預應變和烘烤對QP980冷軋板材組織與力學性能的影響

周湛淞 方剛 張鈞萍 閻換麗 李曉瑜

作者簡介：周湛淞（1994—），男，助理工程師，碩士學位，研究方向為先進高強鋼。

參考文獻引用格式：

周湛淞， 方剛， 張鈞萍， 等. 預應變和烘烤對QP980冷軋板材組織與力學性能的影響[J]. 汽車工藝與材料， 2024（6）： 24-30.

ZHOU Z S， FANG G， ZHANG J P，et al. Effects of Pre-strain and Baking on Microstructure and Mechanical Properties of QP980 Cold Rolled Sheet[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 24-30.

摘要：使用萬能拉伸試驗機、擺錘沖擊試驗機、掃描電鏡和X射線衍射儀等設備，研究預應變+烘烤對QP980冷軋板材組織和力學性能的影響。結果表明：隨著預應變量的增加，QP980冷軋板材的極限彎曲性能和沖擊性能下降；經(jīng)過170 ℃、20 min的烘烤處理后，材料的沖擊性能提高，烘烤硬化（BH）性能隨預應變的增加而升高；X射線衍射表征分析結果表明，烘烤未造成相變的發(fā)生，殘余奧氏體中的碳含量有所降低；通過掃描分析發(fā)現(xiàn)烘烤處理后，沖擊斷口中韌性斷裂區(qū)域顯著增加。

關鍵詞：QP980 烘烤 組織 力學性能

中圖分類號：TG142? ? 文獻標志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240114

Effects of Pre-strain and Baking on Microstructure and Mechanical Properties of QP980 Cold Rolled Sheet

Zhou Zhansong， Fang Gang， Zhang Junping， Yan Huanli， Li Xiaoyu

（China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122）

Abstract： The effects of pre-strain and baking on the microstructure and mechanical properties of QP980 cold rolled sheet were studied by means of universal tensile testing machine， pendulum impact testing machine， Scanning Electron Microscope （SEM） and X-Ray Diffraction （XRD）. The results show that with the increase of pre-strain， the ultimate bending properties and impact properties of QP980 cold rolled sheet decrease? After baking at 170 ℃ for 20 min， the impact properties of the material increase， and the Bake Hardening （BH） properties increase with the increase of pre-strain; X-ray diffraction analysis shows that baking does not cause phase transformation， and the carbon content in residual austenite decreases; Scanning analysis shows that the ductile fracture area in the impact fracture increases significantly after baking treatment.

Key words： QP980， Baking， Microstructure， Mechanical properties

1 前言

隨著碳中和目標與路徑的逐步清晰，汽車輕量化的發(fā)展趨勢加快[1]。汽車輕量化能在保證汽車強度和安全性能的前提下，減輕汽車的整體質(zhì)量，從而獲得提高機動性能和節(jié)能減排的雙重優(yōu)勢。盡管鋁合金、鎂合金、碳纖維等材料具有更好的輕量化效果，但是高強度鋼在抵抗車身變形、能量吸收、安全性能等方面的優(yōu)勢仍然無可替代。目前，國內(nèi)外的各大汽車生產(chǎn)企業(yè)均提升了先進高強鋼的使用比例[2-3]。

淬火配分（Quenching and Partition， Q&P）鋼是典型的第三代先進高強鋼，在少量合金元素添加的前提下，通過特殊的熱處理工藝獲得了優(yōu)良的力學性能，具有廣闊的應用前景。淬火配分工藝使C原子從馬氏體等基體組織中充分擴散進入奧氏體中，從而獲得室溫下也能穩(wěn)定存在的殘余奧氏體[4-5]。為了保證車身的表面質(zhì)量以及美觀度，烘烤工藝必不可少。烘烤過程會造成殘余奧氏體中的C原子發(fā)生擴散，與淬火配分工藝的設計原理沖突，導致QP鋼組織和力學性能的變化，需要更加深入的組織力學性能研究。研究預應變和烘烤對QP980冷軋板材力學性能的影響，并通過微觀組織分析影響機理。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料為國內(nèi)某鋼企生產(chǎn)的QP980軋制板材，板材厚度為1.4 mm，其化學成分如表1所示。 主要的添加元素為Si、Mn， 其中Mn是一種主要的奧氏體穩(wěn)定性元素，能擴大奧氏體相區(qū)，形成無限固溶體，降低馬氏體形成溫度（Ms）[6]。Si是非碳化物形成元素，在QP鋼的配分過程中，能有效降低滲碳體的析出，促進C元素在奧氏體中的富集[7]。

圖1所示為QP980原始板材的掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）照片。較高的Mn元素含量，導致馬氏體邊部亮度較高，馬氏體、鐵素體區(qū)別明顯，形貌較為圓潤光滑的為馬奧島組織，如放大圖所示。QP980原始板材的組織為馬氏體、殘余奧氏體和鐵素體。

