超高强马氏体钢冲杯盐雾延迟开裂性能的研究

万荣春 方艺蒙 付立铭 曹宝山 马庆岩 龚勋

随着装备制造业发展的需要，特别是军工发展需要，钢材的强度越来越高。但当钢材的抗拉强度超过1200 MPa时，就容易出现延迟开裂现象[1]。延迟开裂是一种脆性开裂，在开裂前没有明显的宏观塑性变形，没有征兆，所以其危害性极大。因此，一般在超高强钢使用前需要对其延迟开裂性能进行评价。目前，实验室所采用的加速型延迟开裂评价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，但这几种延迟开裂评价方法都存在不足，也没有统一公认的合理评价方法[2-6]。因此，探索一套快速、准确的延迟开裂评价新方法，对超高强度钢的发展有重要意义。

本文利用拉深冲杯盐雾延迟开裂试验研究MS980、MS1180和MS1300三种车用超高强马氏体（MS）钢的延迟开裂性能，并对试验钢显微组织进行观察，分析试验钢的延迟开裂性能以及其与组织的关系，同时探讨拉深冲杯盐雾延迟开裂试验作为评价超高强钢延迟开裂的可行性，为超高强钢延迟开裂的评价提供一定参考依据。

1试验材料与方法

三种超高强马氏体（MS）钢牌号分别为MS980、MS1180和MS1300，其具体化学成分如表1所示。

对试验钢拉深冲杯成型前沿轧制方向侧面进行取样并制备金相试样，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，采用蔡司蔡司EVO 15扫描电镜（SEM）观察组织。

拉深冲杯试样成型参照国家标准GB/T 15825.3—2008《金属薄板成形性能与试验方法 第3部分：拉深与拉深载荷试验》[7]进行，凸模直径dp=50 mm，每种钢同一成型比（成型前试样直径与dp比值）下5个平行试样。盐雾延迟开裂试验一个周期7天，先盐雾条件24小时，接着干湿循环（湿热条件8小时+干燥条件16小时）96小时，最后干燥条件48小时。盐雾延迟开裂试验需进行10個周期，共70天（1680 h），盐雾溶液为5%NaCl水溶液。

2试验结果与分析

2.1显微组织

图1所示为超高强马氏体（MS）钢的显微组织，三种MS钢的组织为马氏体（M）+铁素体（F）。马氏体（M）组织为板条状区域，由于马氏体碳含量较高，不容易被4%硝酸酒精腐蚀，所以呈现出凸起状；铁素体（F）组织为多边形块状区域，由于碳含量相对较低，容易被4%硝酸酒精腐蚀，所以呈现凹陷状态。作为强化相的马氏体呈岛状弥散分布在塑性好的多边形铁素体基体上。此外，从图1中还可以发现随着试验钢的强度级别提高，试验钢组织细化，且马氏体体积分数明显增加，其中MS1300钢组织的晶粒尺寸最小，马氏体体积分数最高。

2.2试验结果与分析

图2所示为三种MS钢冲杯试样经过70天（1680 h）盐雾试验后试验结果，图中黑方点为每一试样开裂时间，红线为线性拟合的开裂时间。从图2a中可以发现试验结束，MS980钢冲杯试样成型比为1.7时未出现开裂现象，成型比达到1.8时出现1个开裂试样，成型比为1.9时全部试样出现开裂；MS1180钢冲杯试样成型比为1.5时未出现开裂现象，成型比达到1.6时出现开裂试样（其中有一个试样开裂时间为1656h，接近试验结束时间），成型比为1.8时全部试样出现开裂，并且开裂时间比MS980钢更短，如图2b所示；MS1300钢冲杯试样成型比为1.3时未出现开裂现象，成型比达到1.4是出现部分开裂试样（其中有一个试样开裂时间为1586h，接近试验结束时间），成型比为1.7是全部试样出现开裂，如图2c所示。这表明三种超高强马氏体钢中MS980钢的抗延迟开裂性能最好，其次为MS1180钢，MS1300钢抗延迟开裂性能最差。一般来说，试验钢强度级别越高，越可能出现延迟开裂现象[2，8]。此外，从图2中还可以发现同一试验钢冲杯试样成型比越大出现开裂越多，且开裂时间越短。这说明同一试验钢在高成型比下出现开裂现象的可能性更大，这是由于冲杯试样成型比越大，试样的内应力越大，在相同条件下出现延迟开裂的可能性越大。

图3为为三种超高强双相钢盐雾试验后的冲杯试样。如图3a所示，MS980钢经过70天的盐雾试验后，试样表面腐蚀严重，有很多腐蚀产物，从外观来看主要是铁锈，试样（成型比为1.8）在杯口出现明显的开裂现象。MS1180钢经过70天（或开裂时间）盐雾试验后，试样表面腐蚀严重，有铁锈等很多腐蚀产物，高成型比（1.6、1.7和1.8）的试样在杯口出现明显的开裂现象，如图3b所示。MS1300钢经过70天（或开裂时间）盐雾试验后，试样表面腐蚀严重，有铁锈等很多腐蚀产物，在成型比在1.4以上的试样在杯口均出现明显的开裂现象（图3c）。从图3中还可以看到，开裂裂纹在杯口处较宽，并向杯底延伸变细，裂口平整。裂纹出现的方式是突然出现，裂纹的孕育期可能长但扩展速度快。结合这些特点可以确定是脆性开裂，基本属于延迟开裂，而不是由腐蚀引起的腐蚀裂纹。

