吉帕級復(fù)相鋼中貝氏體微觀形態(tài)的精細調(diào)控及其對復(fù)相鋼力學性能的影響

張瀚龍,張玉龍,,金鑫焱

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室,上海 201999)

1 概述

節(jié)能減排與輕量化概念催生了“吉帕級”超高強鋼在汽車結(jié)構(gòu)件上的廣泛應(yīng)用(即抗拉強度≥1 000 MPa,或≥1 GPa),而隨著以輥壓為代表的低成本柔性成形技術(shù)的推廣和汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的日益優(yōu)化,汽車工業(yè)對超高強鋼性能的要求,也從單純的高強塑積(強度與延伸率的乘積),發(fā)展到高強度及高“綜合成形性能”(延伸率、擴孔率和冷彎性能),因此,汽車結(jié)構(gòu)件選材也越發(fā)看重擴孔翻邊性能。例如,某些用戶對吉帕級汽車座椅用鋼提出擴孔率≥50%要求,或180°彎曲r/t≤2.0的要求,對吉帕級白車身用鋼提出擴孔率≥45%的要求等。因此,具有良好擴孔翻邊性能的貝氏體組織,及以貝氏體組織為主的復(fù)相鋼或多相鋼,日益受到市場的重視[1]。

鋼材的性能直接取決于其微觀組織形貌,在傳統(tǒng)的高強鋼研發(fā)設(shè)計中,主要通過改變組織中各相的組成及其比例來調(diào)整產(chǎn)品性能,如通過調(diào)節(jié)鐵素體/馬氏體比例來改變DP、MS鋼強度與延伸率,或通過引入亞穩(wěn)奧氏體并調(diào)節(jié)其比例來設(shè)計TRIP、QP鋼等,而較少去關(guān)注或改變組織中每種相的微觀形態(tài)。但是,在復(fù)相鋼的研發(fā)設(shè)計中,除需關(guān)注組織中各相組成及比例外,更應(yīng)該關(guān)注貝氏體相的微觀形態(tài)的變化,其原因有如下三點:①在復(fù)相鋼,尤其是吉帕級復(fù)相鋼中,貝氏體組織占大多數(shù)比例(部分吉帕級復(fù)相鋼的貝氏體相占比90%以上);②貝氏體存在多種微觀形態(tài),除傳統(tǒng)的上/下貝氏體亞形態(tài)外,還包含等軸狀、粒狀、針/羽狀等多種微觀形態(tài),如圖1所示[2];③不同的貝氏體的微觀形態(tài)對復(fù)相鋼的力學性能存在較大影響。因此,為獲得性能優(yōu)異的吉帕級復(fù)相鋼產(chǎn)品,需精準調(diào)控復(fù)相鋼中的貝氏體微觀形態(tài)。

圖1 高強鋼中常見的貝氏體微觀形態(tài)

因此,本文在對常規(guī)生產(chǎn)的吉帕級復(fù)相鋼的成分、工藝、組織與性能的分析基礎(chǔ)之上,進一步開展了對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變退火工藝的研究,旨在精準調(diào)控貝氏體相的微觀形態(tài),進而精確設(shè)計吉帕級復(fù)相鋼的力學性能特性,以滿足其能適應(yīng)更多的產(chǎn)品的設(shè)計與服役要求。

2 試驗用鋼與試驗方法

本文研究的吉帕級復(fù)相鋼成分體系以C、Si、Mn為主,通過添加Cr、Mo擴大貝氏體相區(qū),并加入Nb、Ti、V等微合金以細化晶粒和引入碳化物析出,成分如表1所示。根據(jù)此成分利用JMatPro 9.0軟件計算出該復(fù)相鋼的TTT曲線,如圖2所示。從TTT曲線可以看出,該復(fù)相鋼鐵素體及珠光體相區(qū)顯著右移,而貝氏體相區(qū)明顯擴大,因此有利于研究退火時等溫轉(zhuǎn)變工藝的精細調(diào)控對貝氏體微觀結(jié)構(gòu)及形態(tài)的影響。

圖2 本文研究的吉帕級復(fù)相鋼的TTT曲線

表1 本文研究的吉帕級復(fù)相鋼成分

為提高貝氏體相變速率,減少工藝波動對貝氏體相變穩(wěn)定性的影響,奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度通常選擇在TTT曲線的貝氏體鼻溫位置,記為Bn。在本文中,為避免其他組織,如珠光體、鐵素體等對貝氏體微觀形態(tài)分析及復(fù)相鋼力學性能的影響,退火工藝采用在奧氏體相區(qū)等溫保溫后快冷至貝氏體鼻溫處不同的溫度區(qū)間開展等溫保溫,溫度范圍控制為±10 K。

