双相钢拼焊板温拉伸力学性能及组织分析

蒋满国，陈 炜，黄忠富，刘 政

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013)

双相钢拼焊板温拉伸力学性能及组织分析

蒋满国，陈 炜，黄忠富，刘 政

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013)

为了揭示温变形工艺参数对双相钢拼焊板宏观力学性能及组织演变的影响规律，在不同变形温度和应变速率条件下对DP590双相钢拼焊板进行温拉伸试验和微观组织观察，将变形温度和应变速率对材料温成形过程的综合影响统一为Zener－Hollomon(Z)参数来研究材料宏观力学性能和微观组织演变.实验结果表明，随着Z参数的降低，材料越容易发生动态再结晶，流变应力－应变曲线越低，断后延伸率逐渐提高，平均晶粒尺寸有长大的趋势.本研究对于通过Z参数优化DP590双相钢拼焊板温变形宏观力学性能和微观组织具有一定的参考价值.

双相钢拼焊板;温成形;Z参数;微观组织;宏观力学性能

以相变强化为基础，由铁素体与马氏体组成的双相钢具有低屈强比、高初始加工硬化速率、良好的强度和延性配合等特点，已发展为一种汽车用高强度新型冲压用钢.双相钢拼焊板兼有双相钢板与激光拼焊板(TWBs)技术的优点，在减轻车身重量的同时，提高了汽车的抗冲击性、抗凹性［1］.但由于焊缝的存在，双相钢拼焊板在常温下成形比较困难，通过温塑性成形技术可以提高其成形性能［2］.有学者［3－4］研究了不同温度、应变速率下材料(钛合金和双相钢)的宏观力学性能及微观组织，认为温塑成形过程中变形温度、应变速率等对材料(钛合金和双相钢)宏观力学性能及微观组织具有很大影响.杨慧等［5］研究了不同变形温度和应变速率下Zener－Hollomon(Z)参数对20CrMnTi的温热压缩变形行为的影响.Xu S W等［6］对Mg－Al－Zn－Ca镁铝合金热压缩试验中再结晶晶粒尺寸与Z参数的关系进行了研究.但是将变形温度和应变速率统一为Z参数来研究双相钢拼焊板材料温成形规律的比较少见.

本文基于变形温度和应变速率的关系方程［7］，研究不同温度、应变速率下双相钢拼焊板的宏观力学性能及微观组织演变，为通过Z参数提高DP590双相钢拼焊板温变形宏观力学性能和优化微观组织提供一定的理论依据.

1 实验材料及方法

实验所用材料为宝钢生产的高强度冷轧双相钢DP590，其成分(质量分数/%)为1.80Mn－0.46Si－0.12C－0.01P－0.006 S－0.051Al.厚度为1 mm，进行激光焊接成等厚拼焊板.双相钢拼焊板沿纵向取样，焊缝平行于拉伸方向，且处于试样中间位置，试样标距为36 mm，宽度为9 mm.

对试样在不同变形温度和应变速率下进行单向拉伸实验，变形温度为550、600、650和700℃，应变速率为0.1、0.01、0.001、0.0001 s－1，实验拉伸设备为CMT5205微机控制电子万能试验机，加热装置为三段控温电阻炉，温控误差为±1℃，加热速度为5℃/s，加热至预定温度后保温10 min，然后进行拉伸实验.拉伸后的试样立即进行水淬处理，以保留变形后的组织.因断口附近加热温度稳定，组织均匀，能够准确表述不同温度下双相钢激光拼焊板的微观组织变化情况，故在拉伸断口处横向截取母材、焊缝区试样，经过抛光后，用体积分数4%的硝酸酒精溶液浸蚀，利用JSM－7001F热场发射扫描电子显微镜观察其微观组织.利用图像处理软件对断口处微观组织电镜照片进行处理得到不同变形温度和应变速率下平均晶粒尺寸，利用动态再结晶动力学方程［8］求得断口处母材和焊缝区平均再结晶体积分数.

2 基于Z参数的宏观力学性能分析

根据MILOVIC R和MANOJLOVIC D等［7］对高速钢热加工性能的研究，材料应变速率、温度与Z参数之间的关系可表示为

式中:ε·为应变速率(s－1);T为变形温度(K);R为气体常数(8.31 J·mol－1·K－1);Q为变形激活能(kJ·mol－1);Z为Zener－Hollomon参数，其物理意义为温度补偿的应变速率因子(s－1).

