热处理工艺对高强中锰汽车用钢成形性能的影响

芦永发　董瑞峰　毕晓宏　杨维宇　杨阳　王彦儒

关键词：第3代汽车用钢；中锰钢；两相区直接退火；ART退火；微观组织；强塑积；织构；成形性能

0 引言

随着国民经济的不断发展，我国汽车保有量不断提高，随之而来的问题就是环境污染问题，因此汽车轻量化成为人们关注的热点。在汽车行业内，强塑积是衡量汽车用钢性能的一项重要指标。目前汽车用钢已经从第1代发展到第3代，第1代汽车用钢由于其强塑积一般在15 GPa·%左右，不能满足汽车安全性能的要求；第2代汽车用钢虽然强塑积可以达到50 GPa·%以上，但由于其添加了很多合金元素，制造成本较高，生产工艺也较复杂；第3代汽车用钢的强塑积在30 GPa·%左右，介于第1代和第2代汽车用钢之间，安全性能也能够满足汽车性能的要求。

对于第3代汽车钢，目前热处理工艺主要采用ART（Austenite Reverted Transformation）退火工藝、Q&P（Quenching and Partitioning）工艺、两相区直接退火工艺。相对Q&P工艺， 经ART工艺处理后，成品钢板强度较低，但伸长率高，所以二者强塑积相近，由于ART工艺处理后成品钢板的成形性能较好，故应用比较广泛。两相区直接退火工艺与ART退火工艺相类似，但由于两相区直接退火没有淬火工序，可以节约更多成本，所以也常作为第3代汽车用钢热轧或者冷轧后热处理的方法。当前，有学者对ART工艺和两相区直接退火工艺进行了研究，如FAN L F等对热轧0.13%C-5.4%Mn钢ART退火工艺不同退火温度进行研究以寻求最佳的热处理工艺，研究得出在930 ℃保温20 min淬火和675 ℃保温30 min退火后，试验钢获得了最佳的综合力学性能，抗拉强度为1 050 MPa， 伸长率为25%，强塑积达到26.3 GPa·%； ZHOU T P等揭示了冷轧板两相区直接退火不同退火温度下铁素体回复再结晶与奥氏体形核长大之间的关系，表明铁素体基体与奥氏体之间有很强的相互作用，退火过程中基体的再结晶，为奥氏体成核和生长提供了良好的条件，该过程中奥氏体的形成降低了基体再结晶动力学，从而延迟了奥氏体晶粒周围基体的再结晶过程，但目前很少有学者对两种工艺进行对比。本文以Al、Si含量较少的第3代中锰汽车用钢作为研究对象，分别采用ART退火工艺和两相区直接退火工艺，获得铁素体和奥氏体双相组织，在保证低成本的同时，获得较好的性能，使其强度达到800～1 200 MPa， 强塑积达到30 GPa·%以上，从而得出最佳的热处理工艺参数，并对两种工艺进行对比分析，为其工业化生产提供了参考。

1 试验材料和方法

试验钢采用50 kg真空中频感应炉冶炼，化学成分如表1所示。坯料加热温度为1 200 ℃，将坯料经6道次热轧成厚度4.5 mm的薄板，开轧温度为1 170～1 180 ℃，终轧温度为930 ℃；然后酸洗，将酸洗后的薄板冷轧至1.5 mm厚。

将冷轧后的试验钢板分别进行ART退火和两相区直接退火处理，研究不同退火工艺下钢板组织性能的变化规律。其中ART退火工艺：试样在800 ℃保温5 min后进行水淬，然后分别在620、630、640 ℃保温10 min并空冷至室温。两相区直接退火工艺：试样分别在620、630、640 ℃保温10 min并空冷至室温。同时，对比分析两种工艺下钢板组织性能的差异，以揭示造成钢板性能差异性的本质原因。

试验钢的相变点采用热膨胀法来确定，利用Origin软件将原始数据绘制出温度-膨胀量曲线，如图1所示。在曲线上通过切线法可以得到试验钢Ac1和Ac3的温度分别为585 ℃和755 ℃。

