1 000 MPa級冷軋雙相鋼氫致延遲開裂性能研究

謝春乾 潘麗梅 韓赟 劉華賽

（首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

1 前言

近年來隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和節(jié)能減排的需要，汽車安全性能的提升已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。高強(qiáng)度汽車鋼板在白車身上的應(yīng)用也越來越多。常用的冷軋高強(qiáng)鋼種類有低合金高強(qiáng)鋼、雙相（Dual Phase，DP）鋼和復(fù)相鋼，其中雙相鋼是使用最廣泛的鋼種，該鋼種具有的低屈強(qiáng)比、高加工硬化率和優(yōu)良的成形性能優(yōu)點(diǎn)。

延遲開裂是指材料在恒定應(yīng)力的作用下，使用一定的時(shí)間后突然發(fā)生脆性破壞的一種現(xiàn)象,這種現(xiàn)象是環(huán)境-材料-應(yīng)力多種因素相互作用從而產(chǎn)生的一種脆化現(xiàn)象，隨著材料強(qiáng)度的提高，材料發(fā)生延遲斷裂的可能性也越大[1]。當(dāng)前，汽車用高強(qiáng)鋼材料的強(qiáng)度不斷提高，發(fā)生延遲開裂的可能性也逐漸增加，對相應(yīng)的汽車用高強(qiáng)鋼進(jìn)行延遲開裂性能評價(jià)也成為當(dāng)前非常重要的研究方向。由于延遲開裂的不可預(yù)見性，往往導(dǎo)致材料突然發(fā)生破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和影響。因此，有必要對高強(qiáng)鋼的延遲開裂敏感性進(jìn)行研究、評價(jià)，進(jìn)而降低其風(fēng)險(xiǎn)。

評價(jià)高強(qiáng)鋼的延遲開裂有多種方法[2]，此外，一些測試標(biāo)準(zhǔn)也相繼出臺(tái)，如國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39039—2020《高強(qiáng)度鋼氫致延遲斷裂評價(jià)方法》，以及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSAE 155—2020《超高強(qiáng)度汽車鋼板氫致延遲斷裂敏感性U 形恒彎曲載荷試驗(yàn)方法》。根據(jù)GB/T 39039—2020，將試樣加工成缺口拉伸試樣，并進(jìn)行電解充氫以獲得不同氫含量，最后進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，評價(jià)鋼的氫致延遲開裂性能，同時(shí)利用熱脫附氫檢測裝置(Thermal Desorption Spectroscopy，TDS)[3-4]，檢測試樣的氫含量。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用汽車用冷軋高強(qiáng)鋼DP980 連退產(chǎn)品，其中C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%～0.12%，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.6%，Mn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～2.4%，Cr+Mo 質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%，同時(shí)添加Nb+Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為＜0.1%，其余為Fe，具體成分如表1 所示。利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，并采用透射電鏡（TEM）對析出相進(jìn)行觀察。將試樣加工為缺口拉伸試樣，具體如圖1 所示，試樣厚度為1.5 mm，缺口呈60°，深度為1.5 mm。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 39039—2020 進(jìn)行。

表1 DP980的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

采用電化學(xué)充氫法，將惰性材料（鉑絲）作為電解陽極，充氫試樣作為電解陰極，在0.1 mol/L NaOH溶液中進(jìn)行充氫，氫電流密度分別為0 mA/cm2、8 mA/cm2、16 mA/cm2，充氫時(shí)間72 h。隨后采用熱脫附測氫裝置（TDS）對充氫后試樣進(jìn)行氫含量測定。

對不同充氫狀態(tài)下的試樣進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT），在室溫下以0.01 mm/min 的速度進(jìn)行拉伸，測出不同氫含量下試樣的抗拉強(qiáng)度σH，同無氫條件下試樣的抗拉強(qiáng)度σ0進(jìn)行比較，抗拉強(qiáng)度損失的比例即為DP980 的氫致延遲斷裂敏感指數(shù)，記為Iσ，如公式（1）所示。Iσ越小表明材料抗氫致延遲斷裂性能越好。拉伸試驗(yàn)結(jié)束后，在掃描電鏡下觀察拉伸試樣斷口形貌，并分析其破壞機(jī)理。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 組織分析

對未進(jìn)行充氫的DP980 組織形貌進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，分析組織形態(tài)，所得結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，DP980 材料的微觀組織主要由鐵素體基體和馬氏體-奧氏體（MA）島組成，且組織較為分散。上述組織中鐵素體具有良好的塑性，主要為材料提供塑性和伸長率，而馬氏體-奧氏體島則具有較高的硬度和強(qiáng)度，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)可以看出，DP980-鋼中的MA島細(xì)小且分散。經(jīng)定量分析，MA 島的體積分?jǐn)?shù)為19.74%。

