浙江宏盛特钢有限公司实验室成功试制碳、硅、锰、铬、铌系和碳、硅、锰、铌系超高强双相钢,利用热膨胀仪研究了铬对超高强双相钢相变规律的影响,利用光学显微镜、以及拉伸试验对双相钢的微观组织和力学性能进行检测。实验结果表明:铬使实验用钢的CCT曲线整体右移,抑制铁素体和珠光体的生成,对铁素体开始转变温度影响不大,升高铁素体的终止转变温度,降低贝氏体转变温度,提高奥氏体的淬透性,在相同的冷速条件下,铬的加入更容易得到铁素体+马氏体的双相组织;合金元素铬显著改善双相钢的显微组织,细化晶粒,双相钢的屈服强度从510MPa升高到535MPa,抗拉强度从1080MPa升高到1145MPa,抗拉强度的增幅高于屈服强度,在抗拉强度提高的同时,伸长率升高。

  由于人们对环境、能源、安全的要求越来越高,钢铁行业又面临着铝、镁等材料的激烈竞争,因此,开发和使用高强度和超高强度钢板越来越引起人们广泛的重视。在计划中,先进高强钢是未来轿车车身制造的主要材料。先进高强钢主要包括双相钢、复相钢和马氏体钢等。先进高强钢的强度和塑性配合优于普通高强钢,特别是加工硬化指数高,有利于冲撞过程中的能量吸收,这对减重的同时保证安全性十分有利,也使得高强度钢具有更高的疲劳寿命。其中双相钢具有屈服点低,初始加工硬化速率高、较高的碰撞能量吸收能力以及强度和延性匹配好等优点,已成为一种强度高、冲压成型性能好的新型冲压用钢。

  为了保证双相钢的焊接性能和成形性,超高强度双相钢在成分设计上不宜过分提高钢中的碳、锰含量。硅在双相钢中是一种特别有效的添加元素,它不仅可以提高铁素体基体的连续性,避免马氏体相互联接,防止马氏体区域出现裂纹,而且能提高铁素体中碳的活度,使其具有更好的韧性。本文从综合力学性能和生产工艺考虑,在低碳当量的条件下,通过合理成分设计和工艺优化来获得高强度级别的双相钢,重点讨论了合金元素铬对高强度冷轧双相钢相变规律以及组织性能的影响规律,为工业生产高强度双相钢提供理论依据和参考。

一、实验方法

  实验用钢的化学成分如表所示。在实验室采用50kg真空炉冶炼,浇铸成锭,将铸锭锻造成35mm×100mm×100mm的锻坯,锻坯在1200℃保温1h后,经六道次轧制成厚度规格为3×5mm的热轧钢板,终轧温度为880℃,卷取温度为620℃。热轧板经酸洗后,冷轧成1.0mm的冷轧板,冷轧压下率为70%左右。

  从锻坯上直接切4mm×10mm的试样,利用热膨胀仪测定CCT曲线,试样以10℃/s的速度加热到950℃,保温300秒,完全奥氏体化,分别以1、5、10、15℃/s等不同的冷速冷至室温,根据膨胀量和温度的关系找出拐点,试样经预磨,抛光后用4%的硝酸酒精侵蚀,观察不同冷速下试样的金相组织,绘制CCT曲线,分析不同冷速对实验用钢连续冷却对相变规律的影响。

  在实验室利用两个井式盐浴炉模拟连续退火,热处理工艺如图所示。两相区保温温度830℃,保温60秒,缓慢冷却后,以一定的冷速快冷至240℃进行过时效,过时效时间240秒,空冷至室温。将热处理后的钢板线切割成标准拉伸试样,标距为50mm,试样在北京科技大学力学试验中心CMT4105型拉伸机上进行拉伸实验,测定材料的力学性能;在热处理后的钢板上切金相样,经过机械打磨、预磨后,电解抛光制备成金相观察试样,经4%的酸酒精侵蚀后,在扫描电子显微镜(SEM)观察试样的显微结构,利用软件计算出实验用钢的马氏体百分含量。

