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[高强度钢] 不同冷却工艺对双相钢组织结构和力学性能的影响

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发表于 2020-4-17 08:51:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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不同冷却工艺对双相钢组织结构和力学性能的影响

李艳1 张宏1 唐士东2 聂双喜2 王立东3
(1.四川大学建筑与环境学院力学系,成都 610065;2.一汽-大众汽车有限公司,长春 130011;3.中国航空制造技术研究院,北京 100024)
【中国汽车材料网】摘要:运用金相、透射、拉伸测量等测试手段分析了快冷温度和卷曲温度对C-Si-Mn-Cr系热轧双相钢的组织结构和力学性能的影响。结果表明,实验钢最佳冷却工艺为终轧后空冷到730℃,然后水冷至250℃卷取。该工艺下,可以得到抗拉强度为650 MPa,延伸率为24.6%,屈强比为0.8的铁素体+马氏体热轧双相钢。
关键词:双相钢 力学性能 快冷温度 卷曲温度

[size=1em]双相钢(Dual Phase steel,DP钢)组织由铁素体(F)和马氏体(M)构成,其具有良好强塑性、低屈强比、高初始加工硬化率、良好烘烤硬化性能及较高的抗疲劳性能,因而满足了汽车多种部件的应用条件。尤其是其所具有的高强度可使汽车质量减轻,从而兼顾了汽车的安全性与节能性[1-5]。目前,国内外学者针对双相钢组织与性能的研究以及工艺优化进行了大量的工作,并卓有成效[6-10]。然而,关于C-Si-Mn-Cr系双相钢的冷轧工艺的研究鲜有报道[11,12]。

[size=1em]以C-Si-Mn-Cr实验钢为研究对象,分析了快冷温度和卷曲温度对热轧DP钢的组织结构和力学性能的影响。研究结果可以为C-Si-Mn-Cr系DP钢的生产和研发提供参考。

2 实验材料及方法

[size=1em]实验材料为C-Si-Mn-Cr系双相钢,其化学成分如表1所示。实验用材料在25 kg真空感应加热炉中冶炼,将其锻造成80 mm×80 mm×100 mm的钢锭,而后在加热炉中加热至1 200℃保温2小时,然后取出放置热轧机上进行控制轧制工艺。开轧温度为1 150℃,终轧温度为820℃。终轧结束后分别空冷至730℃和770℃,并在170℃和250℃下分别进行模拟卷曲。具体工艺见表2,4种工艺分别编号为1#~4#。

[size=0.8em]表1 实验钢化学成分%
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[size=0.8em]表2 实验钢轧制工艺
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3 结果与分析3.1 力学性能分析

[size=1em]实验钢经过轧制后的力学性能如表3所示。可以看出,1#~4#工艺得到的实验钢抗拉强度均在600 MPa以上,延伸率均大于20%,强度和延伸率均满足要求,但是在250℃卷取的双相钢屈强比分别为0.81和0.8,屈强比较大。

[size=0.8em]表3 实验钢的力学性能
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[size=1em]4种工艺下的实验钢拉伸曲线如图1所示。从图中可以看出,卷取温度250℃的双相钢出现了明显的屈服平台,而170℃卷取的双相钢则没有出现屈服平台。这是由于当加热温度逐渐升高时,马氏体就开始分解,ε-碳化物将会从过饱和的α固溶体中弥散析出。随着保温时间的延长,ε-碳化物可从较远处获得碳原子,促使ε-碳化物进一步长大,所以低碳αs相逐渐增多,高碳α相逐渐减少,最终不存在两种不同碳浓度的α相。当温度为250℃时,碳原子活动能力增强,可以进行较长距离的扩散,马氏体的碳浓度连续不断地下降,马氏体发生连续式分解。卷曲温度为250℃的试样在拉伸时过程中,由于基体生成了较多的ε-碳化物,使试样不能同时发生塑性流变,使拉伸曲线出现了屈服平台;而在170℃回火时,含碳量低于0.2%的板条马氏体在100~200℃之间加热时没有ε-碳化物析出,所以该工艺下的试样拉伸时依然呈连续屈服特性。

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[size=0.8em]图1 实验钢的应力-应变曲线

3.2 组织结构分析

[size=1em]1#试样终轧后空冷至730℃,然后水冷至250℃卷取,实验钢组织如图2所示,图2a和2b为实验钢的金相组织,从图中可以实验钢的铁素体为多边形铁素体,有少数的多边形铁素体较大。图2c和2d为实验钢的彩色金相组织,从图中可以知道,实验钢的第二个相是马氏体组织,马氏体大小不均匀,形态各异,大部分马氏体呈长条形,还有一些呈多边形,均匀地分布在铁素体晶界上。1#试样的TEM照片如图3所示,从图3a中可以看到铁素体晶界处的高密度位错,从图3b中可以看到板条马氏体组织。

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[size=0.8em]图2 730℃快冷,250℃卷取后实验s钢的显微组织