采用FEI QUANTA650型场发射扫描电镜对试验钢板微观组织进行观察，采用4%的硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀；利用荷兰帕纳科X Pert PRO MPD型X射线衍射仪对试验钢中的残余奥氏体体积分数进行测量，利用式（1）计算奥氏体体积分数；利用SHT-4605型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验。

VA=（1-VC）/[1+G（IM/IA）]（1）

式中：VA为残余奥氏体体积分数，%；VC为试验钢中的碳质量分数，%；IM和IA分别为试验钢中马氏体和奥氏体晶面衍射峰的累积强度；G为奥氏体晶面和马氏体晶面对应的强度有关因数之比。

2 试验结果与分析

2.1 ART工艺对试验钢板组织性能的影响

图2为ART工艺不同退火温度下试验钢板的微观组织照片，可以看出，组织均为奥氏体、新生马氏体以及铁素体的混合组织。淬火过程中马氏体在原始奥氏体晶粒内部形核，而且原始奥氏体晶界处还有奥氏体形成；退火过程中，由于C、Mn元素的重新配分，部分马氏体中C元素变得不再饱和，转变为铁素体，图2中凸起部分为马氏体和奥氏体，凹陷部分为铁素体。退火温度为620 ℃时，钢板组织为马氏体和铁素体，而且淬火态的碳化物基本未溶解，如图2（a）放大处所示，此时奥氏体体积分数为19%左右（图3（b）），这是由于退火温度低，C、Mn配分不完全导致的。退火温度为630 ℃时，碳化物开始溶解，如图2（b）所示，为奥氏体的形核提供了能量，奥氏体含量明显增多，此时奥氏体体积分数达到20.1%（图3（b））。退火温度为640 ℃时，钢板组织主要为奥氏体和铁素体，如图2（c）所示，这是由于退火温度升高，碳化物基本溶解，为奥氏体的形核提供了充足的能量，但由于温度的升高，晶粒尺寸也变大，使得奥氏体中C、Mn元素减少，奥氏体变得不稳定，在冷却过程中部分转变为马氏体，此时奥氏体体积分数为16.8%（图3（b））。

图4为试验钢板在ART退火工艺不同退火温度下的力-位移拉伸曲线图。屈服强度可由公式（2）计算得出，如表2所示。

σs=σ0+kd-1/2（2）

式中：σs为屈服强度，MPa； σ0为作用在位错上的摩擦力，MPa； k为常数，与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关；d为平均晶粒直径，m。

在800 ℃保温5 min淬火，620 ℃保温10 min退火后，钢板屈服强度最大，为800 MPa； 随着退火温度的升高，屈服强度逐渐降低，这是因为屈服强度与晶粒尺寸息息相关，随着退火温度的升高，晶粒长大，因此屈服强度逐渐降低。抗拉强度随退火温度的升高逐渐上升，这是由于随着退火温度的升高，一部分不稳定奥氏体在冷却时会转变为马氏体，还有试样在断裂过程中受到TRIP效应的影响，使得抗拉强度随温度升高而逐渐上升。伸长率随着退火温度的升高先上升后下降，伸长率受TRIP效应影响显著。TRIP效应发生时不稳定的奥氏体会转变为马氏体，使得颈缩延迟产生，奥氏体含量越高，TRIP效应持续的时间就越长，伸长率也就越高。因此，强塑积随退火温度的升高先上升后下降。800 ℃保温5 min淬火，620 ℃保温10 min退火后，钢板力学性能达到最佳，强塑积为27.5 GPa·%。

2.2 两相区直接退火工艺对试验钢板组织性能的影响

图5为试验钢板两相区直接退火不同退火温度下的微观组织照片。当退火温度为620 ℃时，如图5（a）所示，凸起的组织为奥氏体，而且有很多白色碳化物析出，如图中放大的图片，由XRD分析图6可知，此时奥氏体体积分数为19.5%。退火温度升高到630 ℃，如图5（b）所示，碳化物逐渐溶解，奥氏体含量增加，此时奥氏体含量最高，体积分数达到22.3%。当退火温度升高到640 ℃时，如图5（c）所示，凸起的组织不只有奥氏体，还有部分奥氏体转变成的马氏体，这是由于温度升高，晶粒长大，C、Mn元素含量降低导致的，此时奥氏体的体积分数为20.7%。与ART工艺不同的是，两相区直接退火后试验钢板的晶粒尺寸更加细小，这可能是因为冷轧钢板的位错密度要高于淬火后的位错密度，从而导致奥氏体的形核位置增加进而细化晶粒。