所制備的復(fù)相鋼沿軋向制備50 mm標距的拉伸試樣以檢測拉伸性能,制備尺寸為150 mm×150 mm的帶沖孔料片以檢測擴孔性能,并對每種力學性能各檢測30組平行樣品,計算各力學性能指標的平均值、中位數(shù)、標準差等統(tǒng)計數(shù)據(jù),用以分析力學性能穩(wěn)定性。組織分析采用沿軋向制備截面金相樣品,并用4%硝酸酒精腐蝕以觀察其金相組織,并進一步利用掃描電鏡分析微觀組織形貌。

3 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變精細調(diào)控及其對復(fù)相鋼組織性能的影響

3.1 鼻溫處奧氏體等溫轉(zhuǎn)變得到的復(fù)相鋼的組織與性能

本文首先研究奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度在略低于Bn的復(fù)相鋼的組織與性能,這也是傳統(tǒng)的貝氏體相變常采用的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度,主要優(yōu)點是等溫轉(zhuǎn)變速率最快,相變時間最短。退火曲線如圖3所示,對該工藝下制得的復(fù)相鋼記為CP0。

圖3 CP0的退火曲線

表2為吉帕級復(fù)相鋼CP0典型的力學性能及統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)其性能具有典型的復(fù)相鋼的性能特點,即具有較高的屈強比和擴孔率,但延伸率較低。值得注意的是,CP0的屈服強度的標準差較大,擴孔率波動范圍也較大,這與其奧氏體等溫轉(zhuǎn)變±10 K的控制精度存在矛盾。根據(jù)CP0的TTT曲線,該成分下的貝氏體相區(qū)較大,在貝氏體鼻溫附近±10 K的溫度控制本不應(yīng)產(chǎn)生如此大的性能波動,因此需要仔細分析CP0的微觀組織形貌。

表2 復(fù)相鋼CP0的力學性能統(tǒng)計

圖4(a)是CP0典型的金相組織照片,可以看出CP0基本為貝氏體組織,但仔細分辨貝氏體的亞形態(tài),卻發(fā)現(xiàn)存在兩種不同的貝氏體精細結(jié)構(gòu)。經(jīng)掃描電鏡進一步分析(如圖4(b)所示),發(fā)現(xiàn)一種貝氏體呈多邊形的塊狀形態(tài),另一種貝氏體則呈現(xiàn)板條狀形態(tài),且周圍伴有細小的碳化物析出。

圖4 CP0的微觀組織分析

根據(jù)前人研究中對貝氏體亞形態(tài)的分析[1],可以判斷第二種呈現(xiàn)板條狀形態(tài)且周圍伴有細小的碳化物析出的貝氏體是典型的下貝氏體,該貝氏體的形成溫度較低;而第一種呈大塊的多邊形形態(tài)的貝氏體則鮮有報道,仔細觀察其高放大倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)及形貌(見圖5),發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)呈現(xiàn)出一定形態(tài)的分解/分離,呈現(xiàn)出顆粒狀的碳化物析出、細小板條狀的貝氏體及鐵素體形態(tài),因此從組織形貌上分析,這種塊狀貝氏體應(yīng)該屬于退化態(tài)貝氏體(degenerate bainite[1]),推測其形成溫度高于下貝氏體形成溫度。因此初步判斷現(xiàn)有的在貝氏體鼻溫處進行奧氏體等溫保溫的溫度區(qū)間可能恰好處于這兩種形態(tài)不同的貝氏體形成區(qū)間的交集,因此導(dǎo)致CP0組織中兩種不同形態(tài)貝氏體混雜形成,造成組織中兩種不同形態(tài)的貝氏體含量的波動,并最終導(dǎo)致CP0力學性能的大幅波動。

圖5 塊狀形態(tài)貝氏體的高倍SEM照片

3.2 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變優(yōu)化控制與貝氏體微觀形態(tài)的精細分離

