退火溫度對DP590 冷軋雙相鋼相變和組織的影響

李慧遠(yuǎn)，戴杰濤，冼玲標(biāo)，劉雪麗，任建平，高永堅(jiān)

（1.廣州JFE 鋼板有限公司，廣東 廣州 511462；2.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

為追求汽車輕量化，響應(yīng)節(jié)能、減重和環(huán)保，生產(chǎn)成本低的先進(jìn)高強(qiáng)鋼受到越來越多的研究和關(guān)注[1-3]。以相變強(qiáng)化為基礎(chǔ)，由硬相的馬氏體和軟相的鐵素體組合的雙相鋼具有高的初始加工硬化速率和優(yōu)異的延伸率[4-5]。與同等級別屈服強(qiáng)度的傳統(tǒng)鋼相比，此種組織的雙相鋼有著更高的極限抗拉強(qiáng)度，因而雙相鋼廣泛應(yīng)用于汽車的縱梁、保險(xiǎn)杠、懸掛系統(tǒng)等零部件，是汽車鋼板的理想材料[6]。雙相鋼的組織主要由鐵素體和馬氏體組成，強(qiáng)化機(jī)制主要體現(xiàn)在馬氏體的相變強(qiáng)化，其中屈服強(qiáng)度主要取決于軟基體組織的鐵素體強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度主要受兩相的共同影響[7]?？刂齐p相鋼中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)、形態(tài)和分布狀況，對雙相鋼的性能具有重要的影響。文章以厚度2.0mm 的DP590 冷軋鋼板為原料，基于現(xiàn)場冷卻工藝，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬連續(xù)退火試驗(yàn)，重點(diǎn)研究不同退火溫度下，DP590 冷軋鋼板中馬氏體和鐵素體在給定冷卻工藝下的奧氏體相變和組織形態(tài)演變，以期為DP590 MPa 級冷軋雙相鋼的工業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼材料為厚度2.0mm 的冷軋鋼板，化學(xué)成分如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分

在冷軋鋼板上沿軋制方向上切割出適用于Gleeble-3800 熱模擬試驗(yàn)機(jī)的拉伸形試樣。首先在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上利用熱膨脹儀測定試驗(yàn)鋼的AC1 和AC3 點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場分段冷卻工藝，試驗(yàn)鋼的連續(xù)退火工藝設(shè)定為以2.8℃/s 的加熱速率加熱到不同的退火溫度并保溫40s，退火溫度分別為770℃、800℃和830℃。保溫后，以約13.9℃/s 的冷卻速率快速冷到520℃，再以10℃/s 冷卻到室溫。實(shí)驗(yàn)鋼的連續(xù)退火工藝如圖1 所示。為研究試驗(yàn)鋼在不同退火溫度下的奧氏體化程度，試樣加熱到不同退火溫度保溫40s 后進(jìn)行淬火處理。

圖1 試驗(yàn)鋼退火工藝示意圖

連續(xù)退火后的熱模擬試樣沿等溫區(qū)中間切開，試樣經(jīng)研磨和拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液浸蝕，并在LEICA DM2500m 金相顯微鏡和NOVA NANOSEM 430 環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的金相顯微組織。同時(shí)采用定量金相軟件測量試驗(yàn)鋼在不同退火溫度下保溫40s 淬水后的鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)的體積分?jǐn)?shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 退火溫度對奧氏體化程度的影響

試驗(yàn)鋼加熱到不同退火溫度保溫40s 淬水后的金相組織和冷軋鋼板的金相組織如圖2 所示。通過圖2（a）金相組織可以發(fā)現(xiàn)，冷軋組織主要為沿軋制方向拉長的鐵素體和少量的珠光體。少量珠光體沿著軋制方向呈帶狀分布，這種組織的遺傳性會使奧氏體在隨后的連續(xù)退火過程中優(yōu)先在珠光體晶界形核并快速的向珠光體內(nèi)長大[8]。淬水后的組織均為未奧氏體化的鐵素體和奧氏體相變后的馬氏體組成，如圖2（b）～（d）所示。加熱到兩相區(qū)退火溫度后，珠光體消失，沿軋制方向分布的鐵素體因再結(jié)晶而等軸化。隨著退火溫度的升高，鐵素體體積分?jǐn)?shù)減少，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增多。馬氏體的體積分?jǐn)?shù)可以定量表明不同退火溫度下鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的程度。通過定量金相分析，可以分別估算出不同退火溫度下鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的體積分?jǐn)?shù)。其中770℃等溫40s 時(shí)相變的體積分?jǐn)?shù)約為24%，800℃等溫40s 約為42%，而退火溫度升高到830℃時(shí)，鐵素體向奧氏體發(fā)生相變的體積分?jǐn)?shù)快速增加，約為74%。

