪輞的生產(chǎn)。其中先進(jìn)高強(qiáng)鋼完全可以滿足汽車(chē)工業(yè)所要求的安全、輕量、廉價(jià)和環(huán)保等要求，因此是優(yōu)先選擇的材料之一[2]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼中的雙相鋼由于有著高強(qiáng)度、成形性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)輪、底盤(pán)、保險(xiǎn)杠等的制造[3-4]。

雙相鋼通常是指由低碳鋼或低合金高強(qiáng)鋼經(jīng)臨界區(qū)處理或控軋控冷而得到的、主要由鐵素體和馬氏體所組成的鋼。雙相鋼的特性來(lái)源于它們的微觀結(jié)構(gòu)，其微觀結(jié)構(gòu)由鐵素體基體和在鐵素體晶粒之間排列的第二相馬氏體組成。微觀組織中還可能存在少量的貝氏體和殘留奧氏體[5]。生產(chǎn)工藝不同，馬氏體相的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和形態(tài)均不同。鄺霜等[6]研究了不同馬氏體體積分?jǐn)?shù)雙相鋼的組織特征，發(fā)現(xiàn)低馬氏體體積分?jǐn)?shù)情況下，馬氏體完全呈島狀或者顆粒狀；隨著馬氏體體積分?jǐn)?shù)的增加，組織中出現(xiàn)光學(xué)顯微鏡下可見(jiàn)的板條馬氏體，但顆粒狀馬氏體島數(shù)量較少；當(dāng)馬氏體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，板條馬氏體成為主導(dǎo)相，顆粒狀馬氏體島基本消失。

由于熱效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、無(wú)需添加焊接材料等優(yōu)點(diǎn)，閃光對(duì)焊已成為輪輞生產(chǎn)的主要焊接方法之一。隨著輪輞用鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，輪輞閃光對(duì)焊出現(xiàn)了新的焊接問(wèn)題，顯著影響產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。張洪博等[7]研究了510CL車(chē)輪鋼閃光對(duì)焊接頭組織，發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)包含界面區(qū)、粗晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)和部分重結(jié)晶區(qū)4個(gè)部分。

本文采用閃光對(duì)焊技術(shù)制備了DP540雙相鋼焊接接頭，并對(duì)焊接接頭不同特征區(qū)域的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行了觀察與分析，以期為DP540鋼在車(chē)輪輪輞上的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用DP540雙相鋼的化學(xué)成分如表1所示，為低碳低合金鋼。DP540鋼經(jīng)閃光對(duì)焊成焊接接頭，在整個(gè)焊件上截取用于組織觀察分析的試樣，試樣原始形貌如圖1所示。

表1 DP540雙相鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 閃光對(duì)焊焊接試樣形貌

試樣經(jīng)磨拋后使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后利用蔡司金相顯微鏡(Zeiss, Imager A2m)、掃描電子顯微鏡(JSM-6700F)觀察微觀組織，再利用MH-5L維氏硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，試驗(yàn)力為200 g，保載時(shí)間為5 s，步距為200 μm。最后采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，拉伸速度為10 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭顯微組織

金相試樣與拉伸試樣均取自同一焊接輪輞，以保證組織與性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。焊接接頭各區(qū)域顯微組織如圖2所示。

