高強(qiáng)塑積汽車(chē)鋼板的熱處理工藝與力學(xué)性能研究

程麗群 宋凌鵬

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188； 2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，給新時(shí)期汽車(chē)鋼板的發(fā)展帶來(lái)新的歷史機(jī)遇的同時(shí)，也對(duì)高強(qiáng)高塑汽車(chē)鋼板的性能提出了更高的要求。目前,基于節(jié)約資源、降低成本、汽車(chē)輕量化和提高安全性的第三代汽車(chē)鋼的強(qiáng)塑積已經(jīng)從第一代汽車(chē)鋼的強(qiáng)塑積≤15 GPa·%發(fā)展為要求≥30 GPa·%[1]，且研發(fā)具有高強(qiáng)塑性的Fe- Mn- Si系汽車(chē)鋼板已成為科研工作者共同努力的目標(biāo)。傳統(tǒng)的汽車(chē)鋼板主要采用淬火- 回火(Q- T)工藝來(lái)提升強(qiáng)度[2]。本文基于徐祖耀[3]提出的引入碳化物沉淀相的理念，考察了淬火- 回火(Q- T)和淬火- 分配- 回火(Q- P- T)工藝對(duì)不同碳含量Fe- Mn- Si系汽車(chē)鋼板的顯微組織和力學(xué)性能的影響，為高強(qiáng)塑積汽車(chē)鋼板的研發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用真空感應(yīng)熔煉法制備了Nb微合金化的低碳鋼和中碳鋼(分別編號(hào)為A和B)，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)鋼錠經(jīng)鍛造和6道次熱軋(始軋和終軋溫度分別為1 185和825 ℃)成12 mm厚板材。采用DIL 805A全自動(dòng)膨脹儀測(cè)試鋼板的相變點(diǎn)，A和B鋼板的奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ac3分別為912和798 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms分別為396和290 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf分別為172和85 ℃。

沿鋼板軋制方向截取2 mm厚試樣，在Nabertherm LV 15/11/P330型熱處理爐中進(jìn)行Q- T和Q- P- T處理，具體工藝示意圖如圖1所示。其中，A鋼板的奧氏體化溫度為960 ℃、保溫時(shí)間為300 s，水淬至室溫后再進(jìn)行450 ℃×30 s的鹽浴處理，最后水冷至室溫；B鋼板的奧氏體化溫度為850 ℃，其他參數(shù)與A鋼板相同。

圖1 試驗(yàn)鋼板的熱處理工藝

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在MTS- 810型電子萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果取3組平行試樣的平均值；采用線切割從熱處理鋼板上截取塊狀試樣，經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨、拋光和腐蝕后，使用Tescan3 型掃描電子顯微鏡觀察顯微組織和拉伸斷口形貌；將塊狀試樣切成TEM薄片，人工打磨至約70 μm厚，采用沖孔器沖成φ3 mm的小圓片，然后用體積分?jǐn)?shù)為3.5%的高氯酸酒精溶液(-40 ℃)電解雙噴減薄后，在JEOL- 2010型透射電子顯微鏡(TEM,transmission electron microscope)上進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)觀察；采用帕納科Empyrean銳影X射線衍射儀(XRD,X- ray diffractometer)測(cè)定物相并計(jì)算殘留奧氏體含量[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2是經(jīng)Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的拉伸曲線，其室溫拉伸性能列于表2。對(duì)比分析可見(jiàn)，Q- P- T工藝處理的鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于Q- T工藝處理的，但Q- P- T工藝處理的鋼板的最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率均明顯高于Q- T工藝處理的，而強(qiáng)塑積則表現(xiàn)為Q- P- T工藝處理的鋼板明顯高于Q- T工藝處理的。此外，隨著碳含量的增加，Q- P- T和Q- T工藝處理的鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和強(qiáng)塑積都有所上升，但Q- T工藝處理的鋼板的最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率都有所下降，而Q- P- T工藝處理的鋼板的最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率則上升。Q- P- T工藝處理的B鋼板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 569 MPa、最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了12.7%和21.4%、強(qiáng)塑積達(dá)到33 577 MPa·%，即具有高強(qiáng)高塑的特性。

表1 試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖2 Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的拉伸曲線

圖3為Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的XRD圖譜。對(duì)比分析可見(jiàn)，Q- T工藝處理的鋼板中均未發(fā)現(xiàn)明顯的奧氏體衍射峰(可能與奧氏體含量較低有關(guān)[5])，而Q- P- T工藝處理的鋼板中均出現(xiàn)了明顯的(111)、(200)、(220)和(311)晶面的奧氏體衍射峰，且B鋼板中奧氏體衍射峰強(qiáng)度更高。根據(jù)奧氏體衍射峰的強(qiáng)度值和殘留奧氏體晶格點(diǎn)陣常數(shù)計(jì)算[6]得到，Q- P- T工藝處理的A和B鋼板中殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為6.4%和15.8%，較高的殘留奧氏體含量保證了鋼板的高塑性，這也是Q- P- T工藝處理的B鋼板具有較高的最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率的原因。

