过时效温度对1000 MPa级冷轧双相钢的微观组织和力学性能的影响

戴玉芬,肖洋洋,詹 华，崔 磊，晋家春

(1.安徽冶金科技职业学院 安徽马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁公司科技中心 安徽马鞍山 243000)

汽车的节能，减排和更高安全性要求，一直在推动轻质高强度汽车钢的大量应用[1]、[2]。基于相变强化的双相钢，由于其较低的屈强比，较高的初始加工硬化速率，良好的强韧性匹配等优点，已经演变成为汽车钢板成型用的先进高强钢之一[3]。在汽车用先进高强钢中，双相钢的研究和应用最为广泛。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室研究了过时效温度对980 MPa级双相钢组织的影响，认为随着过时效温度的降低，强度升高，延伸率下降，退火后加工硬化系数明显增大[4]。由于生产过程中那些公认的问题，钢厂必须不断努力提高1000 MPa级冷轧双相钢的成本效益，焊接性能和可加工性[5]、[6]。冷轧双相钢的生产通常要使用连续退火工艺，包括双段加热，两段冷却和等温过时效处理。过时效的作用是通过马氏体回火降低其硬度并改善钢的综合力学性能[7]。

通过模拟工业生产的1000 MPa级冷轧双相钢的连续退火过程，研究了过时效温度对其显微组织和力学性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料及化学成分

文章的试验材料是工业生产的厚度为1.4 mm的1000 MPa级冷轧双相钢板，其化学成分如表1所示。图1为试验材料冷轧酸洗后轧硬状态下的显微组织。

表1 试验材料的化学成分 %

图1 冷轧试验材料的显微组织(500×)

1.2 退火工艺

从轧硬状态下的试验材料上切取250×450 mm的矩形试样。然后在ULAVC-CCT-AY-II型连续退火模拟器上模拟连续退火过程。首先，将试样加热至退火温度790℃且保温120 s，并在缓冷至690℃后又急冷至快冷温度。快冷和过时效温度分别设置为260℃、280℃、300℃和350℃。具体实验分组和参数如表2所示。

表2 实验分组和连续退火工艺参数

1.3 微观组织和力学性能分析

在退火后的试验用钢板上切取材料并经打磨，抛光，用4%硝酸酒精腐蚀制备金相试样。利用(Zeiss, AxioVert.A1, Germany) 和扫描电镜(FE-SEM FEI QUANTA 600)观察试样的显微组织。为了更加细致的分析，将具有典型组织特征的试样进一步打磨和双喷电解抛光后进行透射电镜(TECNAI G220)观察。与此同时，根据GB T/228-2002，在退火样品上沿轧制方向的法线切取A80 mm的标准拉伸试样。使用Zwick/roell 050 拉伸试验机测试试样的力学性能。

2 实验结果和讨论

2.1 过时效温度对1000MPa级冷轧双相钢显微组织的影响

图2为试验用钢在不同过时效温度下的显微组织，图中凸出部分为马氏体组织，下凹部分为铁素体组织。从图中可以看出，四种不同过时效温度下，组织均为铁素体和马氏体，且组织均匀。随着过时效温度的增加，马氏体的形貌由板条状逐渐转变为岛状，且马氏体岛晶界从清晰平滑演化成更加细密的多边形结构。在260℃低温过时效时，马氏体的板条形貌相对比较明显(图2 (a))。随着温度继续升高，组织中马氏体岛的边界逐渐变得模糊。当过时效温度增加至350℃时，马氏体岛开始分解，同时伴随着一些粒状碳化物的析出(图2 (d))。

图2 试验材料不同过时效温度下扫描电镜组织(a) 260℃, (b) 290℃, (c) 310℃,(d) 340℃

图3(a)-(c)和(d)-(f)是试验材料分别在260℃和350℃过时效时的透射电镜照片。 如图3(a)-(b)所示，过时效温度较低时，板条马氏体结构相对比较清晰，同时组织中还呈现孪晶马氏体的特征；并且此时几乎没有碳化物的析出，这说明富C的孪晶马氏体具有良好的回火稳定性。比较图3(c) 和3(f)，可以发现随着过时效温度增加，铁素体基体中的位错密度显著减少。图3(d)-(e)表明：当过时效温度为350℃时，马氏体呈现出回火特征并且部分碳化物析出。

图3 试验材料在260℃和340℃过时效时透射电镜照片

2.2 过时效温度对1000 MPa级冷轧双相钢力学性能的影响

试验材料在不同过时效温度下的单向拉伸力学性能如表3所示。图4是在不同温度下过时效时的工程应力-应变曲线，可以看出不同过时效温度下连续退火的试样都展现出连续屈服行为而没有屈服延伸。

根据表3可知，随着过时效温度的增加，试样的抗拉强度逐步下降，且在最高时达到1150 MPa；而屈服强度先降低后增加，但整体上有所改善. 均匀延伸率基本在10%左右。屈强比的总体趋势也随过时效温度升高而增大。在300℃过时效时，试验材料拥有最佳的综合力学性能，此时其强塑积(AT×σb)达到15.1 GPa%。

图4 不同过时效温度下试验材料的工程应力-应变曲线

表3 不同过时效温度下试验材料的力学性能

2.3 讨论

冷轧双相钢的化学成分和生产工艺决定了试验材料的微观组织，而微观组织直接影响试验材料的力学性能。试验材料的显微组织结构随过时效温度发生改变。双相钢屈服强度先降低的原因是：含有过饱和C原子的马氏体与铁素体发生交互作用，造成铁素体产生严重的晶格畸变，从而产生大量的位错动能。当过时效温度升高时，马氏体组织开始软化，马氏体和铁素体界面间的大量位错相互制约。铁素体中析出的细小碳化物开始钉扎位错，并阻碍位错运动，从而提高屈服强度。然而随着过时效温度的增加，铁素体产生析出和纯化，马氏体基体部分软化，铁素体中的碳化物不断析出并在晶界处逐步长大。这些都导致抗拉强度的降低。

在低的过时效温度(～260℃)下，试验材料的回火软化现象并不明显，马氏体形貌清晰且C含量高，因此试样具有较高的屈服强度和抗拉强度。提高过时效温度铁素体基体强度下降，随着过时效温度增加至300℃，组织中细小弥散析出的碳化物阻碍位错运动，从而导致屈服强度开始增加。而350℃过时效时，正常的板条马氏体形貌开始遭到破坏，并且由于C原子向外扩散和内强度的逐渐消失而导致马氏体软化，因此抗拉强度逐渐降低。当过时效温度为300℃，试验材料因为更高的屈服强度与抗拉强度，屈强比和延伸率而拥有最佳的综合力学性能。

3 结论

随着过时效温度增加，试验材料的抗拉强度逐步下降，而屈服强度先降低后增加并且最高的抗拉强度可达1150MPa。在300℃过时效时，实验材料具有最佳的综合力学性能，且其强塑积可达15.1 GPa%。

在低温(～260℃)过时效时，马氏体的形貌呈板条状。随着过时效温度升高，试验材料中马氏体含量几乎保持不变，并开始转变为岛状马氏体。在350℃过时效时，马氏体开始分解且析出碳化物。

过时效温度对马氏体形貌和碳化物的析出有显著影响，这最终影响试验材料的力学性能。随着过时效温度的增加，铁素体基体中位错密度逐步减少。当过时效温度超过300℃时，马氏体呈现出回火特征，抗拉强度随过时效温度增加而下降。