從金相圖片可以看出，DP540鋼焊接接頭可以分為5個(gè)特征區(qū)，如圖2(a)所示，依次為界面區(qū)、粗晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)、部分重結(jié)晶區(qū)和母材。界面區(qū)位于整個(gè)焊接接頭的中心，如圖2(b)所示，界面區(qū)結(jié)合良好，未見(jiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷。在閃光對(duì)焊過(guò)程中，界面區(qū)是工件接觸面經(jīng)閃光、頂鍛作用實(shí)現(xiàn)連接的區(qū)域。在閃光階段，界面區(qū)經(jīng)歷的峰值溫度極高，接近固-液相溫度，因此導(dǎo)致晶粒嚴(yán)重粗化。在頂鍛階段，頂鍛力的作用下，界面區(qū)處于熔化、半熔化狀態(tài)的金屬以及夾雜物被擠出，并通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生了較大的塑性變形[8]。冷卻時(shí)，由于快速冷卻，導(dǎo)致鐵素體晶粒粗大。與界面區(qū)相鄰的粗晶區(qū)經(jīng)歷了較高的峰值溫度和閃光對(duì)焊過(guò)程中的塑性變形，其特征是由于快速冷卻造成晶粒粗化并主要由粗大的鐵素體和馬氏體組成(見(jiàn)圖2c)。越接近界面區(qū)，溫度越高，晶粒越粗。重結(jié)晶區(qū)晶粒較為細(xì)小，主要由細(xì)小且均勻的鐵素體和馬氏體組成，如圖2(d)所示，該區(qū)域的晶粒細(xì)化主要與其經(jīng)歷的相對(duì)較低的峰值溫度有關(guān)，力學(xué)性能良好。部分重結(jié)晶區(qū)位于重結(jié)晶區(qū)和母材之間，如圖2(e)所示，它主要由鐵素體和少量馬氏體組成，部分重結(jié)晶區(qū)靠近母材區(qū)域，受焊接熱循環(huán)的影響，該區(qū)域產(chǎn)生回火，部分馬氏體分解。

圖2 DP540鋼焊接接頭各區(qū)域顯微組織

焊接試樣母材區(qū)域的顯微組織如圖3所示，主要由鐵素體和分布在鐵素體晶界的馬氏體組成。馬氏體提供了雙相鋼的強(qiáng)度特性，鐵素體則使雙相鋼具有良好的塑性，在拉伸變形時(shí)，作為高硬度的第二相馬氏體阻礙了裂紋的擴(kuò)展，因此雙相鋼具有良好的韌性[9]。

圖4為拉伸試樣全貌圖，可以看出，拉伸試樣斷裂于焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。

圖3 焊接試樣母材區(qū)域的顯微組織

圖4 拉伸試樣全貌

圖5為在掃描電鏡下觀察到的粗晶區(qū)微觀組織，可以看出，粗晶區(qū)基體組織主要為鐵素體，鐵素體表面無(wú)明顯析出相，十分“干凈”。粗晶區(qū)由于峰值溫度很高，冷卻后得到粗大的組織，韌性很低，為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，常產(chǎn)生脆化或裂紋[10]。根據(jù)雙相鋼組織特點(diǎn)，雙相鋼發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變集中在鐵素體中，第二相馬氏體起強(qiáng)化作用，而粗晶區(qū)主要為粗大的鐵素體組織，因此為焊接熱影響區(qū)的薄弱環(huán)節(jié)。閻啟等[11]對(duì)雙相鋼的焊接性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化的焊接工藝會(huì)使粗晶區(qū)組織細(xì)化，從而提高韌性。Li等[12]對(duì)熱軋含Ti雙相鋼的析出行為和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)析出相對(duì)雙相鋼基體起析出強(qiáng)化作用，因此細(xì)化粗晶區(qū)和增加該區(qū)域析出相的數(shù)量是提高粗晶區(qū)抗變形性能的有效途徑。

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

圖5 焊接試樣粗晶區(qū)微觀組織的SEM形貌

圖6為焊接試樣顯微硬度分布。從圖中可以看出，閃光對(duì)焊過(guò)程中焊接接頭存在巨大的頂鍛力，因此越靠近焊縫中心，位錯(cuò)密度越高[13]，從而導(dǎo)致界面區(qū)的硬度最高。隨著與界面區(qū)距離的不斷增加，焊接熱的影響逐漸減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起位錯(cuò)密度降低，從而硬度呈下降趨勢(shì)。因此，界面區(qū)硬度最高，并沿粗晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)逐漸降低，直至母材區(qū)平穩(wěn)。其中部分重結(jié)晶區(qū)存在硬度偏低的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下，熱影響區(qū)靠近基體的部位產(chǎn)生軟化，形成軟化區(qū)，軟化區(qū)主要由原先存在的馬氏體回火形成。

