高扩孔型铁素体／贝氏体双相钢组织性能研究

谷海容，张 建，杨兴亮，刘永刚，潘红波

（马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，安徽马鞍山，243000）

飞速发展的汽车工业对汽车的安全性能、燃油经济性、环保排放等提出了越来越高的要求，轻量化已成为汽车工业的发展方向，由此促进了具有良好综合性能的先进高强钢（AHSS）如铁素体／马氏体双相（FMDP）钢、铁素体／贝氏体双相（FBDP）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢、孪晶诱导塑性（TWIP）钢、复相（CP）钢、马氏体（M）钢、淬火配分（Q＆P）钢和热成形（HF）钢等[1－3]的开发。热轧双相钢因其具有强度高、屈强比低、初始加工硬化率高以及强度和韧性匹配良好等优点，是目前应用最多的AHSS钢种之一[4]。与传统的马氏体双相（FMDP）钢相比，铁素体／贝氏体双相（FBDP）钢能够很好地兼顾材料的强度和延伸性，并且具有良好的焊接性能、疲劳性能以及扩孔性能，主要用于制作汽车车轮、底盘等结构件，是目前汽车用钢的研究热点之一。本文对自主开发的铁素体／贝氏体双相钢组织性能进行分析，并初步探索了试验钢的强化和拉伸凸缘机制。

1 试验

试验钢的化学成分如表1所示。为了保证试验钢的高强度和高韧性，同时考虑其加工性能和焊接性能，需将其碳含量控制在较低水平。虽然硅具有扩大α区、提高碳的活度、加速先共析铁素体的形成和一定的固溶强化等作用，但考虑到汽车用材对表面质量的严格要求，所以采取了低硅设计。为保证必要的强度和组织细化，尤其是使钢的组织亚结构细化，采用了适当的锰和铌微合金化。钢板的强度越高，材料缺口敏感性越强，脱硫处理越有效[5]。为减少钢中以MnS为代表的线形硫化物等非金属夹杂物对翻边性能的不良影响，对试验钢进行了脱硫处理。钢水由转炉冶炼，钢坯在1 250℃左右加热，经两阶段控轧，轧后经冷却并在贝氏体转变区进行卷取。共轧制试验钢3卷，对每个钢卷进行取样，分别编号为1＃～3＃，对试样的力学性能、扩孔性能和显微组织进行检测分析。

表1 试验钢的主要化学成分（wB／%）Table 1 Main chemical compositions of tested steels

2 试验结果与分析

2.1 力学性能和扩孔性能

试验钢的力学性能如表2所示。由表2可见，试验钢的力学性能均满足JIS G 3134—2006标准要求，且具有良好的强度和塑性匹配。

表2 试验钢卷的力学性能Table 2 Mechanical properties of tested steels

对于铁素体／贝氏体双相钢来说，较高的延伸凸缘性能是其突出的性能特征，该性能可用扩孔率λ值来表示：

式中：D0为初始孔径，mm；D1为扩孔后孔缘出现裂纹时的孔径，mm。

按GBT15825.4—2008进行扩孔试验，结果如表3和图1所示。由表3中可见，3卷试验钢的扩孔率均高于JIS G 3134—2006标准要求，与日本神户和住友公司同类产品的扩孔率（110%左右）大体相当[6]。

表3 试验钢的扩孔性能Table 3 Hole－expansion ratio of tested steels

图1为试样扩孔试验后的形貌。由图1可见，各试样变形后孔缘均光滑均匀，扩孔后孔径大体相当，表明材料具有较好的协调变形能力和性能稳定性。

图1 试验钢扩孔后的形貌Fig.1 Morphology of tested steels after hole－expansion test

2.2 显微组织

轧制后试验钢的典型显微组织如图2所示。由图2中可见，轧后显微组织为典型的铁素体加贝氏体双相组织，贝氏体弥散分布于铁素体基体之间。用截线法可测得铁素体晶粒尺寸约为6～7μm；用图像分析软件进行分析可知，贝氏体体积分数约为15%。

图2 试样轧后显微组织Fig.2 Microstructure of rolled sample

图3 试验钢的TEM形貌照片Fig.3 TEM micrographs of tested steels

试验钢的透射电镜照片如图3所示。由图3中可见，铁素体基体中分布着大量细小的圆形析出物粒子，主要是Nb的C、N化合物，尺寸约为30～50 nm（见图3（a））；铁素体、贝氏体中均有大量的位错缠结，贝氏体以板条状为主（见图3（b））；贝氏体板条间有明显的碳化物颗粒（见图3（c））。

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3 讨论

3.1 试验钢的强化机制

对于复相组织钢，其强度－延伸凸缘性能的均衡主要取决于铁素体基体强度的控制和贝氏体体积分数及组织形态的调整。

本试验钢的屈服强度主要取决于强度较低的铁素体基体，其强化方式遵循一般的钢铁材料规律。

对于本试验钢来说，在一般的稀固溶体中，因溶质固溶而造成的屈服强度的增量，即固溶强化值可表示为[7]

式中：σss为固溶强化值，MPa；KB为固溶强化系数；wB为固溶态元素的质量分数，%。

对于本试验钢来说，将表1数据代入式（2）可得，因固溶而引起的强化值约为80 MPa。

晶粒细化是惟一能够同时提高钢强度和韧性的方法，细晶强化遵循Hall－Petch公式，即：

式中：σg为晶粒强化量，MPa；ky为比例系数，对于大角度晶界其值为15.1～18.1 N·mm－3／2；d为铁素体晶粒平均直径，mm。

通过适当的铌微合金化，并结合低温终轧和轧后快冷，本试验钢晶粒尺寸细小，铁素体晶粒尺寸约为6～7μm，属于典型的细晶钢，将晶粒尺寸平均值代入上式，可以估算出细晶强化对屈服强度的贡献值约为195～234 MPa，细化晶粒产生的强化作用明显。

