冷轧压下率对TRIP型退火板条贝氏体钢性能影响

zhd1998cn

1 前言
    在超高强度钢中，基体为退火马氏体的TRIP型退火马氏体钢（TAM钢；TRIP-aided Annealed Martensitic Steel）具有良好的延伸性和拉伸凸缘性，将会成为新一代汽车用高强度钢板。TAM钢的大伸长率来源于退火马氏体组织和大量高稳定性微细残余奥氏体（γR）产生的TRIP效应。TAM钢具有良好的拉伸凸缘性的原因是，钢的基体组织是退火板条状组织，并且第二相强度与基体强度比（第二相强度/基体强度）很小以及第二相微细均匀分布。这种组织可以抑制冲压加工时钢中空洞的产生。换言之，为同时提高TRIP钢的伸长率和拉伸凸缘性，关键是使基体组织成为板条状，并且降低板条组织中的位错密度。在钢的制造过程中如何对钢的组织进行控制是十分重要的。
    制造TAM冷轧钢板时，对单相马氏体钢冷轧后，进行两相区退火，会促进板条组织的回复和新组织的成长，钢的组织容易变成粒状组织，所以很难存留退火板条组织。一些研究人员对残留退火马氏体组织冷轧钢板的冷轧前组织进行了研究，得出的结论是，当铁素体基体为60%（体积）、马氏体第二相为40%（体积），给予20%的冷轧变形时，塑性应变集中在铁素体基体，退火马氏体组织得以保留，从而获得良好的成形性。因此可以预计，如果使冷轧前钢的组织为单相马氏体，并且冷轧退火后能够保留退火马氏体组织，那么将会获得更好的成形性。
    本研究的目的是开发出以退火板条组织为基体的TRIP型冷轧钢板。0.2%C-1.5%Si-1.5%Mn钢的冷轧前组织为单相马氏体，由于硬度过高，在冷轧时常常会产生裂纹。因此，在本研究中，将冷轧前组织做成比较软的贝氏体单相组织（确切地说是贝茵铁素体和γR的混合组织），在室温下冷轧，然后进行两相区退火和等温淬火，制造出TRIP型退火贝氏体钢（TAB钢）。并且，为尽可能地获得稳定的γR，在钢中添加了Al，最大Al含量为1.0%（质量）。本文研究了冷轧压下率对TAB钢的微观组织、γR特性、拉伸特性、拉伸凸缘性的影响。
    2 实验方法
    2.1 实验用钢和热处理
    实验用钢的化学成分见表1。A钢是成分为0.2C-1.5Si-1.5Mn的基本钢， B钢和C钢是添加0.5%和1.0% Al的钢，但Si和Al总量一定，都是1.5%。
    参照热力学－微积分方法计算出的实验用钢平衡状态图，按下述的（a）、（b）、（c）顺序进行热处理，制造TAB钢。
   