根據(jù)上述分析,為改善CP0力學性能的穩(wěn)定性,需要將原設(shè)計的在貝氏體鼻溫處發(fā)生奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的退火工藝優(yōu)化,有針對性地分離出適合上述兩種不同形態(tài)的貝氏體單獨形成的退火工藝路徑。因此,優(yōu)化方案采用將原有的退火工藝一分為二:第一種是在原奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度的基礎(chǔ)上再降低45～50 K,但仍控制在Ms點以上,以期望組織中只生成板條狀貝氏體,而不含塊狀貝氏體,將該工藝下得到的復(fù)相鋼記為CP1;第二種是在原奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度基礎(chǔ)上提高25～30 K,并避開珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域,以期望組織中只含有塊狀貝氏體,而不含板條狀貝氏體,將該工藝下得到的復(fù)相鋼記為CP2。兩組退火工藝如圖6、7所示。

圖6 優(yōu)化后的CP1退火工藝

兩種退火工藝得到的復(fù)相鋼力學性能如表3所示,可以看出兩種復(fù)相鋼力學性能存在明顯差異,但又彼此互補。其中CP1的屈服強度、屈強比和擴孔率都更高,但斷裂延伸率更低;CP2的屈服強度、屈強比和擴孔率更低,但具有更高的斷裂延伸率。而無論是哪種工藝得到的復(fù)相鋼,其屈服強度與擴孔率的標準差都明顯下降,表明在實現(xiàn)工藝優(yōu)化分離后,兩種復(fù)相鋼的性能穩(wěn)定性都較原工藝下的復(fù)相鋼有了顯著提升。

圖7 優(yōu)化后的CP2退火工藝

表3 具有不同貝氏體亞形態(tài)的吉帕級復(fù)相鋼典型性能

圖8為CP1和CP2的金相組織的掃描電鏡照片,從圖中可以看出,兩種復(fù)相鋼的貝氏體形態(tài)基本實現(xiàn)了彼此分離,其中CP1組織基本為板條狀貝氏體,而CP2組織也以塊狀貝氏體為主,但是在大塊的塊狀貝氏體之間有微量的碳化物形成。結(jié)合兩種復(fù)相鋼的力學性能特點,可以推測出這兩種形態(tài)的貝氏體對復(fù)相鋼的力學性能有截然不同的影響,并因此導(dǎo)致了兩種復(fù)相鋼明顯不同的力學性能特點。而傳統(tǒng)的在貝氏體鼻溫處等溫轉(zhuǎn)變的退火工藝由于未能將這兩種不同形態(tài)的貝氏體彼此分離,反而造成兩種微觀形態(tài)混雜生成,最終導(dǎo)致該工藝制備的復(fù)相鋼的力學性能的較大波動。通過對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變工藝的優(yōu)化,不僅實現(xiàn)了兩種形態(tài)的貝氏體的精細分離,更形成了兩種性能明顯不同但又彼此互補的復(fù)相鋼產(chǎn)品,兩種復(fù)相鋼的力學性能均勻性也較傳統(tǒng)工藝大幅提升。

圖8 CP1和CP2微觀組織的SEM照片

4 分析討論

貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫擴散型相變,相變熱力學和動力學較為復(fù)雜,在不同的溫度區(qū)間會生成不同形態(tài)的貝氏體:如在傳統(tǒng)的C-Mn鋼中,就存在高溫區(qū)和低溫區(qū)轉(zhuǎn)變生成的上貝氏體和下貝氏體,且這兩種形態(tài)結(jié)構(gòu)不同的貝氏體對鋼材的力學性能存在截然不同的影響。對于超高強復(fù)相鋼,由于合金元素含量較高,且根據(jù)需求常添加Cr、Mo等元素以進一步擴大貝氏體相區(qū),或添加Si、Al等元素抑制碳化物生長而形成無碳貝氏體,故貝氏體的形態(tài)種類更加多樣[3],對鋼材性能的影響也更加復(fù)雜。

