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分享:退火時間對系深沖雙相鋼組織與性能的影響

2025-07-01 15:35:29 

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車用冷軋深沖鋼板的質(zhì)量要求越來越高。雙相鋼以其優(yōu)越的強(qiáng)度和成形性能[1-3]在車身結(jié)構(gòu)材料中占據(jù)了主導(dǎo)地位,主要用于制造汽車內(nèi)外板、覆蓋件等復(fù)雜形狀部件[4]。然而,強(qiáng)度的提高會導(dǎo)致材料延展性和成形性能的下降,在深沖成形過程中出現(xiàn)裂紋和皺折。因此,需要進(jìn)一步平衡冷軋高強(qiáng)雙相鋼的強(qiáng)度與成形性能之間的關(guān)系[5],以滿足汽車行業(yè)對高性能、輕量化[6]材料的需求。

近年來,深沖雙相鋼成形性能的優(yōu)化研究主要圍繞成分設(shè)計(jì)與熱處理工藝兩大技術(shù)路徑展開[7-9]。在成分設(shè)計(jì)方面:利用微合金化策略[10-11]在雙相鋼基體中添加鈮和鈦等強(qiáng)碳化物元素,通過析出納米級碳化物產(chǎn)生晶界釘扎效應(yīng),有效延緩再結(jié)晶進(jìn)程,并誘導(dǎo){111}面織構(gòu)的擇優(yōu)生長[12-15],從而顯著提升雙相鋼的深沖成形性能;利用固溶元素的動態(tài)擴(kuò)散行為影響晶粒的尺寸及均勻性,進(jìn)而影響雙相鋼的力學(xué)性能。在熱處理工藝方面,現(xiàn)代冷軋雙相鋼生產(chǎn)中的連續(xù)退火工序被視為關(guān)鍵控制環(huán)節(jié),其中:退火溫度、冷卻速率及后續(xù)時效處理參數(shù)共同決定馬氏體含量、{111}織構(gòu)取向密度及屈服強(qiáng)度等指標(biāo)[16-20];退火時間則可通過調(diào)控鐵素體、馬氏體及碳化物的分布,影響材料力學(xué)性能[21]。目前,尚未見有關(guān)退火時間對深沖雙相鋼成形性能影響的系統(tǒng)性研究報道。因此,作者以C-Mn-Nb-Ti系深沖雙相鋼為研究對象,在860℃下進(jìn)行不同時間的退火處理,研究了不同退火時間下鋼的顯微組織、織構(gòu)特征、拉伸性能和成形性能。這一研究不僅對提升汽車覆蓋件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要意義,也為開發(fā)更高級別的汽車用鋼提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

采用50kg中頻真空感應(yīng)熔煉爐在氬氣保護(hù)下冶煉C-Mn-Nb-Ti系雙相鋼,試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.024C,1.84Mn,0.018Al,0.35Si,0.072Nb,0.018Ti,余Fe。將熔煉得到的40kg鋼錠熱鍛成形,并切割出尺寸為90mm×70mm×40mm的長方形坯料。將長方形坯料在1200℃下保溫2h,然后采用RAL-NEU型?350mm×350mm高剛度二輥熱軋機(jī)將其軋制成4.3mm厚的板材,并在750℃下保溫1h,隨爐冷卻至室溫。將熱軋板切割出長為110mm、寬為50mm的試樣,經(jīng)過酸洗后,采用冷軋機(jī)進(jìn)行冷軋,壓下率為75%,冷軋板厚度為1mm。在冷軋板上截取尺寸為7mm×5mm×1mm的試樣,采用箱式退火爐進(jìn)行860℃退火處理,退火時間分別為180,240,300,360s,隨后以40℃·s−1的速率快速冷卻至室溫。

