微量Nb對熱鍍鋅DH780鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

吳炳元 王俊峰 崔振祥

（1.寶山鋼鐵股份有限公司營銷中心汽車板銷售部，上海 201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900；3.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室（寶鋼），上海 201900）

DH 鋼（dual phase high ductility steel，即高成形雙相鋼）是近年來發(fā)展較快的先進高強鋼，與傳統(tǒng)DP鋼相比，生產(chǎn)工藝相同，通過成分調(diào)整可使鋼板退火組織中存在少量奧氏體（和部分貝氏體），通過奧氏體在變形過程中的TRIP效應(yīng)使DH鋼具有更好的成形性能［1-5］。同時，DH鋼成形性的改善并未增大生產(chǎn)的難度，并且具有較好的焊接性和抗剪切邊敏感性，綜合性能優(yōu)于常規(guī)DP鋼。在汽車行業(yè)，19款奔馳A級車新車型上DH鋼的總用量占先進高強鋼的53%，已成為車身輕量化的重要選材，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，DH鋼的研究尚處于起步階段，主要研究合金元素對組織的影響、變形機制及焊接等［1，6-8］，關(guān)于微量合金元素對DH 鋼組織和性能影響的研究尚未見報道。鈮是最常用的合金元素，可通過納米相析出使基體強化和細化晶粒，從而改善鋼的組織和性能［9-13］。微量Nb對DH鋼組織和性能的影響值得研究。本文研究了經(jīng)相同工藝熱鍍鋅的添加微量鈮和不含鈮的780 MPa級DH（DH780）鋼的顯微組織和力學(xué)性能，探討了微量Nb的影響機制。

1 試驗材料與方法

試驗用含微量鈮和不含鈮DH780鋼采用50 kg中頻真空感應(yīng)爐熔煉，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)1 230℃保溫1 h后鍛成尺寸為600 mm×150 mm×36 mm的鍛坯，隨后加熱至1 230℃保溫1 h，在860℃以上經(jīng)4道次軋制成3.6 mm厚的板料，水冷至530℃保溫1 h爐冷，以模擬工業(yè)卷取過程；對熱軋板酸洗去除表面氧化皮并冷軋至1.3 mm厚，用于退火試驗。從冷軋板上切取450 mm×150 mm×1.3 mm試塊進行模擬連退試驗。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical compositions of the investigated steels（mass fraction） %

采用SIROLI SIMULATOR連退模擬裝置模擬熱鍍鋅退火工藝：冷軋板以5℃／s速率加熱至800℃保溫90 s，然后以5℃／s速率緩冷至680℃后，再以30℃／s速率快冷至450℃（鋅液溫度）保溫50 s，最后以30℃／s速率冷卻至室溫。

加工標距為80 mm的拉伸試樣，在Instron 5581型萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗。對試樣縱截面進行鑲嵌、砂紙研磨、機械拋光和4%（體積分數(shù)，下同）硝酸酒精溶液腐蝕，采用Zeiss Axio Imager A2m型光學(xué)顯微鏡和ZEISS ULTRATM 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行組織觀察。采用電子背散射衍射技術(shù)檢測殘留奧氏體分布。采用Bruker-AXS D8 Discover型X射線衍射儀檢測殘留奧氏體含量和織構(gòu)。將透射電子顯微鏡分析用試樣（1.3 mm×10 mm×10 mm）研磨至80 μm厚，沖制成φ3 mm試片，在4%高氯酸酒精溶液中電解雙噴拋光（溫度-30℃，電壓40 V），采用JEOL 2100F型場發(fā)射透射電子顯鏡檢驗析出相和微觀組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈮對DH780組織的影響

圖1為含鈮和不含鈮DH780鋼的顯微組織。從圖1（a，d）可明顯看出，不含Nb鋼的組織成帶狀分布，而含微量鈮鋼的組織更均勻；高倍下（圖1（b，e）），兩種鋼組織均由鐵素體、貝氏體、馬氏體和殘留奧氏體組成，這與鋼的成分和熱鍍鋅工藝有關(guān)。在兩相區(qū)保溫后形成的奧氏體在鍍鋅溫度下部分發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，貝氏體鐵素體中碳向相鄰奧氏體富集，在隨后冷卻至室溫的過程中，部分不穩(wěn)定奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而較穩(wěn)定的奧氏體則殘留在基體中，主要分布于原奧氏體晶界、貝氏體板條間和馬氏體間。相組成分析表明，兩種鋼組織中的殘留奧氏體含量相差不大，但鐵素體和馬氏體+貝氏體含量不同，含Nb鋼中鐵素體較多，馬氏體+貝氏體較少（表2）。同時，含Nb鋼的晶粒更細小，這與Nb的碳氮化物在高溫下析出、釘扎晶界，抑制晶粒長大有關(guān)。TEM表征結(jié)果（圖2）表明，含Nb鋼中有較多的細小析出相。