二、结果与讨论

  1. 铬对双相钢相变规律的影响

   两种实验用钢的CCT曲线如图所示，1号实验用钢在<10℃/s冷速时,发生铁素体和珠光体转变,随着冷速的升高,铁素体转变温度稍有下降,相变范围较窄,在1~35℃/s发生贝氏体转变,贝氏体的转变温度范围在586~433℃之间,当冷速>5℃/s时,贝氏体开始转变温度升高,这是因为在较低的冷速时,发生铁素体和珠光体转变,使奥氏体中的合金元素和碳含量降低,贝氏体的转变温度降低。从10℃/s开始有马氏体生成,马氏体的开始转变温度为389℃,随着冷速的提高,马氏体转变开始温度(Ms)略有升高,当完全避开贝氏体区时,Ms点基本上趋于不变;2号实验用钢在冷速为1~5℃/s时,发生铁素体和珠光体转变,珠光体转变区域较1号试样非常小,基本上可以忽略,在1~25℃/s发生贝氏体相变,贝氏体转变温度在540~375℃之间,当冷速大于5℃/s时,贝氏体转变温度升高,同时伴随着马氏体相变,Ms点为370℃;添加0.4%~0.6%的Cr使CCT曲线整体向右移动,抑制珠光体和铁素体生成,其显微组织如图，降低贝氏体转变温度,降低马氏体的转变开始温度,减小了生成马氏体的临界冷速。从图看出,相同的冷速,含铬试样的组织较不含铬的组织更加细小。

  2. 铬对实验用钢显微组织和力学性能的影响

   实验用钢的显微组织如图所示,在相同的热处理工艺下,试样均得到铁素体+马氏体组织(白色为马氏体,黑色为铁素体),1号实验钢的马氏体呈不规则的块状,不均匀分布在铁素体基体上,另外图中还有一些具有亮白光圈,心部为不规则的黑色组织,这可能是由于锰通过铁素体或沿铁素体晶界扩散时,在奥氏体岛的周围形成了高锰的边圈，使得奥氏体岛的边部比中心有更高的淬透性,从而在冷却过程中形成了高锰的马氏体边圈及中心部分形成的渗碳体加铁素体的聚合体。2号实验钢中的马氏体颗粒较小,呈岛状或链状均匀分布在铁素体基体上。由于2号实验钢中含有铬,铬和碳有较强的亲和力，显著减慢了碳在奥氏体中的扩散速度,使奥氏体的形成速度大大减慢,在两相区保温时铬阻碍奥氏体晶粒长大,在相同的冷却条件下,得到的马氏体晶粒较细小,同时铬有效的提高了奥氏体的淬透性,钢中高锰的马氏体边圈及中心部分形成的渗碳体加铁素体的聚合体明显减少。

   经过相同的热处理工艺,试样的应力、应变曲线见图6,两种实验用钢的拉伸曲线均呈现连续屈服的特征,力学性能如表所示，从表可以看出,含铬实验钢的屈服强度由510MPa升高到535MPa,升高了25MPa,抗拉强度从1080MPa升高到1145MPa,升高了65MPa,屈强比由0～53降低到0～47,伸长率和n值升高,实验钢的综合力学性能得到改善。利用计算出马氏体的含量,1号实验钢为59%，2号实验钢43%,马氏体含量降低,铬一部分溶入铁素体,提高了铁素体的强度极限和屈服极限,从而使实验用钢的抗拉强度的提高,综合性能得到改善。

三、结论

   1. 铬使实验用钢的CCT曲线整体右移,抑制铁素体和珠光体的生成,对铁素体开始转变温度影响不大,升高铁素体的终止转变温度,降低贝氏体开始和终了转变温度,贝氏体转变的冷速由1~35℃/s缩小到1~25℃/s,提高奥氏体的淬透性,马氏体的临界冷速由10℃/s降低到5℃/s,在相同的冷速条件下,铬的加入更容易得到铁素体+马氏体的双相组织。

  2. 合金元素铬显著改善双相钢的显微组织,马氏体呈岛状或链状分布,细化晶粒,双相钢的屈服强度从510MPa升高到535MPa,抗拉强度从1080MPa升高到1145MPa,伸长率由10%升高到13%。