采用電火花線切割機(jī)沿冷軋方向截取試樣,經(jīng)打磨、拋光,使用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液和Lepara試劑(10g·L−1偏重亞硫酸鈉的溶液與40g·L−1苦味酸乙醇溶液按體積比1∶1混合)進(jìn)行腐蝕后,采用ZEISS Axio Vert.A1型光學(xué)顯微鏡(OM)和FEI Quanta-650 FEG型熱場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織,利用Image-Pro軟件統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸和馬氏體含量。采用體積分?jǐn)?shù)5%C3H8O3+15%HClO4+80%CH3CH2OH的混合溶液對試樣進(jìn)行電解拋光后,利用SEM的電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)表征微觀結(jié)構(gòu)。按照GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分 室溫試驗(yàn)方法》,在退火態(tài)試驗(yàn)鋼上沿軋制方向截取拉伸試樣,拉伸試樣標(biāo)距長度為14mm,寬度為5mm,采用Instron 3382型萬能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為0.05mm·s−1,獲得塑性應(yīng)變比和加工硬化指數(shù)。塑性應(yīng)變比定義[22]為均勻塑性變形時試樣標(biāo)距內(nèi)寬度方向的真應(yīng)變與厚度方向的真應(yīng)變之比;當(dāng)塑性應(yīng)變比低于1.0時,說明材料在平面各方向上的塑性變形能力存在顯著差異,沖壓成形性能較差。加工硬化指數(shù)由拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線擬合Hollomon關(guān)系得到[23];當(dāng)加工硬化指數(shù)大于0.2時,通常認(rèn)為材料具有較好的均勻變形能力,抵抗局部變形和疲勞失效的能力也較高。

圖1可以看出:不同時間退火的試驗(yàn)鋼室溫組織由深灰色多邊形鐵素體、亮白色不規(guī)則塊狀馬氏體和白色塊狀或條帶狀碳化物組成,馬氏體主要沿鐵素體晶界分布,碳化物分布在鐵素體晶界邊緣處;隨著退火時間延長,試驗(yàn)鋼的晶粒逐漸等軸化,同時大部分鐵素體晶粒尺寸減小,這種變化有利于提高深沖雙相鋼組織的均勻分布程度,從而增強(qiáng)其整體的成形性能。當(dāng)退火時間達(dá)到300s時,原子擴(kuò)散能力增強(qiáng),碳化物傾向于在晶界處偏聚,部分鐵素體晶粒開始長大并呈現(xiàn)多邊形化,組織均勻性降低。當(dāng)退火時間進(jìn)一步延長至360s時,組織均勻性繼續(xù)降低,出現(xiàn)部分尺寸粗大的多邊形鐵素體。當(dāng)退火時間為180,240,300,360s時,試驗(yàn)鋼的平均晶粒尺寸分別為10.55,10.01,9.51,9.63μm,馬氏體體積分?jǐn)?shù)分別為4.6%,4.9%,7.8%,7.9%;隨著退火時間延長,平均晶粒尺寸先減小后增加,馬氏體含量增加。退火時間的延長導(dǎo)致晶粒長大的熱力學(xué)和動力學(xué)驅(qū)動力均有所提高,使得晶粒長大。當(dāng)保溫時間足夠長時,在退火過程中碳化物溶解到鐵素體基體中,組織中碳化物減少,導(dǎo)致奧氏體含量及其碳、錳含量均有所提升,從而使退火后的馬氏體碳含量增加[24]。

圖 1不同時間退火后試驗(yàn)鋼的SEM形貌和OM形貌
Figure 1.SEM morphology (a–d) and OM morphology (e–h) of test steel after annealing for different time periods

圖2為不同退火時間下試驗(yàn)鋼在?2=45°位置的取向分布函數(shù)圖(orientation distribution function,ODF)和反極圖(inverse pole figure,IPF)。由圖2可以看出,不同退火時間下試驗(yàn)鋼中均存在α織構(gòu)和γ織構(gòu)。在退火過程中,高形變儲能的γ織構(gòu)逐漸取代α織構(gòu)成為主導(dǎo),因此不同退火時間下組織均表現(xiàn)出較強(qiáng)的γ織構(gòu),而α織構(gòu)主要集中在{112}〈110〉和{223}〈110〉取向。當(dāng)退火時間為180s時,鐵素體再結(jié)晶過程基本完成,γ織構(gòu)開始吞噬并取代α織構(gòu),形成織構(gòu)強(qiáng)點(diǎn),晶粒取向主要為〈111〉和〈101〉。在退火240s后,晶粒明顯細(xì)化且分布均勻,〈111〉晶粒取向的占比顯著增加,〈111〉γ織構(gòu)強(qiáng)度提高,同時碳化物含量較低,變形和再結(jié)晶中的剪切帶或變形帶較少。當(dāng)退火時間延長至300s時,〈111〉和〈101〉晶粒取向占比仍較大,同時伴隨著一定量的旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu),這一類織構(gòu)的形成主要?dú)w因于富碳馬氏體相變誘發(fā)了晶格重組。當(dāng)退火時間進(jìn)一步延長至360s時,γ織構(gòu)的強(qiáng)度降低,〈111〉晶粒取向被〈001〉晶粒取向取代并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖 2不同時間退火后試驗(yàn)鋼的EBSD分析結(jié)果(?2=45°)
Figure 2.EBSD analysis results of test steel after annealing for different time periods(?2=45°)