由图3中可见，本试验钢中存在大量纳米尺度的Nb的C、N化合物，该种粒子硬度高，难于变形，适用于Gladman等的理论。采用Ashby－Orowan修正模型，模型以位错线在滑移面上两个相邻粒子之间弓出、第二相粒子混乱分布为依据，对析出强化有：

式中：σp为析出强化量，MPa；μ为剪切模量，对于钢铁材料（铁素体），μ＝8×104MPa；b为柏氏矢量，取值为2.5×10－7mm；l为析出粒子平均间距，mm；d为析出粒子平均直径，mm。

由图3（a）中可见，取析出粒子平均直径为40 nm，析出粒子平均间距为200 nm，计算可得本试验钢析出强化量约为140 MPa。

位错强化也是金属材料中有效的强化方式之一。金属材料的流变应力（以及屈服强度）与位错密度ρ之间的关系如下[8]：

式中：σd为位错强化量，MPa；M为取向因子，在体心立方α－Fe中，M＝3.1；α为比例系数；ρ为位错密度，mm／mm3。

通过奥氏体向铁素体转变开始点温度附近大变形量高速终轧，辅以轧后快速冷却，本试验钢中可获得较高的位错密度（见图3（b））。根据上述计算，并结合表2所示力学性能数值，可推算出位错强化及其他强化机制的强度贡献值约为50 MPa。

综上所述，对于本试验钢来说，各强化方式对屈服强度贡献的大小依次为细晶强化、析出强化、固溶强化、位错及其他强化。

在铁素体基体强度确定的情况下，双相钢的抗拉强度可表述为两相强度的线性叠加，即满足下式[6]：

式中：σ为双相钢的抗拉强度，MPa；fF、fB分别为组织中铁素体和贝氏体的体积分数，%；σF、σB分别为铁素体和贝氏体组织的抗拉强度，MPa。

由图2分析可知，本试验钢中贝氏体体积分数约为15%。适量的硬相存在，较好地保证了钢材的抗拉强度。同时，由透射电镜分析结果可知，试验钢中贝氏体以板条贝氏体为主，间以细小的硬质碳化物，这种亚结构对提高贝氏体强度较为有利，其作用要大于粒状贝氏体对强度的贡献，从而也起到了提高钢材抗拉强度的作用。

3.2 试验钢的拉伸凸缘机制

在成形过程中，材料断裂本质上是个微裂纹产生、扩展和连接的过程。对于铁素体／贝氏体双相钢来说，提高材料的纯净度以保证基体的连续性，提高材料的塑性、韧性以提高材料的成形极限和各相之间的协调变形能力，可抑制裂纹生成和扩展，从而改善材料拉伸凸缘性能，其影响因素主要有非金属夹杂物、组织形态、微合金元素等[5，9]。

如前所述，通过合适的成分设计与控轧控冷，本试验钢的最终组织为85%左右的铁素体加15%左右的贝氏体。贝氏体中固溶碳含量较低，其内部的碳化物形态与分布方式对韧性的负面影响较小，而尺寸细小、具有位错亚结构的贝氏体本身也有着较高的韧性。另一方面，本试验钢的延伸率较高，表明钢中大量存在的铁素体基体塑性较好，在应力场的作用下会产生较大的塑性变形，这将有助于减弱裂纹附近的局部应力集中，从而阻止扩孔成形过程中裂纹的产生和扩展。

此外，通过适量的铌微合金化，可有效细化铁素体晶粒尺寸，产生细晶强化效果；同时在合适的工艺条件下，可在铁素体基体中大量弥散析出纳米级Nb的C、N化合物，具有较好的析出强化作用。由力学性能结果可知，本试验钢具有较大的屈服强度富余量，屈强比较大，表明上述综合作用可有效地提高铁素体基体强度，缩小铁素体基体与贝氏体相之间的强度差，从而提高了两相之间的协调变形能力，即铁素体产生塑性变形的同时，贝氏体也有一定的变形，使变形过程中产生的局部应力集中得到松弛，最终提高了材料的拉伸凸缘性能。

再则，本试验钢采取了较严格的脱硫处理，有效地降低了以硫化锰为代表的非金属夹杂物对基体连续性的破坏，减少了塑性变形过程中夹杂处的应力集中，抑制了微裂纹的产生，对材料拉伸凸缘性能也起到了较好的保证作用。

4 结论

（1）试验钢的显微组织由约85%的铁素体和约15%的贝氏体组成，铁素体晶粒细小、位错密度较高、基体中有大量细小弥散的纳米析出物，贝氏体以板条状为主，板条间有较多碳化物颗粒。试验钢的力学性能和拉伸凸缘性能优异，具有较好的强度－拉伸凸缘性能匹配。

（2）各强化机制对试验钢屈服强度的贡献大小依次为细晶强化、析出强化、固溶强化和位错等其他强化。在基体强度较高的情况下，体积分数为15%的板条贝氏体相和板条间碳化物可较好地保证双相钢的抗拉强度。

（3）在钢质纯净的基础上，通过合适的成分设计和控轧控冷工艺，改善试验钢的塑韧性和减小两相强度差以提高两相协调变形能力是获得双相钢优异拉伸凸缘性能的重要手段。

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