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[size=0.8em]图3 730℃快冷,250℃卷取后的TEM组织

[size=1em]2#试样终轧后空冷至770℃,然后水冷至250℃卷取,实验钢组织如图4所示,从图4a和4b的金相组织中可以看出铁素体为多边形铁素体,大小不均匀,有少数的多边形铁素体较大。实验钢彩色金相组织如图4c和4d所示,从图中可以知道,实验钢的第二相是马氏体组织,均匀地分布在铁素体晶界上。

[size=1em]3#试样终轧后空冷至730℃,然后水冷至170℃卷取,实验钢组织如图5所示,从图5a和5b的金相组织中可以看出铁素体为多边形铁素体,大小均匀。实验钢彩色金相组织如图5c和5d所示,从图中可以看出,实验钢的第二相是马氏体组织,均匀地分布在铁素体晶界上,有些块状马氏体较大。

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[size=0.8em]图4 770℃快冷,250℃卷取后的显微组织

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[size=0.8em]图5 730℃快冷,170℃卷取后的显微组织

[size=1em]4#试样终轧后空冷至770℃,然后水冷至170℃卷取,实验钢组织如图6所示。从图中可以实验钢的铁素体为均匀的多边形铁素体。图6c和6d为实验钢的彩色金相组织,从图中可以知道,实验钢的第二相是马氏体组织,马氏体大小不均匀,形态各异,有些块状的马氏体较大。

[size=1em]4#试样的TEM组织如图7所示,从图7a中可以看到铁素体晶界处的高密度位错,图7b中可以看到实验钢中有孪晶马氏体存在,在图7c中可以看到大量的板条马氏体,在同一块钢中同时出现了孪晶马氏体和板条马氏体,这说明碳元素的扩散不均匀,高碳区的奥氏体生成了孪晶马氏体,而在低碳区,奥氏体生成了板条马氏体。

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[size=0.8em]图6 770℃快冷,170℃卷取后的显微组织

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[size=0.8em]图7 770℃快冷,170℃卷取后的TEM组织

3.3 快冷温度对实验钢组织结构和力学性能的影响

[size=1em]对终轧后730℃开始水冷和770℃开始水冷两种工艺进行对比,发现730℃开始水冷的实验钢铁素体比例占82.5%,铁素体晶粒尺寸为5.82 μm,而770℃开始水冷的实验钢铁素体比例占83.7%,铁素体晶粒尺寸为6.46 μm。可以看出,快冷温度的降低,有利于铁素体的生成和长大,但是区别不是太明显。两种工艺对实验钢性能的影响如图8所示,可以看出770℃开始水冷的实验钢抗拉强度约高20 MPa,延伸率却略低。由此可以看出合适的快冷温度使组织避开珠光体和贝氏体区,有利于得到铁素体马氏体双相组织,提高快冷温度使铁素体体积分数降低,铁素体晶粒尺寸减小,可以提高抗拉强度,但会使延伸率略有下降。

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[size=0.8em]图8 快冷温度对实验钢力学性能的影响

3.4 卷曲温度对实验钢组织结构和力学性能的影响

[size=1em]合适的卷取温度可以得到有利于得到性能优异的铁素体马氏体双相钢组织,对本实验中170℃和250℃两种卷取温度进行比较,两种卷取温度下都得到组织均为了铁素体和马氏体。卷取温度对实验钢力学性能的影响如图9所示,可以看出,170℃卷取的双相钢抗拉强度较250℃卷取的双相钢略高,但是屈强比却低很多,这是由于本实验中,实验钢先冷却到了90℃,然后放到设定温度的卷取炉中,相当于实验钢回火,而250℃回火时使得实验钢中的马氏体发生分解,碳扩散加强,碳原子钉扎位错,拉伸曲线出现平台,最终使得实验钢的屈强比升高。所以对于本实验钢来说,合适的卷取温度应该低于250℃。具体温度可采用先进的高温激光共聚焦显微镜,进行高温下金属材料组织结构变化的实时、原位及高清晰观察与分析获得,本课题组将持续进行相关研究。

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[size=0.8em]图9 卷取温度对实验钢力学性能的影响

4 结束语

[size=1em]本文对试验钢进行了控轧控冷实验研究,认为在合适的工艺条件下该实验钢可以得到性能优异的铁素体马氏体双相钢,主要结论如下:

[size=1em]a.实验钢最佳的冷却工艺为:终轧后空冷到730℃,而后水冷至250℃进行卷取。该工艺下,实验钢的力学性能为:抗拉强度650 MPa,延伸率24.6%,屈强比为0.8。

[size=1em]b.卷曲温度为250℃时,由于基体生成了较多的ε-碳化物,使试样不能同时发生塑性流变,使拉伸曲线出现了屈服平台;而卷曲温度为170℃时,没有ε-碳化物析出,拉伸曲线依然呈连续屈服特性。



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