圖3可以看出,當(dāng)退火時間為180,360s時,α織構(gòu)最大取向密度位于{111}〈110〉取向,當(dāng)退火時間為240,300s時,α織構(gòu)最大取向密度位于{112}〈110〉和{223}〈110〉取向。退火時間240s下{112}〈110〉α織構(gòu)取向密度相比于180s退火顯著增大,{111}〈110〉γ織構(gòu)取向密度達(dá)到峰值8.5。當(dāng)退火時間為300s時,α織構(gòu)取向密度達(dá)到峰值12,但此時γ織構(gòu)取向密度降低,且分布不均勻,并且{111}〈110〉γ織構(gòu)與{111}〈112〉γ織構(gòu)取向密度間的差值較大,這會導(dǎo)致雙相鋼平面異性指數(shù)升高,增加在沖壓過程中出現(xiàn)制耳現(xiàn)象的概率[25]。當(dāng)退火時間延長至360s時,α、γ織構(gòu)的取向密度均顯著下降。綜上可知,通過優(yōu)化退火時間可有效調(diào)控γ織構(gòu)的形成與分布,240s下退火有利于γ織構(gòu)的取向密度達(dá)到峰值,可有效提高深沖雙相鋼的成形性能[26]。

圖 3不同時間退火后試驗(yàn)鋼α結(jié)構(gòu)和γ織構(gòu)的取向密度分布圖
Figure 3.Orientation density diagram of α texture (a) and γ texture (b) of test steel after annealing for different time periods

圖4可以看出,在860℃退火不同時間下,試驗(yàn)鋼的室溫拉伸曲線均未出現(xiàn)明顯的屈服平臺,呈連續(xù)屈服現(xiàn)象,這是由于退火過程中的馬氏體相變導(dǎo)致體積膨脹,擠壓軟相鐵素體而產(chǎn)生較多的可動位錯,在拉伸過程中可動位錯與固定位錯相互協(xié)調(diào),導(dǎo)致試驗(yàn)鋼出現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象。不同時間退火試驗(yàn)鋼的加工硬化率曲線由3個階段組成。在第Ⅰ階段,加工硬化率隨應(yīng)變增加呈急劇下降趨勢,這是材料彈性變形的直接體現(xiàn);在第Ⅱ階段,加工硬化率下降速率減緩,這是由于隨塑性變形過程的進(jìn)行,位錯向晶界或相界移動,遭遇阻塞而發(fā)生塞積,隨后通過調(diào)整路徑繞過塞積位置,減少了由位錯塞積帶來的變形阻力,因此加工硬化率緩慢下降;在第Ⅲ階段,試驗(yàn)鋼發(fā)生不均勻塑性變形,導(dǎo)致加工硬化率下降趨勢變快,直至失穩(wěn)斷裂。

圖 4不同時間退火后試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和加工硬化率曲線
Figure 4.Engineering stress-strain curves (a) and work hardening rate curves (b) of test steel after annealing for different time periods

表1可以看出:隨著退火時間延長,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大,斷后伸長率先基本不變后顯著降低。強(qiáng)度增加是由于退火時間的延長使得馬氏體含量增多,而過長的退火時間(超過240s)會導(dǎo)致部分晶粒長大,造成馬氏體與鐵素體變形協(xié)調(diào)性變差,從而顯著降低斷后伸長率。