圖2 DP980微觀組織

由于DP980 中添加了微合金元素，退火冷卻后會(huì)發(fā)生析出強(qiáng)化，如圖3 所示。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，DP980 內(nèi)部含有大量的彌散析出相，這些析出相直徑較小約為10 nm，甚至更小，主要為球形或顆粒狀分布，上述細(xì)小且彌散分布的析出相在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，從而對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成阻礙，提高材料的強(qiáng)度[5-7]。對析出相成分進(jìn)行能譜分析，如圖3b 所示，析出相主要為NbTi析出相[8]。這些析出相在細(xì)化晶粒的同時(shí)，其彌散強(qiáng)化作用也提高了材料的強(qiáng)度。

圖3 DP980析出相分析

3.2 氫含量測定

利用TDS 檢測充氫后試樣的氫含量，所得結(jié)果列于表2。從結(jié)果可以看出，當(dāng)充氫電流密度為0 mA/cm2時(shí)，DP980 試樣氫含量有0.68×10-6mg/kg，這些氫主要是在生產(chǎn)過程中引入的；隨著充氫電流密度的增加，試樣中的氫含量逐漸增加，在8 mA/cm2時(shí)試樣氫含量為1.65×10-6mg/kg，16 mA/cm2時(shí)氫含量為2.10×10-6mg/kg。

表2 DP980 氫含量

3.3 慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對不同充氫條件的DP980 試樣進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，隨著充氫電流密度和試樣內(nèi)部氫含量的增加，材料抗拉強(qiáng)度和延伸率均有所降低。具體力學(xué)性能見表3，根據(jù)氫致延遲斷裂敏感指數(shù)計(jì)算公式（1）進(jìn)行計(jì)算試樣氫脆敏感性，所得結(jié)果如表3 所示?？梢钥闯?，隨著試樣內(nèi)部氫含量的增加，材料抗拉強(qiáng)度由1 178 MPa 下降至1 114 MPa，氫致延遲斷裂敏感指數(shù)Iσ逐漸增大。

圖4 DP980慢拉伸試驗(yàn)

表3 慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 斷口觀察

對不同氫含量的DP980 慢應(yīng)變速率拉伸試樣斷口進(jìn)行SEM 觀察，所得結(jié)果如圖5 所示。從圖5可以看出，在未充氫條件下，DP980 裂紋首先在中心部位產(chǎn)生，隨后逐漸由中心向四周擴(kuò)展直至斷裂，如圖5(a)(b)所示。在8 mA/cm2電流密度下（圖5(c)(d)），試樣的斷口形貌與未充氫試樣基本一致，雖然韌窩略微變淺，仍然整體仍表現(xiàn)為韌窩狀斷口。在16 mA/cm2電流密度下（圖5e、圖5f），韌窩進(jìn)一步變淺，并出現(xiàn)少量準(zhǔn)解理斷口。可以看出，DP980 具有較強(qiáng)的抗氫致延遲斷裂能力。

4 討論

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，含Nb、Ti 成分的DP980 具有較好的抗氫致延遲斷裂性能。分析認(rèn)為，雙相鋼的氫致延遲斷裂影響因素主要有以下3個(gè)方面。一是馬氏體相的存在。馬氏體具有較高的氫致延遲斷裂敏感性，其含量、形貌、分布對氫脆有顯著影響。本文中DP980 的馬氏體含量為20%左右，含量較低；同時(shí)馬氏體呈彌散分布，從而使其氫致延遲斷裂敏感性較低。二是DP980中存在大量細(xì)小的NbTi 析出物，這些析出相可以作為不可逆的氫捕獲位點(diǎn)，使得試樣中的擴(kuò)散氫含量減少，在拉伸過程中氫原子被束縛住無法進(jìn)入初始裂紋，從而提高了材料的抗氫致延遲斷裂能力[9]。最后，DP980 的晶粒被析出物大大細(xì)化。大量的晶界和高密度的位錯(cuò)可以提供更長的原子氫通過晶格的行程[10]。此外，細(xì)晶顯微組織有效地抑制了裂紋的形成和擴(kuò)展，從而使得DP980 具有較高的抗氫致延遲斷裂能力。

圖5 DP980斷口SEM觀察

5 結(jié)論

通過對含NbTi 成分的DP980 氫致延遲開裂行為的研究，得出以下結(jié)論。

a.DP980 鋼的顯微組織由鐵素體基體、細(xì)小彌散MA 島組成，同時(shí)含有大量細(xì)小的NbTi 析出相。

b.對DP980 進(jìn)行電化學(xué)充氫，材料內(nèi)部的氫含量隨充氫電流密度的增加而增加。當(dāng)充氫電流密度從0 增加至16 mA/cm2時(shí)，氫含量由0.68×10-6mg/kg提高至2.10×10-6mg/kg。

c.根據(jù)慢應(yīng)變速率拉伸測試結(jié)果，在充氫電流密度由0 提高至16 mA/cm2充氫后，DP980 的氫致延遲斷裂敏感系數(shù)為5.4%，同斷口仍為韌窩狀，表明NbTi 微合金化的DP980 在較高充氫電流密度下仍然為韌性斷裂而非脆性斷裂，具有較好的抗氫致延遲斷裂性能。