根据陈炜等［4］的研究，DP590双相钢拼焊板平均变形激活能Q=398.181 kJ/mol.利用式(1)将变形温度和应变速率两个影响因素统一为Z参数.不同变形温度和应变速率对应的Z参数见表1.不同Z参数下DP590拼焊板温拉伸真实应力－应变曲线如图1所示.

表1 不同温度及应变速率下对应的Z参数

图1 不同Z参数下DP590拼焊板温拉伸真实应力－应变曲线

由图1可以看出:1)DP590双相钢拼焊板在变形初期，流变应力随着应变的增加迅速上升，达到一定的峰值后，随着应变的继续增加，流变应力保持水平或出现下降的趋势;2)在实验Z参数范围内(2.38×1017～1.87×1024s－1)，随着Z参数的降低，拼焊板真实流变应力－应变曲线从加工硬化－动态回复型转变为动态再结晶类型，材料软化程度越来越高，材料最大流变应力随着Z参数的降低而减小，从450 MPa下降到65 MPa，最大应变从0.2逐渐上升到0.75;3)由图1(a)可以看出，在较高的Z参数下，也就是在较低温度和较高应变速率下，材料软化机制以动态回复为主，材料软化程度比较低，因为较低的温度下位错的滑移和攀移产生的软化不足以克服位错密度增加所带来的硬化;4)由图1(b)可以看出，在较低的Z参数下，也就是在较高温度和较低应变速率下，材料发生了相对明显的动态再结晶软化现象，材料的软化机制为动态再结晶为主，抵消了拉伸过程中的加工硬化，使得流变应力出现下降趋势，峰值应力在220 MPa以下.

图2为不同Z参数下的拼焊板温拉伸断后延伸率(ψ).

图2 不同Z参数下拼焊板温拉伸断后延伸率(ψ)

从图2可以发现:当Z参数从6.69×1020s－1左右下降到2.38×1017s－1左右时，材料断后延伸率从38.9%上升到133.3%;在较高的Z参数下，其断后延伸率变化并不明显.因此DP590拼焊板温拉伸在较低的Z参数下有利于提高其断后延伸率.

3 基于Z参数的微观组织演变分析

不同Z参数条件下，DP590拼焊板温拉伸断口母材和焊缝区微观组织电镜照片分别如图3和4所示.从图3和4可以看出:随着Z参数的降低，材料动态再结晶程度增强，材料微观组织中马氏体的含量逐渐降低并转化为铁素体和碳化物等;在温拉伸过程中焊接焊缝区并没有孔洞、撕裂等缺陷出现，其微观组织变化比母材区要明显;随着Z参数的降低，材料轧制态晶粒逐渐转变成了等轴晶粒，等轴晶粒有利于材料的塑性成形.利用图像处理软件，对不同Z参数下断口处母材和焊缝区微观组织电镜照片进行处理以获得其平均晶粒尺寸(D).利用动态再结晶动力学方程［8］，求得断口处母材和焊缝区平均再结晶体积分数(XD).

式中:XD为动态再结晶体积分数;εp为峰值应变; k和nd为决定于化学成分和变形条件的参数;εc为临界应变;εc、εp、k可以表示成 Z参数的函数［9］.

图3 不同Z参数下DP590拼焊板断口母材区电镜照片

图4 不同Z参数下DP590拼焊板断口焊缝区电镜照片

不同Z参数下断口处母材和焊缝区平均晶粒尺寸和平均再结晶体积分数分别如图5和6所示.从图5和6可以看出:随着Z参数的降低，材料更容易发生动态再结晶，平均晶粒尺寸有长大的趋势;相同Z参数下，虽然焊缝区动态再结晶体积分数高于母材区，但是由于焊缝区原始晶粒尺寸要比母材区小使得母材平均晶粒尺寸普遍要大于焊缝区;在较低的Z参数下，同时结合图3和4可以看出，材料动态再结晶体积分数随Z参数的下降具有明显的上升趋势，材料微观组织出现大量的亚晶粒并且长大.低的Z参数代表着较高的变形温度和较小的应变速率，这样材料塑性变形中能够获得较高的能量以及亚晶粒的长大时间.