表 1不同時間退火后試驗(yàn)鋼的拉伸性能、塑性應(yīng)變比及加工硬化指數(shù)
Table 1.Tensile properties, plastic strain ratio and work hardening index of test steel after annealing for different time periods

隨退火時間延長,試驗(yàn)鋼的塑性應(yīng)變比和加工硬化指數(shù)均先增大后減小,當(dāng)退火時間為240s時二者均達(dá)到最大值。較高的塑性應(yīng)變比意味著材料具有更大的橫向膨脹能力,能夠更好地適應(yīng)深沖變形,減少裂紋的形成,從而提高深沖成形性能。在退火初期(退火時間180~240s),隨著退火時間的延長,晶粒尺寸和形態(tài)變得更加均勻,{111}γ織構(gòu)強(qiáng)度顯著提升,這促進(jìn)了塑性應(yīng)變比的增加,從而提高了試驗(yàn)鋼的成形性能[26]。當(dāng)退火時間延長至300s和360s時,部分晶粒異常長大,織構(gòu)的均勻性受到破壞,{111}γ織構(gòu)強(qiáng)度開始下降,導(dǎo)致塑性應(yīng)變比降低;同時,過長時間退火還會促進(jìn)碳化物析出,這些硬質(zhì)碳化物不僅會降低材料的塑性,還可能成為裂紋的萌生位置,進(jìn)一步削弱塑性應(yīng)變比[27],從而影響材料的成形性能。當(dāng)退火時間為240s時,塑性應(yīng)變比達(dá)到最大值1.42,試驗(yàn)鋼成形性能最佳。

在180s和240s退火時間下,試驗(yàn)鋼加工硬化指數(shù)較高,這與鐵素體晶粒尺寸均勻有關(guān)。當(dāng)退火時間為300,360s時,加工硬化指數(shù)降低,這歸因于晶粒尺寸均勻性被破壞、碳化物回溶導(dǎo)致晶界強(qiáng)化效果減弱以及固溶碳含量增加導(dǎo)致塑性變形能力降低有關(guān)。

試驗(yàn)鋼的最優(yōu)退火時間為240s,此時組織中形成了等軸晶粒,材料各向異性程度降低,晶界數(shù)量增加,屈服強(qiáng)度為351.7MPa,抗拉強(qiáng)度為526.1MPa,斷后伸長率為30.77%,塑性應(yīng)變比和加工硬化指數(shù)均達(dá)到最大值;試驗(yàn)鋼在深沖過程中可以發(fā)生更加均勻的變形,減少開裂和斷裂的風(fēng)險,提升了成形性能。

(1)在860℃下退火不同時間后試驗(yàn)鋼的組織均由多邊形鐵素體、不規(guī)則塊狀馬氏體和塊狀或條帶狀碳化物組成。隨著退火時間延長,晶粒逐漸等軸化,晶粒尺寸先減小后增大,馬氏體含量增加;當(dāng)退火時間超過240s后,鐵素體晶粒逐漸長大并呈多邊形化。

(2)不同時間退火后的試驗(yàn)鋼主要由α織構(gòu)和γ織構(gòu)組成。180s退火時間下鐵素體再結(jié)晶完成,組織中出現(xiàn)少量{111}γ織構(gòu);240s退火時間下{112}〈110〉α織構(gòu)增強(qiáng),{111}〈110〉γ織構(gòu)取向密度達(dá)到峰值;300s退火時間下α織構(gòu)取向密度達(dá)到峰值,γ織構(gòu)取向密度降低,且分布不均勻;360s退火時間下,α、γ織構(gòu)取向密度均顯著下降。

(3)隨著退火時間延長,試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大,斷后伸長率先基本不變后顯著降低,塑性應(yīng)變比和加工硬化指數(shù)先增大后減小,當(dāng)退火時間為240s時塑性應(yīng)變比和加工硬化指數(shù)均達(dá)到最大值,與{111}γ織構(gòu)取向密度變化趨勢一致。860℃退火240s后試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能和成形性能最佳,此時抗拉強(qiáng)度為526.1MPa,屈服強(qiáng)度為351.7MPa,斷后伸長率為30.77%,塑性應(yīng)變比為0.21,加工硬化指數(shù)達(dá)到1.42。




文章來源——材料與測試網(wǎng)

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