圖3 Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的XRD圖譜

圖4為Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的SEM形貌，圖中C和M分別表示碳化物和馬氏體，而對(duì)應(yīng)的虛線則表示原奧氏體晶界、實(shí)線為相鄰界面。Q- T和Q- P- T工藝處理的鋼板的顯微組織中均可見(jiàn)明顯的回火馬氏體，但殘留奧氏體已較難分辨；含碳量較低的A鋼板中可觀察到碳化物的存在，而含碳量較高的B鋼板中的碳化物無(wú)法分辨；此外，A鋼板的馬氏體板條寬度不均且粗大板條貫穿原奧氏體晶粒，而B(niǎo)鋼板的馬氏體板條束相對(duì)均勻，其中，A鋼板中粗大板條馬氏體的形成主要與Q- T工藝處理時(shí)一次淬火形成較大過(guò)冷度而使優(yōu)先形核馬氏體發(fā)生粗化有關(guān)[7- 8]。

圖4 Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的SEM形貌

圖5 Q- T工藝處理的A和B鋼板的TEM形貌

圖6為Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的TEM形貌?？芍?，Q- P- T工藝處理的鋼板的組織均為板條馬氏體+薄片狀殘留奧氏體，但A和B鋼板中板條馬氏體間殘留奧氏體寬度存在明顯差異， A鋼板的殘留奧氏體寬度約38 nm，B鋼板的殘留奧氏體寬度約98 nm。Q- P- T工藝處理的鋼板的殘留奧氏體含量明顯高于Q- T工藝處理的，這與圖3的XRD衍射結(jié)果相吻合。

圖6 Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的TEM形貌

圖7 Q- P- T工藝處理的A和B鋼板中碳化物的TEM形貌

圖8為Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的拉伸斷口形貌。對(duì)比可見(jiàn)，Q- T處理的鋼板的斷口有尺寸較大的二次裂紋，韌窩數(shù)量較少且較淺；Q- P- T處理的鋼板的斷口二次裂紋數(shù)量較少，韌窩數(shù)量較多且較深，尤其是B鋼板斷口未發(fā)現(xiàn)二次裂紋。拉伸斷口形貌觀察與表1的拉伸性能結(jié)果相吻合，即Q- P- T工藝處理的鋼板的塑性?xún)?yōu)于Q- T工藝處理的鋼板，且Q- P- T工藝處理的B鋼板的塑性最好。

圖8 Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的拉伸斷口形貌

3 分析與討論

通過(guò)上述分析可知，經(jīng)Q- T工藝處理增加碳含量會(huì)提高鋼板的強(qiáng)度而降低塑性，而Q- P- T工藝處理增加碳含量則會(huì)同時(shí)提高鋼板的強(qiáng)度和塑性，這主要與Q- T和Q- P- T處理后鋼板的基體組織差異有關(guān)[11]。

Q- T和Q- P- T工藝處理的A和B鋼板的顯微組織中均可見(jiàn)板條狀馬氏體和殘留奧氏體。但是Q- T工藝的淬火溫度相對(duì)較低，殘留奧氏體含量低于Q- P- T處理的；熱處理工藝相同，B鋼板的殘留奧氏體含量也高于A鋼板的，這主要與B鋼板的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于A鋼板有關(guān)[12]。Q- P- T工藝較高的淬火溫度以及較小的馬氏體相變過(guò)冷度使B鋼板具有較小的淬火應(yīng)力、較少二次裂紋和更均勻細(xì)小的板條馬氏體[13]，且B鋼板中起彌散強(qiáng)化作用的NbC相數(shù)量更多，從而保證了其高強(qiáng)高塑特性。此外，殘留奧氏體形貌從Q- T工藝處理的薄膜狀轉(zhuǎn)變?yōu)镼- P- T工藝處理的薄片狀，寬度也明顯增加，而薄片狀殘留奧氏體相比薄膜狀殘留奧氏體具有更好的抑制裂紋擴(kuò)展的作用，這主要與薄片狀殘留奧氏體可以與板條馬氏體產(chǎn)生協(xié)同形變，而薄膜狀殘留奧氏體對(duì)馬氏體的協(xié)調(diào)形變影響較小有關(guān)[14- 15]。

4 結(jié)論

(1)隨著碳含量的增加，Q- P- T和Q- T工藝處理的鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和強(qiáng)塑積都有所上升，但是Q- T工藝處理的鋼板的最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率有所下降，而Q- P- T工藝處理的鋼板的最大力總延伸率和斷后伸長(zhǎng)率則上升。

(2)Q- P- T工藝處理的A和B鋼板中殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為6.4%和15.8%；Q- T和Q- P- T處理的鋼板的顯微組織中均可見(jiàn)回火馬氏體，但殘留奧氏體較難分辨。

(3)Q- T工藝處理的鋼板的顯微組織為板條馬氏體+薄膜狀殘留奧氏體，Q- P- T處理的鋼板的顯微組織為板條馬氏體+薄片狀殘留奧氏體；殘留奧氏體形貌從Q- T工藝處理的薄膜狀轉(zhuǎn)變?yōu)镼- P- T工藝處理的薄片狀，其中Q- P- T處理的A和B鋼板的殘留奧氏體寬度分別為38和98 nm。Q- P- T工藝處理的鋼板中均彌散析出了較多起析出強(qiáng)化作用的NbC相。