980 MPa级汽车薄板钢慢速率拉伸研究

2019-07-11万荣春

船舶职业教育 2019年3期

万荣春

(渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105)

延迟开裂是材料在静止应力作用下，经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象，是材料－环境－应力相互作用而发生的一种环境脆化[1-3]。目前实验室所采用的加速型延迟开裂试验方法大致为：恒载荷试验、慢应变速率拉伸试验（SSRT）、恒应变（弯梁）试验和断裂力学试验，其中采用比较广泛的是慢应变速率拉伸试验（SSRT）方法，该方法能准确地反映材料的氢致延迟开裂的敏感性[4-6]，但慢应变速率拉伸试验结果相对分散，对不同强度级别钢的延迟开裂性能也不能准确评价。

本文利用慢应变速率拉伸试验方法研究DP980、QP980和TWIP980三种980 MPa强度级汽车薄板钢延迟开裂性能，并观察试验钢显微组织，分析试验钢的延迟断裂性能与其组织之间的联系，为980 MPa及以上级别超高强钢在汽车工业的广泛应用提供一定参考依据。

1 试验材料与方法

三种980 MPa强度级别试验钢牌号分别为：DP980、QP980和TWIP980，具体化学成分如表1所示。DP980和QP980钢化学成分基本接近，QP980钢的Si含量（1.37%）高于DP980钢的Si含量（0.54%）。TWIP980钢的化学成分与其他两种试验钢差别较大，C含量和Mn含量较高，C含量到达0.52%，Mn含量达到18.57%，Mn含量高的目的是为了获得单一的奥氏体组织。

表1 试验钢的化学成分（质量分数，%）

对980 MPa级汽车钢的板材进行取样，沿轧制方向将试样磨平、抛光，用4%的硝酸酒精浸蚀，利用蔡司EVO 15扫描电子显微镜对试样显微组织进行观察分析。

对980 MPa级汽车钢的板材进行取样，制成标准拉伸试样（GB/T 228—2010），慢应变速率拉伸试样尺寸如图1所示，试样总长160 mm，标距段长度80 mm，宽为6 mm，厚度随汽车钢的板材原始厚度，试样表面打磨到800#砂纸，同一试验条件下三个平行试样。利用WAW-600万能试验机进行慢速率拉伸试验（SSRT），试样浸泡在5%NaCl溶液和空气中，同时以1×10-3 s-1（空气中）和1×10-5 s-1（5%NaCl溶液中）应变速率拉伸试样，直至试样断裂。

图1 试样尺寸

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

如图2所示为三种980 MPa级汽车钢的显微组织。DP980钢的组织主要为铁素体（F）及岛状马氏体（M），QP980钢的组织主要为板条马氏体、铁素体以及马氏体板条间的岛状残留奥氏体（A’）。如图2（a）和（b）所示，铁素体组织相对容易腐蚀为图中形貌凹部分组织，马氏体组织相对不容易腐蚀为图中形貌凸部分组织。DP980钢与QP980钢中的马氏体组织形貌不大相同，DP980钢中为岛状马氏体，QP980钢中为板条状马氏体。TWIP980钢的组织为单一奥氏体，在奥氏体组织内部可以观察到有大量退火孪晶，如图2（c）所示。此外，组织中仍然保留轧制流线型变形带，这些由于冷轧后保留下来的流线变形带，在低温退火过程中不容易消失，层状的分布结构对材料的强度和塑性都有重要的影响。

图2 试验钢的显微组织图

2.2 慢拉伸试验结果

DP980、QP980和TWIP980钢慢应变速率拉伸试验结果如图3所示。从图3（a）中可以看出，在5%NaCl溶液中，DP980、QP980和TWIP980钢的断裂时间依次增加。DP980和QP980钢断裂时间在100秒左右，TWIP980钢的断裂时间明显大于其他两种钢，达到400秒。同样，在空气中DP980、QP980和TWIP980钢的断裂时间依次增加，DP980和QP980钢断裂时间在150秒左右，TWIP980钢的断裂时间明显大于其他两种钢，接近600秒。在5%NaCl溶液和空气中，TWIP980钢的断裂时间远大于DP980和QP980钢。再看图3（b），可发现断后伸长率的变化规律和断裂时间一样，在5%NaCl溶液和空气中，DP980、QP980和TWIP980钢的断后伸长率依次增加，DP980和QP980钢的断后伸长率在10%～15%之间，TWIP980钢的断后伸长率达到50%左右。根据试验钢在介质中的断裂时间和断后伸长率，可以判断出DP980、QP980和TWIP980钢的抗延迟断裂性能也是依次变好，TWIP980钢的抗延迟断裂性能最好。