图7为试验钢两相区直接退火工艺不同退火温度下的位移-力拉伸曲线图。屈服强度同样通过式（2）计算得出，如表3所示。可以看出：随着退火温度升高，试验钢板屈服强度逐渐降低，这是由于屈服强度主要受晶粒尺寸和位错的影响，随着退火温度的升高，晶粒尺寸逐渐变大而导致；与ART工艺相比，两相区直接退火试验钢板的晶粒更细小，所以两相区直接退火试验钢板的屈服强度整体要比ART工艺的高。

试验钢板抗拉强度先降低后升高，这是因为退火温度620 ℃时存在很多被拉长的铁素体，使得材料的塑性降低，抗拉强度比630 ℃时要高，而退火温度为640 ℃时，抗拉强度高的原因是此时组织中不只有奥氏体，还有马氏体的存在，使抗拉强度升高；与ART 工艺相比，两相区直接退火试验钢板的抗拉强度更高，这是因为ART工艺退火的试验钢板奥氏体含量少，而且多为稳定的板条状奥氏体，在拉伸过程中只有部分发生TRIP效应，即奥氏体转变为马氏体量少的结果。试验钢板伸长率与强塑积的变化规律相同，都是先升高后降低，這是因为退火温度630 ℃时奥氏体含量最多，TRIP效应也更加明显，导致颈缩延迟。与ART工艺对比，经两相区直接退火试验钢板的伸长率和强塑积都更高一些，因此，可用两相区直接退火代替ART工艺，这样可以节约更多成本，而且性能还更优秀。

2.3 两种热处理工艺下力学性能及成形性能分析

两种热处理工艺中最佳的热处理工艺参数分别为630 ℃保温10 min两相区直接退火和800 ℃保温5 min淬火后630 ℃保温10 min ART退火。r值是衡量材料成形性能的重要参数，而且r值的大小与织构有关，因此对两种最佳热处理工艺下的试验钢板分别测试其织构组成。

通过取向分布函数（ODF）分析试验钢板的织构种类和密度情况，如图8所示，可以看出两种热处理工艺下试验钢板均存在{001} ，{112} ，{223}，{111} 和{111} 织构，两相区直接退火试验钢板的织构密度较大，密度水平最大为2.30。

表4是不同热处理工艺下试验钢板不同取向的织构体积分数，从表中可以看出，两相区直接退火钢板的{001}、{112}、{223}、{111}、{111}织构的体积分数均高于ART退火钢板。

通过ResMat-TeTools织构分析软件的计算，能够得出两相区直接退火（630 ℃保温10 min）和ART退火（850 ℃保温5 min淬火后630 ℃保温10 min退火）工艺下的{111}、{110}和{100}织构的含量，如图9所示。{111}织构为有利织构，{100}织构为不利织构，{110}织构介于二者之间。大量文献证明{111}织构能够提高r值。从图9中看出，冷轧板经两相区直接退火后，{111}织构体积分数为16.35%，{110}织构体积分数为22.95%。{111}和{110}织构含量均比ART退火的含量高，而ART工艺下{100}不利织构的含量要比两相区直接退火的含量高。由此可见，两相区直接退火相比于ART退火，可以使钢板获得更优异的成形性能。

3 结论

（1）采用ART退火工艺与两相区直接退火工艺，随着退火温度的升高，试验钢板抗拉强度上升，屈服强度下降，残余奥氏体含量先上升后下降，伸长率、强塑积均先上升后下降。当退火时间为10 min时，两种工艺的最佳退火温度均为630 ℃，强塑积分别为27.5 GPa·%和30.3 GPa·%。

（2）相比于ART退火工艺，经两相区直接退火后，试验钢板中有利织构{111}含量高，不利织构{100}含量低，具有更好的成形性能。

本文摘自《轧钢》2023年第5期