显微组织对FB60钢板延伸凸缘性能的影响

2018-07-26刘永前

上海金属 2018年4期

梁文吴润胡俊刘斌刘永前彭周

(1.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北武汉 430081；2.武钢研究院，湖北武汉 430080)

热轧铁素体/马氏体(F/M)双相钢具有高强度、低屈强比、初始加工硬化率高以及强度和韧性良好等优点，是目前应用最多的先进高强度钢种(advanced high strength steel，AHSS)之一[1- 2]。然而在汽车车轮和底盘的制造中，钢材需进行翻边和扩孔，要求其具有良好的扩孔性能(延伸凸缘性能)[3]。F/M双相钢的扩孔性能较差，如果钢中的马氏体被贝氏体取代，则可显著提高其扩孔性能[4]。这种铁素体/贝氏体(F/B)双相钢兼具高强度和良好的冷成形性能，而且焊接性和耐疲劳性能良好，是制作汽车底盘和车轮等部件的理想材料[5]。目前，国内汽车行业大量采用扩孔性能良好的60 kg级FB60钢制造汽车零部件。

大量研究结果表明[6- 13]，影响钢板扩孔性能的因素主要有钢材纯净度、组织类型和圆孔的加工工艺。在对显微组织的研究方面，业已做了大量的工作，所研究材料的强度[14- 17]和成分[14- 16,18]差异均很大，或者显微组织相同[19- 21]，但很少有人研究成分相同、强度相同时，不同类型组织对扩孔性能的影响。本文在实验室对FB60钢板采用不同的工艺进行热处理，得到了强度相同或接近、显微组织不同的钢板试样，研究了显微组织对钢板扩孔性能的影响，并探讨了其扩孔开裂的机制。

1 试验材料及方法

试验用原料为工业用3.5 mm FB60钢板材，化学成分见表1。为得到不同的组织，采用同一卷FB60钢板在实验室进行热处理(原料为试样A)，热处理工艺见图1。

表1 FB60钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the FB60 steel (mass fraction) %

图1 试验钢的热处理工艺示意图Fig.1 Schematic of heat treatment process for the tested steel

在热处理前、后，沿板材横向截取标准拉伸试样，用Zwick Z600E电子拉伸试验机进行拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min。每件钢板试样加工3片90 mm×90 mm的扩孔用试样，冲制出φ10 mm的圆孔，按照GB/T 24524—2009采用Zwick/roell BUP400板材成形试验机进行扩孔试验，锥形冲头顶角为60°，冲头运行速率为60 mm/min，直至圆孔边缘有明显贯穿裂纹为止。采用LEICA DM6000金相显微镜和FEI Quanta 400扫描电镜观察试样的微观组织，并借助Analysis pro 5图象分析软件测量铁素体的平均晶粒尺寸和第二相的体积分数。在扫描电镜观下观测扩孔后试样圆孔端面和贯穿裂纹断口的形貌，以及缩颈区域内纵剖面的孔洞分布。采用HYSITRONTI 750原位纳米压痕仪测定显微硬度，试验力为4 mN，压痕点间距5 μm，每件试样100个压痕，并用扫描电镜观察纳米压痕点。

2 试验结果

2.1 力学性能

试样的力学性能如表2所示，工程应力- 工程应变曲线如图2所示。由表2可知，试样A、C、D抗拉强度相同，均为610 MPa左右，断后伸长率也基本相同，为22%～26%，属于力学性能相同的产品。但它们的屈强比差异较大，试样A为0.90，而试样C、D约为0.6，由图2可知，试样C、D曲线光滑无屈服平台，为典型的F/M双相钢拉伸曲线。试样B抗拉强度最低，仅为481 MPa，断后伸长率最高。

表2 不同状态FB60钢试样的力学性能Table 2 Mechanical properties of the FB60 steel specimens in different conditions

图2 FB60钢试样的工程应力- 工程应变曲线图Fig.2 Engineering stress- engineering strain curves of the FB60 steel specimens

