碳含量对双相钢组织和性能的影响

2018-03-28供稿刘宏亮LIUHongliang

金属世界 2018年2期

供稿|刘宏亮 / LIU Hong-liang

随着节能减排要求的不断提升，汽车轻量化任务越来越严峻。汽车车身用钢主要是以钢铁板材为主，汽车的钢结构也被称为“白车身”。“白车身”用钢的选材标准主要以够降低汽车重量、保障车身安全、降低油耗、提高碰撞安全性为依据。因此，高强钢的使用成为保障车身安全前提下，降低车身自重，满足降低油耗要求的最佳选择。高强钢在国内发展异常迅速，超高强热成形钢、马氏体钢等均开始在白车身大量使用[1，2]。但是，汽车车身需要一定成形性能的结构件依然以双相钢(DP钢)为主，最多可占白车身重量70%[3]。

DP钢以铁素体和马氏体两相组织为主，屈强比低，延伸率较高，在保障较高强度前提下，具备良好的成形性，以前DP钢的使用以DP590为主，如今正在大量转为DP780和DP980，DP1180也开始使用。目前，DP780是冷冲压成形普遍使用的最常用钢种，因此DP780的稳定生产和低成本生产成为了热门课题[4，5]。

本课题以工业生产DP780为研究目标，通过调整碳含量，通过实验室模拟连退生产，研究成分对DP780组织和性能的影响作用机理，并以此理论依据，通过调整成分和工艺制备具有不同性能特性的双相钢产品，满足不同市场需求目标。

试样制备与实验方法

试样制备

本实验所选用双相钢为实验室冶炼产品，设计不同碳含量的材料化学成分，经过100 kg中频感应炉冶炼，连铸制备成钢锭，经过实验室热轧机组，以及酸洗、冷轧实验机组，制备成1.6 mm冷硬板，最终，通过连退热模拟实验机制备成性能符合要求的DP780样品，其化学成分如表1所示。

表1 DP780钢化学成分(质量分数) %

实验方法与测试技术

本研究采用连退热模拟实验机进行模拟实验，将试样以10℃/s升温速率加热到780℃，均热保温3 min，再以30℃/s的冷却速率快速冷却至250℃后，保温1 min，完成连退模拟实验。具体实验工艺如图1所示。

图1 热模拟工艺示意图

连退后，板料加工成拉伸试样，依据GB/T228“金属材料室温拉伸实验方法”，使用CMT30 t微机控制万能实验机，进行力学性能测试。金相组织采用型号为OLYMPUS-BX51金相显微镜进行分析。

实验结果

为了系统研究化学成分对DP780双相钢组织和性能的影响，首先采用相同工艺制备力学性能测试样品，并对其进行拉伸实验测试，组织分析选择拉伸后样品夹持部分进行分析。

成分对DP780性能的影响

不同碳含量样品力学性能测试结果如图2所示。实验钢的碳质量分数分别为0.12%、0.13%、0.14%和0.15%，对应的屈服强度依次是429、458、463、488 MPa，如图2(a)所示。

碳含量对屈服强度有明显影响，而对比图2(b)抗拉强度发现，碳含量对抗拉强度影响更加明显。随着碳含量的增加，抗拉强度由0.12%碳质量分数时的802 MPa升高碳质量分数0.15%时的921 MPa。

延伸率随着碳含量的增加明显降低，如图2(c)所示。本实验中碳质量分数为最高值0.15%时，延伸率已经接近标准下限的14%。

图2 DP780力学性能

成分对DP780组织的影响

组织决定性能，通过对微观组织的分析可以准确判断双相钢的性能。不同碳含量的DP780钢金相组织如图3所示。

通过金相显微镜分析软件测试发现，随着碳含量的增加，DP780组织中铁素体比例减少，马氏体比例增加。当碳质量分数为0.12%时，铁素体比例为70.5%，马氏体比例为29.5%。而碳质量分数为0.13%时，相同工艺条件下，DP780组织中铁素体比例降低为62.5%，马氏体比例增加至37.5%。本实验中碳质量分数最高值为0.15%，此时，铁素体比例已经降低至48.5%，而组织中马氏体和贝氏体比例达到51.5%。

图3 不同碳含量(质量分数)的DP780钢金相组织

为了进一步分析组织与成分之间的关系，对不同成分样品组织中马氏体硬度进行测量，结果表明，不同成分组织中马氏体硬度相差不大，硬度为HV569～583。

晶粒尺寸对比发现，碳质量分数为最高值0.15%时的样品晶粒尺寸较粗大，碳质量分数为0.12%和0.13%的样品差别不明显。

成分对DP780相变规律的影响

为了进一步分析碳含量对DP780组织和性能影响及作用机理，本研究采用热力学软件对不同成分DP780钢相变规律进行计算，结果如图4和图5所示。

图4所示为截取650～850℃，碳质量分数0.13%和0.15%条件下的平衡相图。随着温度的降低，奥氏体逐渐减少，铁素体逐渐增加，最终奥氏体转变为铁素体组织。两成分对比发现，碳含量较高时，DP780奥氏体稳定性优于碳含量较低样品。平衡条件下，碳质量分数为0.15%时，A3温度为805℃，而碳质量分数0.13%时，A3温度为810℃。但A1温度几乎没有变化。

图4 DP780相图

不同成分的DP780连续冷却条件下相变规律如图5所示。连续冷却曲线计算结果表明：碳含量增加有利于奥氏体稳定性控制；相同冷却工艺条件下，碳含量较低样品更容易获得铁素体组织。

碳质量分数为0.13%的样品马氏体温度略高于碳质量分数0.15%样品，但临界冷却速率也相对较高。碳质量分数为0.13%时，临界冷却速率为40℃/s，而碳质量分数为0.15%时，临界冷速为30℃/s。因此，相同工艺条件下，随着碳含量的增加，DP780更容易获得马氏体组织。

图5 DP780连续转变冷却曲线

结果分析

本实验工艺样品采用实验室热模拟实验机制备，保障了工艺的稳定性和一致性，因此，实验过程对比差距均源于成分中碳含量的变化。

综合DP780中碳含量对组织、性能以及相变的分析结果发现：随着碳含量的增加，DP780钢奥氏体稳定性增加，在相同加热温度条件下，更多奥氏体被保留下来，加之碳含量增加，临界冷速降低。因此，更容易获得马氏体组织。理论分析结果与实际测量结果一致，即随着碳含量增加，相同工艺生产DP780，组织中马氏体比例增加，铁素体比例降低。

DP780双相钢力学性能与组织比例和分布有密切关系，随着马氏体含量的增加，必然导致DP780抗拉强度显著增加，而铁素体减少，使得拉伸过程中软相减少，屈服强度升高，延伸率降低。

DP780在设计时，应考虑成分与工艺的匹配。当采用较小的冷却速率时，可以适当提高碳含量，减少其他合金的添加。通过增加碳含量，提高马氏体比例，保障强度满足标准要求。而当采用高速生产时，即冷却速率较高时，可以采用低碳工艺生产，保证DP780具有更好的综合性能。