图5 不同Z参数下拼焊板母材和热影响区平均晶粒尺寸(D)

图6 不同Z参数下拼焊板母材和热影响区平均再结晶体积分数(XD)

4 结论

将变形温度和应变速率对材料温成形过程的综合影响统一为Z参数，研究了DP590双相钢拼焊板温拉伸宏观力学性能及微观组织，其研究结论如下:

1)在实验的Z参数范围内，随着Z参数的降低，DP590双相钢拼焊板软化机制从动态回复转变为动态再结晶，其流变应力－应变曲线越低，材料延伸率逐渐提高.

2)随着Z参数的降低，材料动态再结晶程度逐渐加强，平均晶粒尺寸有长大的趋势，母材扎制态的晶粒形态逐渐转变为等轴形态，焊缝区板条状马氏体逐渐消失并生成新的等轴晶粒.

3)在相同的Z参数下，焊缝区的平均晶粒尺寸普遍小于母材区而动态再结晶体积分数却大于母材区，即焊缝区微观组织演变程度高于母材区.

4)变形温度和应变速率对DP590双相钢拼焊板宏观力学性能及微观组织的综合影响可以用单一因子Z参数来表示.

［1］ BHATTACHARYA D.Developments in advanced high strength steels［J］.Iron＆steel Supplement，2005，40: 69－75.

［2］ TOROS S，OZTURK F，KACAR I.Review of warm forming of aluminum-magnesium alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，207:1－12.

［3］ CHENG D H，HUANG J H，ZHAO X K，et al.Microstructure and superplasticity of laser welded Ti－6Al－4V alloy［J］.Materialsand Design，2010，31: 620－623.

［4］ 陈炜，薛雷，承善，等.双相钢激光拼焊板温拉伸流变应力模型研究［J］.功能材料，2009，40(12): 2034－2037.CHEN Wei，XUE Lei，CHENG Shan，et al.The flow stress mdel of dal pase seel lser tilor wlded banks during wrm tnsion［J］.Functional Materials，2009，40 (12):2034－2037.

［5］ YANG H，LI Z H，ZHANG Z L.Investigation on Zener-Hollomon parameter in the warm-hot deformation behavior of 20CrMnTi［J］.Journal of Zhejiang University:Science A，2006，7(8):1453－1460.

［6］ XU S W，KAMADO S，HONMA T.Recrystallization mechanism and the relationship between grain size and Zener-Hollomon parameter of Mg－Al－Zn－Ca alloys during hot compression［J］.Scripta Materialia，2010，63:293-296.

［7］ MILOVIC R，MANOJLOVIC D，ANDJELIC M，et al.Hot workability of M2 type high-speed Steel［J］.Steel Research(Germany)，1992，63:78－84.

［8］ SUN Z C，YANG H，OU X Z.Effects of process parameters on microstructural evolution during hot ring rolling of AISI 5140 steel［J］.Computational Materials Science，2010，49:134－142.

［9］ 周晓光，刘振宇，吴迪，等.FTSR热轧含Nb钢动态再结晶数学模型中参数的确定［J］.金属学报，2008，44(10):1188－1192.ZHOU Xiao-guang，LIU Zhen-yu，WU Di，et al.Determination of model parameters of dynamic recrystallization for Nb bearing steels during flexible thin slab rolling［J］.Acta Metallurgica Sinica，2008，44(10): 1188－1192.

Investigation on mechanical properties and microstructure evolution of DP steel TWBs

JIANG Man-guo，CHEN Wei，HUANG Zhong-fu，LIU Zheng
(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

To understand the effect of process parameters on the mechanical properties and microstructure evolution of dual-phase(DP)steel tailor welded blanks(TWBs)during warm deforming，the warm tensile tests at different temperatures and strain rates were carried out.The mechanical properties and microstructure evolution of DP590 steel TWBs during warm tensile tests were influenced by temperature and strain rate，and all of those factors were reflected by Zener-Hollomon(Z)parameter.The results indicated that at the range of given experimental Z parameter，due to the dynamic recrystallization，the lower the Z parameter，the lower the stress-strain curves，and as Z parameter decreased，the elongation at fracture，the volume fraction of recrystallization and average grain size increased.

tailor-welded blanks;warm forming;Zener-Hollomon parameter;microstructure evolution;mechanical properties

TG142.41 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2012)02－0112－05

2011－06－13.

国家自然科学基金资助项目(50775102);上海市数字化汽车车身工程重点实验室开放基金课题(200903).

蒋满国(1986－)，男，硕士研究生;

陈 炜(1965－)，男，教授，博士生导师.

陈 炜:E-mail:chen_wei@ujs.edu.cn.

(编辑 程利冬)