2.2 显微组织

FB60钢试样的显微组织见表4和图3、图4。由图3、图4可知，试样A为典型的F+B组织，试样B为F+P，这与其空冷至室温有关。试样C、D均为F+M，与试样C相比，试样D的铁素体晶粒较粗大，马氏体量少。这是因为试样D加热后空冷至670 ℃才淬水，其空冷时间较试样C延长了约60 s。随着空冷时间的延长，奥氏体向铁素体转变的量增多，且铁素体晶粒长大，剩余的奥氏体水冷转变为马氏体，马氏体呈弥散的孤立岛状[22- 23]。F/M双相钢板中的屈服强度决定于铁素体[23]，试样D的铁素体晶粒较粗大，故其屈服强度较试样C低32 MPa。抗拉强度则决定于软硬相比例以及马氏体的强度，而马氏体的强度随其碳含量的增加而提高[23]。

2.3 扩孔性能(延伸凸缘性能)

图3 FB60钢试样A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的显微组织Fig.3 Microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

图4 FB60钢试样A (a)、B(b)、C(c)和D(d)的扫描电镜组织Fig.4 SEM microstructures of the FB60 steel samples (a) A, (b) B,(c) C and (d) D

避开贯穿裂纹所在的方向，对扩孔后试样(见图5)的圆孔进行测量，取3次测量的平均值，并根据式(1)计算其扩孔率，结果如表3所示。

图5 扩孔后的FB60钢试样Fig.5 Hole- expanded FB60 steel samples

表3 FB60钢试样的扩孔性能Table 3 Hole expanding rate (HER) of the FB60 steel specimens

(1)

式中：λ—扩孔率，%；D0—扩展前孔的直径，mm；Dh—扩展至开裂时孔的平均直径，mm。

由表3可知，试样B的扩孔性能最好，试样A次之，试样D最差，且试样C、D的扩孔率接近。即F/B双相试样A的扩孔率约为F/M双相试样C、D扩孔率的3倍大。

2.4 显微硬度

对FB60钢试样中4种不同的显微组织进行纳米压痕试验，其典型的试验力—压痕深度曲线如图6所示。对纳米压痕点进行筛选，剔除不合格的纳米压痕点(见图7)，每个试样有效压痕数为70～80个。对这些合格的压痕点进行统计(见图8)，将其算术平均值作为该试样组织的显微硬度，结果如表4所示。

图6 FB60钢试样中马氏体(M)、贝氏体(B)、珠光体(P)和铁素体(F)的试验力- 压痕深度曲线Fig.6 Load- indentation depth curves for martensite (M), bainite (B), pearlite (P) and ferrite (F) in the FB60 steel specimens

图7 试样A的纳米压痕SEM照片Fig.7 SEM micrograph of nano- indentation of the sample A

由表4可知，不同试样中的铁素体硬度值略有区别，铁素体的平均显微硬度为2.66～3.08 GPa，珠光体为3.22 GPa，贝氏体为3.84 GPa，马氏体为5.46～6.57 GPa。铁素体显微硬度波动较大可能与不同试样中铁素体的大小、晶内位错、亚晶结构等因素有关；马氏体的硬度与其含碳量有关，含碳含量越高，马氏体的硬度越高[19]。对于F/B双相钢板，硬/软相硬度比值为1.25，远小于F/M双相钢板的1.84～2.17。硬/软相硬度比值大小为试样B<试样A<试样C<试样D，即F+P组织

图8 试样A中铁素体(a)和贝氏体(b)的显微硬度统计图Fig.8 Micro- hardness statistical graphs for ferrite (a) and bainite (b) in the specimen A

表4 试样的显微组织及其显微硬度Table 4 Microstructures in the specimens and their micro- hardness

注：软相指F，硬相指P、B、M

2.5 断口形貌

对扩孔后的试样用SEM观察孔的端面、贯穿裂纹以及缩颈区截面的微观形貌，结果如图9～11所示。

由图9(c)可知，试样的圆孔端面有大量的微裂纹，并与板厚呈45°或135°角，裂纹夹角近90°，这些裂纹是钢板在扩孔过程中沿最大切应力方向起裂所致[24- 25]。图9(b)、9(d)为贯穿裂纹断口形貌，可知所有试样的断口均为延性断口。F/B双相钢贯穿裂纹断口的韧窝大而深，大小均匀，说明F/B双相钢具有良好的塑性。而F/M双相钢断口韧窝小而浅，且大小不均匀，说明F/M双相钢塑性较差。这是因为F/M双相钢中存在较多的位错，导致其难以滑移[26]。