图3 试验钢慢应变速率拉伸试验结果

图4 所示为DP980钢在空气和5%NaCl溶液中应力应变曲线，从图中可以看到在空气和5%NaCl溶液中的应力应变曲线基本类似，试验钢的强度和断后伸长率也基本一致，只是在5%NaCl溶液中略小些，这表明5%NaCl溶液对DP980钢慢应变速率拉伸的性能影响甚微。图5所示为QP980在空气和5%NaCl溶液中应力应变曲线，从图中可以看到在空气和5%NaCl溶液中的应力应变曲线基本类似，但相似程度低于DP980钢。QP980钢在5%NaCl溶液中应力应变曲线的颈缩阶段明显短于其在空气中应力应变曲线的颈缩阶段，QP980钢在5%NaCl溶液中应力应变曲线的颈缩阶段基本消失。这也可以从QP980钢在空气和5%NaCl溶液中的断裂时间和断后伸长率变化得到印证，QP980钢在5%NaCl溶液中的断裂时间和断后伸长率低于其在空气中的断裂时间和断后伸长率，这表明5%NaCl溶液对QP980钢慢应变速率拉伸的性能影响明显。图6所示为TWIP980钢在空气和5%NaCl溶液中应力应变曲线，从图中可以看到在空气和5%NaCl溶液中的应力应变曲线基本类似，但相似程度低于DP980钢而高于QP980钢。TWIP980钢在5%NaCl溶液中应力应变曲线的颈缩阶段略短于其在空气中应力应变曲线的颈缩阶段，这也可以从TWIP980钢在空气和5%NaCl溶液中的断裂时间和断后伸长率变化得到印证，TWIP980钢在5%NaCl溶液中的断裂时间和断后伸长率低于其在空气中的断裂时间和断后伸长率，这表明5%NaCl溶液对QP980钢慢应变速率拉伸的性能影响较明显。总体来讲，5%NaCl溶液对试验钢慢应变速率拉伸的性能影响程度，DP980钢、TWIP980钢和QP980钢是依次增大的。

图4 DP980钢的应力应变曲线

图5 QP980钢的应力应变曲线

图6 TIWP980钢的应力应变曲线

图7 所示为DP980、QP980和TWIP980钢空气中正常拉伸断口。从图7（a）中可以发现DP980钢拉伸断口主要为解理断口，在断面上有明显的河流花样，塑性相对较低，这也可以从DP980钢在空气中的断后伸长率得到印证，其在空气中的断后伸长率仅为11.1%。从QP980钢的断口形貌，如图7（b）所示。可以发现河流花样解理面，还有大大小小圆形或椭圆形的韧窝出现，这属于准解理断裂，其塑性好于解理断裂，在空气中QP980钢的断后伸长率达到12.8%高于DP980钢。TWIP980钢的断口形貌，如图7（c）所示，主要是大大小小圆形或椭圆形的韧窝，属于韧性断裂，在空气中TWIP980钢的断后伸长率达到50.3%，是三种试验钢塑性最好的。

图7 试验钢空气中拉伸的断口形貌

此外，还利用扫描电镜观察了试验钢慢速率拉伸试验后断口形貌，如图8所示，分别为DP980、QP980和TWIP980钢在5%NaCl溶液中慢速率拉伸试验后的断口形貌。5%NaCl溶液中拉伸试样断口形貌与空气中拉伸试样断口形貌相比氧化现象比较明显，在试验钢断口可以明显看到腐蚀产物存在。从图8（a）中还可以发现DP980钢的断口形貌中解理面比较多，韧窝较少，属于脆性断裂，其在5%NaCl溶液中的断后伸长率仅为10.9%。QP980钢的断口形貌中大大小小圆形或椭圆形的韧窝增多，塑性变好，其在5%NaCl溶液中的断后伸长率约为13%。TWIP980钢的断口形貌和其在空气中拉伸类似，如图8（c）所示。主要是大大小小圆形或椭圆形的韧窝，属于韧性断裂，在5%NaCl溶液中TWIP980钢的断后伸长率达到50%以上，是三种试验钢塑性最好的。此外，由于试验钢断口腐蚀产物存在，不利于断口形貌更为细致观察，如图8（c）所示，在断面上分布较多的腐蚀产物，在试验过程中也发现TWIP980钢容易被腐蚀。

图8 试验钢在5%NaCl慢拉伸的断口形貌

试验钢的组织对其抗延迟断裂性能会有重要影响，TWIP980钢的组织为单一奥氏体组织，奥氏体的塑性好，在慢应变速率拉伸速率相对大的时候，TWIP980钢断后伸长率大优势变形明显，抗延迟断裂性能也相对最好。同样，DP980钢的组织主要为铁素体和马氏体，QP980钢的组织主要为马氏体、铁素体以及残留奥氏体。由于QP980钢组织中存在残留奥氏体，其塑性好于DP980钢，在慢应变速率拉伸速率相对大的时候，QP980钢抗延迟断裂性能好于DP980钢。