從硬度數(shù)據(jù)可見(jiàn)，焊接接頭的硬度雖上下波動(dòng)但幅度不大，較為穩(wěn)定，大致集中在150～180 HV0.2。李在先等[14]研究了SX65雙相鋼的焊接性能，發(fā)現(xiàn)焊接接頭軟化區(qū)的硬度明顯降低，拉伸變形時(shí)在此處斷裂，結(jié)合本文焊接接頭的硬度數(shù)據(jù)和斷裂位置，可見(jiàn)本文焊接試樣的粗晶區(qū)相比軟化區(qū)更易變形。

圖6 焊接試樣顯微硬度分布

焊接接頭試樣的拉伸性能如圖7所示，從圖中可以看出，焊接接頭的屈服強(qiáng)度為464 MPa，抗拉強(qiáng)度為514 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為21.5%，試樣在應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)發(fā)生縮頸，并斷裂于粗晶區(qū)。

圖7 焊接接頭試樣的拉伸性能

2.3 兩相比例統(tǒng)計(jì)

使用Image-ProPlus軟件對(duì)焊接接頭各特征區(qū)的主要兩相，即鐵素體和馬氏體含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別得到粗晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)、部分重結(jié)晶區(qū)和母材4個(gè)區(qū)域的兩相比例(鐵素體體積分?jǐn)?shù)/馬氏體體積分?jǐn)?shù))。

圖8(a)為母材金相照片，圖8(b)為使用IPP軟件對(duì)(a)圖的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中黑色區(qū)域?yàn)殍F素體統(tǒng)計(jì)區(qū)域，白色區(qū)域?yàn)轳R氏體統(tǒng)計(jì)區(qū)域，計(jì)算得到鐵素體與馬氏體兩相體積比為7.8(鐵素體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)分別為88.7%、11.3%)。

使用IPP軟件對(duì)其他特征區(qū)域的兩相比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中部分重結(jié)晶區(qū)鐵素體與馬氏體兩相體積比為15.7(鐵素體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)分別為94.0%、6.0%)，重結(jié)晶區(qū)鐵素體與馬氏體兩相體積比為11.8(鐵素體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)分別為92.2%、7.8%)，粗晶區(qū)鐵素體與馬氏體兩相體積比為26.9(鐵素體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)分別為96.7%、3.6%)。

圖8 母材區(qū)IPP數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖9為各特征區(qū)兩相比例的柱狀圖，可見(jiàn)母材、部分重結(jié)晶區(qū)和重結(jié)晶區(qū)的兩相比例較為接近，而粗晶區(qū)的兩相比例差異明顯大于其他特征區(qū)。這是因?yàn)榇志^(qū)主要為粗大的鐵素體晶粒，抗變形性能較差，在拉伸過(guò)程中承擔(dān)了較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致縮頸，產(chǎn)生了不均勻變形，因此粗晶區(qū)為拉伸變形中的薄弱環(huán)節(jié)。

圖9 焊接接頭各特征區(qū)的兩相比例

3 結(jié)論

(1)DP540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭存在5個(gè)特征區(qū)域，分別是界面區(qū)、粗晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)、部分重結(jié)晶區(qū)和母材，界面區(qū)的硬度最高。

(2)焊接接頭試樣的屈服強(qiáng)度為464 MPa，抗拉強(qiáng)度為517 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為21.5%，試樣在應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)發(fā)生縮頸，斷裂位置處于粗晶區(qū)。

(3)焊接接頭不同特征區(qū)的主要兩相即鐵素體和馬氏體比例存在差異，母材、部分重結(jié)晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)及粗晶區(qū)的兩相比例依次為7.8、15.7、11.8和26.9，粗晶區(qū)的兩相比例差異最大，從而導(dǎo)致焊接試樣在拉伸變形過(guò)程中首先在粗晶區(qū)發(fā)生變形，產(chǎn)生縮頸。