2.2 試驗方法與測試技術

使用烘箱進行烘烤，烘烤參數(shù)設置為170 ℃、20 min，以模擬白車身的涂裝工藝。預應變量分別取2%、4%以模擬烘烤前的沖壓過程，并與原始板材進行對比。

拉伸試驗依據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，采用50 mm的標距測試QP980的力學性能，試樣長度方向垂直于軋向，使用日本島津公司生產(chǎn)的AG-50 kN型萬能拉伸機測試烘烤前后的拉伸力學性能。

彎曲試驗按照VAD 238-100-2017 《Plate Bending Test for MetaMic Materials》執(zhí)行。為盡量減少三軸應力對邊緣區(qū)域的影響，平面試樣尺寸設計為60 mm × 60 mm，下壓沖頭半徑為0.6 mm，支撐輥半徑為15 mm，輥間距設置為板材厚度的2倍，受力方向垂直于軋制方向。

為了符合GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》中對沖擊試樣的要求，通過鉆孔鉚接的形式，將7片1.4 mm厚的板材鉚接為55 mm×10 mm×10 mm規(guī)格的試樣，設計為V型缺口，用ZBC 2302-4金屬擺錘沖擊試驗機測試室溫沖擊性能，試樣長度方向垂直于軋制方向。

微觀組織試驗樣品經(jīng)砂紙打磨后使用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，采用TESCAN MIRA 3 場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行顯微觀察。樣品表面磨平后，使用體積分數(shù)為6%的高氯酸酒精溶液進行電解拋光消除表面應力，使用DMAX 2500PCX射線衍射儀進行測試。

3 試驗結果與分析

3.1 烘烤對微觀組織的影響

圖2所示為不同預應變量的QP980板材在170 ℃、20 min的烘烤前和烘烤后的SEM形貌對比結果，基體組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的碳化物顆粒析出，與王博等人的試驗結果一致[8]。通常，烘烤會造成C原子的擴散，擴散的C原子在晶體的缺陷處偏聚，當達到一定條件時會以碳化物的形式析出。試驗結果，顯示170 ℃、20 min的烘烤工藝不足以使得C以碳化物的形式析出，在此溫度條件下，主要涉及C原子的擴散，碳化物的析出現(xiàn)象不顯著。

對預應變和烘烤后的QP980板材進行X射線表征，并與原始板材進行對比，圖3分別為不同狀態(tài)下材料的衍射圖譜以及對應的殘余奧氏體體積分數(shù)。結果顯示，預應變造成了相變誘導塑性（Transformation Induced Plasticity，TRIP）效應的發(fā)生，殘余奧氏體發(fā)生了相變，殘余奧氏體的體積分數(shù)隨著預應變量的增加而降低。烘烤后，殘余奧氏體的體積分數(shù)沒有變化，即170 ℃、20 min的烘烤未造成殘余奧氏體的相變。

3.2 烘烤對極限彎曲性能的影響

汽車車身要求足夠的強度及韌性以保護乘車人員的安全。車輛在碰撞后，車身主要發(fā)生凹陷應變，而凹陷最深、凹陷角度最大的部位是裂紋最容易產(chǎn)生的部位，極限彎曲性能對于車身性能極為重要。

通過位移載荷曲線整理數(shù)據(jù)分別如表2和圖4所示，隨著預應變量的增加，材料的最大彎曲力和彎曲角度都呈下降趨勢。0%～2%的預應變區(qū)間內(nèi)，板材的最大彎曲力下降幅度明顯；2%～4%的預應變區(qū)間內(nèi)最大彎曲力下降幅度相對較小。經(jīng)過170 ℃、20 min的烘烤過程后， QP980板材的最大彎曲力略有上升，彎曲角度和烘烤前與基本保持一致。

3.3 烘烤對拉伸性能的影響與分析

圖5為不同預應變量和烘烤狀態(tài)下QP980的工程應力-應變曲線和烘烤硬化值（烘烤前和烘烤后屈服強度之差）變化趨勢。結果表明經(jīng)過170 ℃+20 min的烘烤處理后，在0～4%的預應變范圍內(nèi)，烘烤硬化值隨預應變增加而升高，且變形量越大，增加趨勢越明顯。