對本文研究的吉帕級復(fù)相鋼產(chǎn)品,當退火工藝選擇在傳統(tǒng)的貝氏體鼻溫處發(fā)生奧氏體等溫轉(zhuǎn)變時,最終組織中會含有兩種不同微觀形態(tài)的貝氏體,即板條狀貝氏體和塊狀貝氏體。由于組織中兩種不同微觀形態(tài)貝氏體的混雜形成,導(dǎo)致了復(fù)相鋼力學性能的波動,尤其是屈服強度和擴孔率的波動。因此,為了提高復(fù)相鋼的力學性能穩(wěn)定性,需要將兩種不同微觀形態(tài)的貝氏體彼此分離,實現(xiàn)對貝氏體組織形態(tài)的精細調(diào)控。通過將原退火工藝一分為二,實現(xiàn)了將不同形態(tài)的貝氏體彼此分離。在CP1中,通過將奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度調(diào)低45～50 K,但仍高于Ms點溫度,從而使鋼中微觀組織只含有板條狀貝氏體,由于其組織中基本只含有這一種組織,所以屈強比高,但是由于板條狀貝氏體硬度大,且組織中沒有其他較軟的相,因此斷裂延伸率較低,但也正因為組織單一、均勻,也不存在局部微觀區(qū)域的組織及強度、硬度差異,因此擴孔率極高,并最終得到延伸率較低但高屈服強度、高屈強比、高擴孔率的復(fù)相鋼;而在CP2中,則是通過提高奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度來促進塊狀貝氏體生成、抑制板條狀貝氏體轉(zhuǎn)變,但由于需要避開珠光體相區(qū),因此只能調(diào)高奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度25～30 K,使鋼中形成以塊狀貝氏體為主、兼有少量碳化物析出的組織,根據(jù)之前分析,塊狀貝氏體是一種退化態(tài)的貝氏體,其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),是由板條狀貝氏體、碳化物和鐵素體混雜而成,這種形態(tài)的組織,一方面由于內(nèi)部軟相、硬相之間較大的強度和硬度差異而導(dǎo)致擴孔率較低,另一方面卻因為存在微量的軟相而使屈服強度下降且塑性提升,最終使該復(fù)相鋼斷裂延伸率較高,但屈服強度、屈強比和擴孔率均較低。

由于兩種微觀形態(tài)迥異的貝氏體對復(fù)相鋼性能的影響雖互不相同,但又互相彌補,因此可以根據(jù)用戶需求,有針對性地精細調(diào)控、設(shè)計貝氏體的微觀形態(tài),以實現(xiàn)復(fù)相鋼性能的細分與差異化需求,實現(xiàn)復(fù)相鋼性能的“揚長補短”。眾所周知,復(fù)相鋼的成形優(yōu)勢在于優(yōu)異的擴孔翻邊性能[4-5],若制造對擴孔翻邊有極高需求的產(chǎn)品,如座椅滑軌、底盤拖曳臂等,可調(diào)控其組織形成單一均勻的板條狀貝氏體,來進一步增強復(fù)相鋼的擴孔翻邊性能,如本文中設(shè)計的CP1。另一方面,傳統(tǒng)復(fù)相鋼的一大短板是延伸率較低,較難滿足零件較高的拉延成形需求,因此,對于有較高拉延成形需求的復(fù)相鋼,可調(diào)控其組織中形成塊狀貝氏體來得到的高延伸率的復(fù)相鋼產(chǎn)品,如本文中設(shè)計的CP2。

5 結(jié)論

本文以吉帕級超高強復(fù)相鋼為研究對象,發(fā)現(xiàn)了奧氏體等溫轉(zhuǎn)變形成貝氏體的過程中,兩種貝氏體微觀形態(tài)的差異及其對吉帕級復(fù)相鋼性能幾乎相反的影響,分別為:

(1)在相對較低的等溫轉(zhuǎn)變中形成,并有利擴孔翻邊而劣化拉延的板條狀貝氏體;

(2)在相對較高的等溫轉(zhuǎn)變中形成,并有利拉延而劣化擴孔翻邊的塊狀貝氏體。

兩種不同形態(tài)的貝氏體在貝氏體鼻溫附近存在形成區(qū)域的交集溫度區(qū)間,若在此溫度區(qū)間發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變,則會形成兩種微觀形態(tài)混雜共存的貝氏體組織,雖然復(fù)相鋼的強度達到了吉帕級水平,也具有一定的拉延和擴孔翻邊成形能力,但力學性能波動較大。通過對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的精細調(diào)控,可以實現(xiàn)上述兩種微觀形態(tài)的貝氏體的彼此分離,使復(fù)相鋼組織進一步純凈化,并最終得到兩種力學性能互不相同,但又互相彌補的吉帕級復(fù)相鋼產(chǎn)品,實現(xiàn)復(fù)相鋼性能的“揚長”與“補短”:“揚長”即調(diào)控板條狀貝氏體集中形成,得到高擴孔翻邊性能復(fù)相鋼,“補短”即調(diào)控塊狀貝氏體集中形成,得到更高延性的復(fù)相鋼;從而可以滿足汽車輕量化理念下不同汽車結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品對吉帕級復(fù)相鋼性能的差異化需求。