从图2可以发现三种MS钢的随着成型比降低，试样开裂时间变长，到某一临界成型比（MS980钢为1.7，MS1180钢介于1.5～1.6之间，MS1300钢介于1.3～1.4之间）时冲杯试样不会出现开裂现象，这一相同试验规律。这样的试验规律和疲劳试验有些类似，疲劳试验的纵坐标为循环应力的应力幅（对应盐雾试验为冲杯试验成型比），横坐标为循环次数（对应盐雾试验时间），在某一规定循环周次（一般为107），当循环应力的应力幅低于临界应力值不会出现疲劳断裂，此临界应力值为条件疲劳极限。三种MS钢也有类似的条件延迟开裂极限，即在某一规定冲杯盐雾试验时间里（本文为70天，1680h），在临界成型比（MS980钢为1.7，MS1180钢介于1.5～1.6之间，MS1300钢介于1.3～1.4之间）以下时冲杯试样不会出现延迟开裂现象。也就是说超高强钢的冲杯盐雾试验的临界成型比可以在一定条件下作为其是否会出现延迟开裂的评价依据。而在本文中这一定条件下是假设经过70天（10个周期）的盐雾试验试验钢冲杯试样不发生开裂现象，就认为该试验钢在其整个20年（一般汽车平均使用寿命不会超过20年）服役期内不会出现延迟开裂现象。从目前我们的已有研究结果表明该假设1个周期盐雾试验试验钢冲杯试样不发生开裂现象，该试验钢在2年内甚至更长时间内不会出现延迟开裂现象。从我们目前进行的大气环境下冲杯延迟开裂试验结果来了，经过4年时间，我们仅发现成型比为1.7的MS1180钢在18672h（约2年48天）时出现一个试样开裂，MS1180钢临界成型比介于1.5～1.6之间，证明我们假设的延迟开裂临界成型比是有效的。当然更长的时间内该假设是否有效，还需要更多时间和更多的深入研究。

此外，从图1可以发现MS980、MS1180和MS1300钢组织中马氏体体积分数逐渐提高，马氏体体积分数提高，试验钢的强度级别也逐渐提高，同时试验钢延迟开裂敏感性也越高[9]。这说明试验钢中马氏体的存在不利于改善试验钢延迟开裂性能，但有利于其强度的提高，这就需要我们选材平衡强度和延迟开裂关系。马氏体体积分数对试验钢延迟开裂性能可能存在一个临界值，当试验钢中马氏体体积分数低于临界值时，不会引起其延迟开裂现象出现，当然它们之间更详细的联系需要还更多的深入研究。

3结论

（1）超高强马氏体钢的显微组织，三种MS钢的组织为马氏体+铁素体，且随着试验钢的强度级别提高，马氏体体积分数明显增加。

（2）拉深冲杯盐雾延迟开裂试验结果表明MS980钢的抗延迟开裂性能最好，其次为MS1180钢，MS1300钢抗延迟开裂性能最差。同一试验钢冲杯试样成型比越大出现开裂越多，且开裂时间越短。

（3）试验结果显示三种MS钢存在一临界成型比（MS980钢为1.7，MS1180钢介于1.5～1.6之间，MS1300钢介于1.3～1.4之间），在该临界成型比以下时冲杯试样不会出现延迟开裂现象，且此临界成型比可以在一定条件下作为超高强钢是否会出现延迟开裂的评价依据。

参考文献：

[1]万荣春， 付立铭， 王学双. 1180 MPa级超高强钢慢速率拉伸延迟开裂性能[J]. 锻压技术， 2019， 44（3）： 140-143.

[2]褚武扬. 氢损伤与滞后断裂[M].北京：冶金工业出版社， 2000.

[3]叶又， 陈佳捷， 濮振谦， 等. 拉深成形对于Q&P980高强钢氢致延迟断裂影响的实验研究[J]. 精密成形工程， 2019， 11（2）： 76-80.

[4]吴彦欣. TWIP钢的疲劳行为及延迟断裂研究[D]. 北京：北京科技大学， 2014.

[5]Tetsushi C， Yukito H， Eiji A， et al. Comparison of constant load， SSRT and CSRT methods for hydrogen embrittlement evaluation using round bar specimens of high strength steels[J]. ISIJ International， 2016， 56 （7）： 1268-1275.

[6]Tetsushi C， Yukito H， Eiji A， et al. Comparison of hydrogen embrittlement resistance of high strength steel sheets evaluated by several methods [J]. ISIJ International， 2016， 56 （4）： 685-692.

[7]GB/T 15825.3—2008，金属薄板成形性能与试验方法 第3部分：拉深与拉深载荷试验[S].

[8]万荣春， 付立铭， 王学双， 等. 1180 MPa 级超高强度汽车薄板钢的延迟断裂性能[J]. 金属热处理， 2017， 42（1）： 91-93.

[9]Meimei W， Motomichi K， Dirk P， et al. Enhancing hydrogen embrittlement resistance of lath martensite by introducing nano-films of interlath austenite [J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 2015， 46（9）： 3797-3802.

基金项目：中国船舶工业综合技术经济研究院《国外材料领域国防实验室军民融合发展策略研究》项目；2019年度辽宁省“百千万人才工程”人选科技活动支持项目（2019B14）

（作者單位：万荣春，渤海船舶职业学院材料工程，渤海船舶重工有限责任公司博士后流动站；方艺蒙，四川大学匹兹堡学院；付立铭，上海交通大学材料科学与工程学院；曹宝山，辽宁顺达机械制造（集团）有限公司；马庆岩，龚勋，葫芦岛军民融合和新材料产业发展中心）