塑性變形過程會導致材料中的位錯密度大幅升高[9]，如：

ρ=β2/（4.35b2） （1）

式中：ρ為位錯密度，β為（211）α衍射峰的半高寬，b為柏氏矢量（2.48×10-10）。

通過公式計算，原始板材、經(jīng)過2%的預應變及經(jīng)過4%的預應變的位錯密度分別達到1.17×1014 m-2、2.93×1014 m-2、3.39×1014 m-2。通常，材料的烘烤硬化性能與材料基體中的可動位錯密度和固溶C原子數(shù)量有關。烘烤處理過程中，固溶C原子在高溫的作用下進行擴散并釘扎位錯，形成Cottrell 氣團，使得位錯移動需要更大的應力[10-11]。綜上所述，在0～4%的預應變范圍內(nèi)，預應變程度越高，可動位錯密度越高，烘烤硬化性能越好。

3.4 烘烤對沖擊性能的影響與分析

測試不同狀態(tài)下的QP980板材的沖擊力學性能，每種狀態(tài)下的試樣測試3次，記錄沖擊吸收功并取平均值。圖6為原始板材、2%預應變、4%預應變的QP980板材經(jīng)過170 ℃、20 min烘烤前、后的室溫沖擊性能趨勢。由圖6可知，原始板材的沖擊吸收功最高達14.36 J，經(jīng)2%預應變后，沖擊吸收功降低為7.75 J，4%預應變的板材最低為5.72 J。烘烤后，顯著提升了QP980板材的沖擊力學性能，原始板材、2%預應變、4%預應變的沖擊性能分別提升了8.48 J、4.75 J、1.54 J，變形量越小，提升效果越好。

如圖7所示為原始板材、2%預應變以及4%預應變經(jīng)過170 ℃、20 min烘烤處理前、后的宏觀掃描斷口形貌。

選擇中心疊片板材的斷口進行分析，從圖可以明顯分辨，邊部和心部的宏觀形貌有著顯著的差別，邊部呈亮白色，心部呈淺灰色。隨著應變量的增加，亮白色組織的比例降低，淺灰色組織的比例增加。尤其是在4%的應變量下，邊緣只有寬度不足1 mm的斷續(xù)的亮白色組織。而經(jīng)過烘烤后，亮白色區(qū)域的面積大幅度增加。

將沖擊斷口心部的組織進行放大觀察。圖9所示為中心呈淺灰色區(qū)域的微觀斷口形貌，中心斷口形貌呈現(xiàn)冰糖狀的光滑鏡面，是典型的解理斷裂形式，解理面之間出現(xiàn)微觀裂紋。原始板材的中心微觀斷裂面上，出現(xiàn)了少量分布較為均勻的韌窩以及撕裂脊，因此原始板材的沖擊斷裂形式為韌脆結合的混合斷裂，以此也可以反映出原始板材的沖擊吸性能較好的原因。隨著預應變量的增加，韌窩的分布明顯減少，預應變量為4%時，幾乎看不到韌窩和撕裂脊的存在，并且微觀裂紋分布數(shù)量和深度也隨著變形量的增加而增加。

圖10所示為邊部亮白色區(qū)域的微觀斷口形貌圖，邊部斷口微觀形貌呈現(xiàn)典型的韌窩狀，韌窩大小較為均勻。經(jīng)過2%的預應變后，韌窩略有減小，并且韌窩深度逐漸變淺，甚至出現(xiàn)了光滑的解理面。4%的預應變后，韌窩的變化更為顯著，韌性斷裂區(qū)域顯著減小，韌窩小而淺，區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大面積的解理面。170 ℃、20 min的烘烤處理后，韌窩有略微增大，深度增加，出現(xiàn)了有利于韌性的撕裂脊。變化最為顯著的是4%的預應變條件下，烘烤后出現(xiàn)較大面積的韌窩，只有少量解理面存在。

綜上所述，預應變對斷裂形式有極大影響，大幅增大放射形結晶狀區(qū)，4%的預應變條件下，幾乎整個橫截面都為脆性解理面。烘烤后，邊部纖維狀區(qū)域的韌窩大小或者深度均有效改善，中心脆性斷裂區(qū)域出現(xiàn)有利于韌性的韌窩。

C元素是最廉價的奧氏體穩(wěn)定性元素，能顯著降低奧氏體的馬氏體形成溫度，使得奧氏體在較低溫度下也能穩(wěn)定存在。殘余奧氏體中的碳含量可以通過（220）γ衍射峰計算[12]：

ag=l（h2+k2+l2）/2sinq （2）

[αγ=0.355 6+0.004 53X（C）+0.000 09X（Mn）+? ? ? ? ? 0.000 56X（Al）] （3）

式中：αγ為晶格常數(shù)，h、k、l代表晶面指數(shù)，θ為衍射角，X（C）、X（Mn）、X（Al）分別為C、Mn、Al的質(zhì)量分數(shù)。