2.2 退火溫度對奧氏體相變和組織的影響

試驗(yàn)鋼在加熱過程和冷卻過程中的熱膨脹曲線如圖3 所示。由圖3（a）試驗(yàn)鋼加熱過程中的熱膨脹曲線可知該試驗(yàn)鋼的AC3 和AC1 分別為904℃和724℃，即發(fā)生奧氏體相變的開始溫度為724℃，完全奧氏體相變溫度為904℃。為獲取雙相組織，退火溫度應(yīng)介于奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度和結(jié)束溫度之間。圖3（b）～（d）退火溫度分別為770℃、800℃和830℃保溫 40s，在給定冷卻工藝條件下的熱膨脹曲線，可以發(fā)現(xiàn)，冷卻過程中試驗(yàn)鋼均發(fā)生了相變，隨著退火溫度的升高，相變開始的溫度和結(jié)束溫度會有所提高。其中，在退火溫度為770℃和800℃時(shí)，熱膨脹曲線的拐點(diǎn)并不明顯，奧氏體相變的開始和結(jié)束溫度相差不大，分別為518℃、494℃和522℃和500℃。當(dāng)退火溫度升高到830℃時(shí)，熱膨脹曲線拐點(diǎn)較為明顯，相變開始溫度提高到646℃。另外，對比不同退火溫度下的奧氏體相變開始溫度，可以發(fā)現(xiàn)退火溫度在830℃時(shí)，奧氏體發(fā)生了先共析鐵素體相變，而退火溫度為770℃和800℃時(shí)，奧氏體向鐵素體的相變被抑制。連續(xù)退火加熱過程中，鋼中的C 和Mn 等元素將會向奧氏體中轉(zhuǎn)移，從而提高鐵素體的純凈性和奧氏體的淬透性[9]。奧氏體相變溫度的升高表明奧氏體的穩(wěn)定性降低。圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，退火溫度為770℃和800℃時(shí)，鐵素體向奧氏體相變的體積分別為24%和42%，而退火溫度升到830℃時(shí)，奧氏體相變體積分顯著增加，數(shù)約為74%。相比較而言，退火溫度為830℃時(shí)，單位體積奧氏體中的C 含量相對減少，降低了奧氏體的穩(wěn)定性，在隨后的冷卻過程中易于發(fā)生相變。而退火溫度為770℃和800℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中的奧氏體穩(wěn)定性相對較高，難以發(fā)生鐵素體相變。

圖2 試驗(yàn)鋼不同退火溫度下保溫40s 淬水后的顯微組織和冷軋板材組織

圖3 試驗(yàn)鋼加熱過程不同退火溫度保溫40s 冷卻過程熱膨脹曲線

試驗(yàn)鋼在不同退火溫度下連續(xù)冷卻后的光學(xué)顯微組織如圖4 所示。試驗(yàn)鋼在不同退火溫度下的組織均為鐵素體和馬氏體，隨著退火溫度的升高，鐵素體晶粒尺寸增大，晶粒更加均勻。雙相鋼中鐵素體的體積分?jǐn)?shù)和鐵素體的晶粒尺寸及晶粒的均勻性是影響材料塑性的主要因素[10]。試驗(yàn)鋼在掃描電鏡下放大4000 倍的金相照片如圖5 所示。退火溫度為770℃時(shí)，鐵素體晶粒尺寸為6.4μm，不規(guī)則的島狀馬氏體在鐵素體晶界上雜亂分布。退火溫度為800℃時(shí)，鐵素體晶粒尺寸略有增大，約為7.1μm，分布在晶界上的島狀馬氏體粗化，由不連續(xù)狀分布向連續(xù)分布轉(zhuǎn)變。當(dāng)退火溫度為830℃時(shí)，塊狀鐵素體晶粒顯著增大，由退火溫度為770℃時(shí)的6.4μm增大到9.5μm，在塊狀鐵素體之間出現(xiàn)尺寸約為3μm的等軸鐵素體晶粒。由圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，這些等軸鐵素體為過冷奧氏體在冷卻過程中相變的先共析鐵素體，且島狀的馬氏體在晶界上分布更加均勻。與退火溫度為800℃時(shí)的馬氏體數(shù)量相比，馬氏體的數(shù)量相對減少。由圖4 可知，退火溫度在830℃，奧氏體平均碳含量降低，降低了奧氏體的穩(wěn)定性，在冷卻過程中奧氏體發(fā)生鐵素體相變，降低了奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的數(shù)量，且抑制了島狀馬氏體的長大和粗化。在雙相鋼發(fā)生形變時(shí)，軟相的鐵素體基體會首先產(chǎn)生相對滑動出現(xiàn)屈服，因此在雙相鋼中，屈服強(qiáng)度主要取決于軟基體組織的強(qiáng)度，從而提高鐵素體含量可以改變雙相鋼的屈服強(qiáng)度[11]。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)鋼的AC3 和AC1 溫度分別為904 ℃和724℃。隨著退火溫度的升高，試驗(yàn)鋼中奧氏體體積分?jǐn)?shù)增大。在退火溫度為830℃時(shí)，奧氏體體積分?jǐn)?shù)顯著增加，由770℃的24%增加到830℃的74%。

（2）連續(xù)退火冷卻過程中，退火溫度在770℃和800℃時(shí)奧氏體未發(fā)生鐵素體相變，而退火溫度為830℃時(shí)，奧氏體穩(wěn)定性降低，發(fā)生鐵素體相變。

（3）3 種退火溫度下試驗(yàn)鋼的組織均為鐵素體和島狀馬氏體。退火溫度由770℃增加到800℃時(shí)，馬氏體數(shù)量增多，晶界上島狀馬氏體由不連續(xù)狀分布向連續(xù)分布轉(zhuǎn)變。當(dāng)升高到830℃時(shí)，塊狀鐵素體尺寸粗化明顯且體積分?jǐn)?shù)增加，島狀馬氏體數(shù)量減少。

圖4 試驗(yàn)鋼不同退火溫度下的光學(xué)顯微組織

圖5 試驗(yàn)鋼不同退火溫度下的SEM 形貌