图9 扩孔后孔的形貌(a)以及(a)中所示裂纹断口(试样A(b)和C(d))和圆孔凸缘(c)的形貌Fig.9 (a)Expanded hole in the specimen and micrographs of ((b)specimen A and (d) specimen C) crack fracture and (c) hole flange showed in (a)

图10 试样A(a)、C(b)和D(c)扩孔后圆孔截面的微观形貌 Fig.10 Micrographs of cross- section of the expanded hole in the samples A (a), B (b) and D(c)

图10为缩颈区截面上裂纹尖端的形貌。对于试样A，见图10(a)，在裂纹的四周，贝氏体和铁素体发生了明显的形变，且存在大量的孔隙，分布范围宽达60 μm。而试样C仅在裂纹扩展的方向有少量的变形铁素体和马氏体，分布范围仅10 μm宽，见图10(b)。试样D几乎看不到变形的铁素体和马氏体，且孔隙数量更少，见图10(c)。

图11为F/M双相钢中扩展的裂纹形貌。由图可知，试样C裂纹两侧存在断裂的马氏体，裂纹为穿晶扩展。试样D中裂纹沿晶界扩展，这是因为试样D中的马氏体硬度高，不易破裂。

图11 试样C(a)和D(b)裂纹扩展照片Fig.11 Micrographs of expanded crack in the specimens C (a) and D (b)

3 分析与讨论

对于F/B和F/P钢，试样在扩孔过程中最先形变的是强度最低的铁素体，变形导致铁素体晶粒内位错增多。当位错强化使得铁素体强度与珠光体、贝氏体接近时，不同的组织一起变形，宏观表现为扩孔性能良好。随着变形量的进一步增大，在两相界面或铁素体晶粒内产生大量孔隙，孔隙被拉长、聚集而形成宏观裂纹[17]。由于F/B和F/P钢变形范围大，且形变均匀，孔隙扩大的速率也基本相同，其贯穿裂纹断口上的韧窝大小也较均匀。

而F/M双相钢中两相的强度差别很大，其显微硬度相差1倍，形变的铁素体强度仍不能达到或接近马氏体的强度，导致变形难以协调。而铁素体的强度不高，当变形量达到两相界面的极限变形量时，两相界面将产生孔隙，故其扩孔性能很差。这些孔隙是在两相界面产生，而马氏体晶粒大小不一，孔隙的大小也不均匀，这些孔隙聚集扩大时，导致其断口的韧窝尺寸也不均匀。与F/B和F/P钢相比，F/M钢中均匀变形的范围大，产生的孔隙少，使扩孔过程中的应力更易集中，从而在扩孔过程的初期即开裂。

对于马氏体含量不同、但扩孔性能接近的试样C、D，扩孔性能除与两相硬度差有关外，还与钢中两相的比例、两相界面的面积、裂纹扩展的方式等因素有关[27]。试样D中的马氏体硬度高，即硬/软相硬度比值大，其开裂概率大；如马氏体含量少，其两相界面少，发生开裂的部位也少。此外，马氏体硬度高，在一定程度上又阻止铁素体变形，增大了裂纹扩展所需的外力。试样D中裂纹为沿晶扩展，所需的外力与穿晶扩展的试样C不同。各种因素的综合影响使试样C、D的扩孔性能相近。还有待进一步研究。

对于试样B，其扩孔率最大，达129%。这主要与其显微组织为F+P有关。其两相强度差最小，硬/软相比值最小，扩孔时两相协调最好。但珠光体强度太低，故试样的强度最低，仅为480 MPa。而扩孔性能与抗拉强度成反比，当抗拉强度从500 MPa增加至600 MPa时，扩孔率下降约25%～35%[15]。相对而言，F+P两相组织不是延伸凸缘性能良好的钢板的最佳选择。

综上所述，F/B组织兼具高的强度和良好的扩孔性能，提高F/B双相钢中铁素体强度以降低两相的强度差[21]，或开发含有大量细小铁素体单相组织的钢，是高强度易扩孔的钢的研究热点。据报道，这种易扩孔的钢的抗拉强度为780 MPa，扩孔率仍高达80%[28]。