退火时间对1000 MPa级冷轧双相钢组织及力学性能的影响

王卫远，杨少华，施刘健

(马钢股份公司制造部 安徽马鞍山 243003)

1 概述

双相钢(Dual Phase Steel，简称DP钢)是指主要由铁素体和马氏体相构成的先进高强钢，主要应用于汽车行业。近年来，国内针对退火时间对双相钢组织、性能影响的研究越来越多。牛枫等[1]研究了退火温度、退火时间和过时效温度对双相钢钢组织、力学性能的影响，发现随着退火时间的延长，双相钢强度先下降后上升，屈强比不变，铁素体晶粒长大，马氏体增多。陈继林等[2]研究了冷轧双相钢的组织再结晶演变规律，发现保温时间一定情况下，随着退火温度的逐渐升高，铁素体的组织形态由纤维条带状逐渐变成多边形等轴状，且有少量点状渗碳体和碳化物的分布。田超等[3]研究不同保温时间对钢板的金相组织、拉伸性能的影响，结果表明增加保温时间有利于消除带状组织，790 ℃退火60 s为700 MPa双相钢的最佳工艺条件。本文通过在790 ℃分别退火保温30 s、60 s、120 s以及300 s，研究不同的两相区退火时间对组织及力学性能影响。

2 试验

2.1 试验材料

本文试验材料为1000 MPa级双相钢冷轧中间品，化学成分见表1。

2.2 试验方法

在冷轧板上切取尺寸为250 mm×450 mm的矩形试样作为模拟退火样板(其中250 mm为轧向)，利用MULTIPAS多功能退火模拟器对试验钢板进行连续退火模拟。主要试验方法为：将试样以10 ℃/s加热的速度升至两相区温度790 ℃，并保温一段时间后(两相区保温时间分别取30 s、60 s、120 s以及300 s)以5 ℃/s 缓冷至690 ℃，再以25 ℃/s 的冷速快冷至290 ℃并保温240 s，最后以20 ℃/s的冷速冷却至室温，见图1。

2.3 试验设备及测试仪器

沿试验钢板轧制方向(0°方向)截取试样，通过FEI QUANTA 600场发射扫描电子显微镜下进行组织观察。在JEOL JXA-8530F型场发射电子探针显微分析仪上进行高倍观察及元素分析(EPMA)。沿试验钢板90°方向取样，通过Zwick/roell 050拉伸试验机检测力学性能。

3 结果与分析

3.1 两相区退火时间对试验钢组织结构的影响

图2(a)～(f)是不同退火时间的试验钢的显微组织图。可以看出，不同退火时间后的组织基本都是多边形铁素体和马氏体。试验钢中铁素体组织在保温30s时就已经基本完成了再结晶，见图2(a)。而奥氏体则才开始长大，直到保温120s时开始逐渐改变原来的长大方向，沿铁素体晶界边缘均匀性长大。

图1 试验方法

为了初步分析碳、锰元素在试验钢马氏体及铁素体组织中的分布，对不同退火保温时间30 s和120 s工艺条件下的试样在8000倍下进行面扫，结果见图3和4。其中电子图像亮白条为富碳相。由图3(b)可以分析出，在此工艺条件下，碳元素在奥氏体中充分富集。碳元素在两相区退火时从铁素体中向奥氏体富集。保温30 s时，锰元素有一定的富集，但是保温时间较短，置换型锰原子的扩散不明显。

图2 不同退火时间的试验钢的扫描显微组织

对比图3(b)和图4(b)，在保温120 s的工艺条件下，出现了亮黄色部分，说明碳进一步富集了。同时随着保温时间的延长，锰元素在两相组织中的化学势发生变化，从铁素体向奥氏体中扩散的锰元素含量增加，但变化量也不大。锰元素在奥氏体中起到稳定奥氏体并且阻碍奥氏体长大的作用，有利于提高试验钢的性能[4]。

图3 保温30 s工艺条件下试样中C和Mn元素的分布

3.2 两相区退火时间对试验钢性能的影响

两相区退火时间通过影响奥氏体晶粒的生长及其淬透性等因素来影响钢的力学性能。不同两相区退火保温时间下试验钢的工程应力-应变曲线见图5(a)，各力学性能具体数值见表2。从图5可以看出，不同退火时间连续退火试样的应力-应变曲线呈现连续屈服行为，以残余塑性应变0.2%时的强度为屈服强度。

结合表2和图5(b)、(c)可以看出，试验钢的屈服强度和抗拉强度都随两相区保温时间的延长而先增大后减少，都在120 s保温时间时达到最大，分别为592.7 MPa和1097.3 MPa；断裂延伸率随着退火的时间先减少后增加之后趋于稳定，最高能达到13.2%，而屈强比随两相区保温时间的延长而逐渐上升。

图4 保温120 s工艺条件下试样中C和Mn元素的分布

抗拉强度先升高后减少是由于随两相区退火保温时间的延长形成的奥氏体数量增多，进而导致在冷却过程中形成硬相马氏体的体积分数增大，随着时间进一步延长，马氏体体积分数基本不再变化，但马氏体岛状尺寸逐渐增大，导致强度降低。试验钢屈服强度也先升高后降低，升高主要有两个原因，一是随退火时间的延长，铁素体含量减少，组织中总的可动位错减少，变形时屈服不容易发生，进而屈强比也随之逐渐增大；二是与带状组织有关：当出现带状组织时，铁素体在变形过程中受到硬相马氏体的阻碍小，屈服相应低；而当带状组织消失后，则铁素体变形时受到阻碍增大，从而导致材料屈服强度升高。当退火保温时间延长至300s时，晶粒会有所粗化，导致其屈服强度降低[5]。

图5 不同两相区退火保温时间下的性能曲线

表2 不同两相区保温时间下试验钢各力学性能的具体值

试验钢的延伸率从30 s到60 s大幅降低，主要是因为随退火保温时间的延长，奥氏体迅速的长大，铁素体含量减少。试验钢延伸率从60 s到120 s明显提高，主要由于带状组织的影响。因为在拉伸的整个过程中，铁素体会优先在马氏体存在较少的部位发生变形。所有延伸率会在带状组织出现到消失整个过程中呈现先下降后上升的趋势。而试验钢延伸率从120 s到300 s有所降低主要是由于马氏体内部碳含量增加导致马氏体和铁素体两相之间的变形不协调性更加明显而引起的。

从性能表现上看可知保温300 s时，可获得抗拉强度1080.8 MPa，均匀延伸率达到9.6%，断裂延伸率为13.2%，强塑积达到14.27GPa%，综合力学性能最佳。

4 结语

研究了连续退火工艺中两相区退火保温时间对冷轧试验钢组织结构及力学性能的影响，并通过对比选择最佳的连续退火工艺，具体结论如下：

两相区保温时间主要通过影响碳原子的分布状态和马氏体的形貌特征来影响试验钢的组织性能。

保温120 s或300 s都可得到良好综合力学性能的试验钢，强塑积最佳能达到14.27GPa%。

考虑到工业生产效率，退火时间以120 s左右为宜。