計算可得殘余奧氏體中的碳含量如圖11所示。由圖11可知，經(jīng)過170 ℃、20 min的烘烤后，殘余奧氏體中的C元素發(fā)生擴散有所流失[13]。QP工藝通過碳的配分獲得了大量常溫下也能穩(wěn)定存在的殘余奧氏體，在烘烤處理下，殘余奧氏體的含量沒有發(fā)生變化，但是C元素含量有所降低。碳元素作為最重要的奧氏體穩(wěn)定性元素，對其機械穩(wěn)定性極為重要，C元素的擴散造成殘余奧氏體不穩(wěn)定，穩(wěn)定性較強的殘余奧氏體也容易發(fā)生轉變，更強的TRIP效應吸收了沖擊作用下的能量，阻礙裂紋的擴展，因此材料的沖擊性能提升[14-15]。

4 結論

a.烘烤未造成碳化物的析出，烘烤前、后的SEM圖沒有顯著差別。烘烤未造成殘余奧氏體相變的發(fā)生，烘烤前、后的殘余奧氏體含量基本相同。

b.經(jīng)過0%、2%、4%預應變后，QP980板材的彎曲性能下降，最大彎曲力和彎曲角度都減小。烘烤能略微提升材料的最大彎曲力，彎曲角度改變不明顯。

c.2%、4%預應變下，應變量越大，位錯密度越高，經(jīng)過170 ℃、20 min的烘烤后烘烤硬化效果更好。

d.經(jīng)過0%，2%，4%預應變后，QP980板材的吸收功下降，應變量越大，下降越明顯，烘烤使得殘余奧氏體中C原子流失，降低了穩(wěn)定性，有效提高了沖擊吸收功。通過觀察沖擊斷口形貌發(fā)現(xiàn)，預應變擴大了中心放射性結晶狀區(qū)，烘烤后擴大了邊部的纖維狀區(qū)域，使得邊部韌窩改善，中心也出現(xiàn)大量韌窩以及撕裂脊。

參考文獻：

[1] 赫爾伯特·迪斯.積極推動中國汽車行業(yè)的碳中和進程[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè)化， 2021， 27（1）： 30-31.

[2] 李光瀛， 馬鳴圖.我國汽車板生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望[J].軋鋼， 2014， 31（4）： 22-32.

[3] 中國汽車工程學會， 本田汽車公司. 中國汽車技術發(fā)展報告2017[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2018： 6-15.

[4] 劉和平.高性能熱應變Q&P鋼的組織與性能[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2015： 3-8.

[5] 李光瀛，王利，馬鳴圖，等.第3代先進高強度鋼AHSS汽車板的開發(fā)[J]. 軋鋼， 2019， 36（5）： 1-13.

[6] CHEN L S， ZHANG J Y， TIAN Y Q， et al. Effect of Mn Pre-partitioning on C Partitioning and Retained Austenite of Q&P Steels[J]. Acta Metallurgica Sinica， 2015， 51（5）： 527-536.

[7] 袁大勇， 尹壘， 馬善坤. Si含量及配分處理對Q&P鋼殘留奧氏體量及性能的影響[J]. 金屬熱處理， 2019， 44（3）： 96-99.

[8] 王博， 張冬梅， 岳明明. 含鈮低硅TRIP鋼板烘烤硬化行為分析[J]. 武漢科技大學學報， 2014， 37（5）： 331-336.

[9] LI Z C， CAI Z H， MISRA R D K. The Critical Factors Governing Mechanical Properties in Hot Rolled Fe-0.2C-11Mn-（0-6）Al TRIP Steels and Fracture Behavior[J]. Materials Science and Engineering： A， 2016， 683：46-55.

[10] BUI A H， NGUYEN M H， NGUYEN C S. Bake Hardening Effect of the Low Strength Interstitial Free Steel[J]. Metallurgical and Materials Engineering， 2020， 26（3）： 293-301.

[11] KUANG C F， LI J， ZHANG S G， et al. Effects of Quenching and Tempering on the Microstructure and Bake Hardening Behavior of Ferrite and Dual Phase Steels[J]. Materials Science and Engineering：A， 2014， 613： 178-183

[12] ZHANG B G， ZHANG X M， WANG G D， et al. Age-hardening Medium Mn Steel with High Strength and Large Ductility[J]. Materials Science and Engineering： A， 2019， 756 （22）： 35-40.

[13] LIU T， HOU H F， ZHANG X L， et al. Effects of Prestrain and Grain Boundary Segregation of Impurity Atoms on Bake Hardening Behaviors of Ti+V Bearing Ultra-Low Carbon Bake Hardening Steel[J]. Materials Science and Engineering： A， 2018， 726： 160-168

[14] 景財年. 相變誘發(fā)塑性鋼的組織性能[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 2012： 31-45.

[15] LIU S G， DONG S S， YANG F. Application of Quenching-Partitioning-Tempering Process and Modification to A Newly Designed Ultrahigh Carbon Steel[J]. Materials and Design， 2014， 56： 37-43.