圖1 不含鈮（a，b，c）和含鈮（d，e，f）DH780 鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the niobium-free（a，b，c）and niobium-containing（d，e，f）DH780 steels

圖2 含鈮DH780鋼中析出相Fig.2 Precipitated phases in the niobium-containing DH780 steel

表2 試驗鋼中各相含量（體積分數(shù)）Table 2 Contents of the phases in the investigated steels （volume fraction） %

織構(gòu)分析結(jié)果（圖3）顯示，兩種試驗鋼的主要織構(gòu)為｛114｝〈110〉和｛554｝〈225〉，次要織構(gòu)為｛334｝〈110〉，弱織構(gòu)為｛001｝〈110〉，不含鈮DH780鋼的織構(gòu)強度略大于含鈮DH780鋼，這可能與試樣的組織均勻性有關(guān)。

圖3 含鈮（a）和不含鈮（b）DH780鋼中織構(gòu)Fig.3 Textures in the DH780 steels with （a）and without（b）niobium

2.2 鈮對DH780鋼性能的影響

對含鈮和不含鈮DH780鋼冷軋板的軋向取樣進行拉伸試驗，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化率-真應(yīng)變曲線如圖4所示，試驗結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯⒘縉b的添加使鋼的屈服強度和抗拉強度降低，斷后伸長率升高。強度降低是含Nb鋼的組織中鐵素體量增多、馬氏體量減少所致。雖然兩種鋼的殘留奧氏體量相近，且析出相的存在不利于斷后伸長率的提高，但由于Nb的添加鋼的組織更加均勻及晶粒明顯細化，并且含Nb鋼中鐵素體量的增加也有利于塑性的提高。微量鈮對組織的綜合影響使含Nb鋼在整個均勻變形階段具有更高的應(yīng)變硬化率，從而使鋼獲得更高的斷后伸長率。

表3 含鈮和不含鈮DH780的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the steels with and without niobium

圖4 含鈮和不含鈮DH780鋼的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線（a）和應(yīng)變硬化率-真應(yīng)變曲線（b）Fig.4 Engineering stress-engineering strain curves（a）and strain hardening rate-true strain curves（b）for the steels with and without niobium

采用透射電子顯微鏡檢測了含鈮和不含鈮DH780鋼的變形組織，其馬氏體均為孿晶馬氏體，圖5為含Nb鋼的變形孿晶馬氏體形貌。這說明兩種鋼在兩相區(qū)保溫后的緩冷過程中和在熱鍍鋅溫度保溫階段，發(fā)生了碳向奧氏體的兩次富集，使退火板中殘留奧氏體的含碳量較高，在變形過程中形成孿晶馬氏體，產(chǎn)生加工硬化，有利于獲得較好的塑性。但孿晶馬氏體的形成易導(dǎo)致基體中產(chǎn)生微裂紋，對鋼的力學(xué)性能不利，因此改善強化相的形貌和控制其數(shù)量是進一步優(yōu)化DH鋼綜合性能的研究方向。

圖5 含Nb鋼形變組織中的孿晶馬氏體Fig.5 Twin martensite in the deformed microstructure in the steel with niobium

3 結(jié)論

（1）含微量鈮和不含鈮DH780鋼的顯微組織均為鐵素體+馬氏體+貝氏體+殘留奧氏體，含Nb鋼中有細小的析出相，Nb的添加降低了鋼的織構(gòu)強度。

（2）與無鈮DH780鋼相比，Nb的添加細化了晶粒，顯著改善了組織均勻性。

（3）與無鈮DH780鋼相比，含鈮鋼中鐵素體量增多，馬氏體量減少，屈服強度從490 MPa降低至465 MPa，抗拉強度從860 MPa降低至815 MPa，斷后伸長率從15%提高至17%。