                     表1   实验用钢的化学成分                   %
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    钢       C      Si      Mn       P        S       Al        N
    ———————————————————————————————
     A    0.20    1.50    1.50    0.015    0.002   0.039    0.0010
     B    0.21    1.00    1.50    0.014    0.002    0.49    0.0006
     C    0.21    0.48    1.50    0.014    0.002    0.99    0.0005
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    （a）真空冶炼制成30mm厚的钢坯，将钢坯加热到1200℃，热轧3道次，厚度变为3.2mm，终轧温度大于850℃，在550℃卷取，并进行空冷。将3.2mm的热轧板研磨至3.0mm和1.8mm，然后分别冷轧到2.0mm和1.2mm（冷轧压下率为40%）。
    （b）为使冷轧前组织是贝氏体，对上述冷轧材在950℃~1000℃进行1200s的等温淬火，之后在盐浴炉内进行400℃、1000s贝氏体转变处理。然后在室温下对2.0mm轧材进行压下率R=20%~60%的冷轧，冷轧后的板厚为0.8mm~1.6mm。对1.2mm轧材不再进行冷轧（R= 0%），板厚仍为1.2mm。
    （c）对冷轧板进行T2=820 ℃、1200s的退火处理，然后再进行TA=460℃、tA=200s的等温淬火处理。460℃相当于热镀锌的温度。
    2.2 组织观察和γR特性评价
    用5%硝酸乙醇腐蚀液腐蚀热处理后的钢组织。由于硝酸乙醇腐蚀法难于区分γR和马氏体，所以根据Mo-Kα射线测定的（200）α、（221）α、（200）γ、（220）γ、（311）γ衍射峰值的积分强度来计算γR体积百分数（fγ）。此外，根据Cu-Kα射线测定的（200）γ、（220）γ、（311）γ衍射峰值角度求出晶格常数aγ（×10-1nm），将aγ代入下式求出γR的C含量（Cγ%质量）。
    aγ=3.5780+0.0330Cγ+0.00095Mnγ+0.0Siγ+0.0056Alγ+0.0220Nγ                                    （1）
    Mnγ、Siγ、Alγ、Nγ分别为这些元素在γR的固溶量，在本研究中为简便，用这些元素在钢中的含量代替在γR中的固溶量。
    2.3 拉伸实验和扩孔实验
    拉伸实验采用JIS 13B试样（标距长度50mm×宽度12.5mm×厚度1.2mm），实验机是AG-10TD万能实验机。用SG50-50差动转换式引伸计测量位移。十字头速度恒定，为1mm/min（应变速度3.33×10-4/s），实验温度是25℃。为获得正确的变形初期应力－应变曲线，在试样平行部贴敷应变计（KFG-10-120-C1-11）。
    用平顶冲头扩孔实验得到的扩孔率（λ）来评价拉伸凸缘性。
    λ=（df-d0）/d0×100%  （2）
    d0、df分别是实验前的孔径和产生裂纹时的孔径。
    扩孔实验试样是边长为50mm的正方形试样，并事先冲出初始直径d0=4.76mm的冲孔。冲孔温度为25℃，冲孔速度是10mm/min。冲孔间隙是10%。由于本研究中冷轧后的板厚发生变化，所以冲孔间隙范围是7.5%～15%。用直径17.4mm，曲率半径3mm的平顶圆筒冲头进行扩孔实验。实验温度25℃，实验速度是1mm/min。在试样上涂敷石墨系润滑剂。
    3 实验结果
    3.1 实验钢的组织和γR的特性
    观察A钢和C钢经R=0%～60%冷轧并进行820℃退火、460℃、1000s等温淬火处理后的微观组织，可以看到冷轧压下率为R=20%～30%的A钢中存留少量的贝茵铁素体，随着冷轧压下率的增加，钢中板条组织的比例下降。冷轧压下率进一步增加（R=40%～60%的范围），贝茵铁素体消失并可观察到微细的粒状组织出现。这时，γR也从针状变为块状。当R=60%时，第二相组织粗大化。
    冷轧压下率为R=0%～40%的C钢中存留较多的板条组织，当R=50%、60%时，存留一部分退火板条组织。此外，C钢的第二相组织比A钢细化，但R=60%时，和A钢同样，C钢的第二相组织也粗大化。
    B钢的组织变化处于A钢和C钢之间，但和A钢一样，就是当R≥40%时，板条组织消失。在各个钢中都未观察到渗碳体。此外，第二相体积百分数大于γR体积百分数，可以认为这两个体积百分数的差就是等温淬火后冷却过程中生成的马氏体的体积百分数。
    观察R=40%冷轧并经退火和等温淬火后C钢的TEM图像。从TEM图像中可以看到在清晰的退火贝茵铁素体板条边界上存在着针状γR。由此可知，与贝茵铁素体板条组织共存的粒状组织是具有高位错密度的回复组织。
    图1 表示出冷轧压下率（R）对A、B、C钢γR的初始体积率（fγ0）和初始C含量（Cγ0）的影响。当R=30%时，A钢和B钢的γR的初始体积率最小，在R=40%～60%范围内初始体积率增加。与此不同，C钢在R≥30%的范围内，其γR的初始体积率基本上是一个定值。C钢的Cγ0与冷轧压下率的关系和 fγ0与冷轧压下率的关系具有同样的趋势。但Cγ0最小值的冷轧压下率是R=40%。此外，可以看出，C钢的γR中的C含量较高。
    3.2 拉伸特性
    改变冷轧压下率时，各实验钢A、B和C的抗拉强度都随冷轧压下率的增加而增加，但增加量较小。屈服强度随冷轧压下率的增加而降低，因此，屈强比随冷轧压下率的增加而降低。
    关于Al含量的影响，抗拉强度随Al含量的增加（Si含量降低）而降低，但屈服强度增加。因此，Al含量越高，屈强比越大。与A钢相比，C钢屈服强度受冷轧压下率的影响较小。这是由于两种钢的屈服机制存在着差别。
    A钢、B钢、C钢的均匀伸长率（UEl）、总伸长率（TEl）、强塑积（TS×TEl）随冷轧压下率的增加而减少，但R≥20%时，减少的比例很小，其值基本上不变。此外，Al含量越高，这些特性值越大。   
    3.3 拉伸凸缘性
    当冷轧压下率R=20%时，扩孔率（λ）和强度拉伸凸缘性的综合性能（TS×λ）达到最小，而后开始增加，但在R=60%时，再次降低。在R≥20%的情况下，A钢和C钢的（TS×λ）基本相等，B钢的值较低。
    通过观察扩孔剪切断口的冲孔表层的SEM照片。A钢中，在第二相/基体的界面上产生了很多的孔洞，但C钢则抑制了孔洞的发生。
    4 分析
    4.1 钢的组织变化机理
    本研究中A钢和B钢的冷轧前组织是单一贝氏体组织，经R=20%～40%的冷轧、两相区退火和等温淬火后，基体的贝茵铁素体组织大部分转变为粒状贝氏体组织。C钢经同样的处理后，可以观察到有大量明显的板条组织。
    一般来说，板条马氏体组织钢在两相区退火时，会发生两个过程：1）板条组织的回复和新组织的长大，2）板条界面生成γ核心。在下面的三组成分系列中，（Ⅱ）和（Ⅲ）组促进了2）的进行，所以保持了退火板条组织。
    （Ⅰ）Fe-C、Fe-C-Mo、Fe-C-Cr
    （Ⅱ）Fe-C-Mn、Fe-C-Ni、Fe-C-Cu
    （Ⅲ）Fe-C-Si、Fe-C-Al、Fe-C-Co
    在冷轧中钢产生冷轧应变，在随后的两相区退火时，应变能作为驱动力促进了板条马氏体的组织变化。在本研究中，当冷轧应变增加时，退火板条组织体积百分数减少，由此可以认为，冷轧应变进一步促进了1）的板条组织回复和新组织长大过程。根据组织观察结果，可以认为，在R=0%～30%时，1）和2）两个过程相平衡。当R=50%～60%时，过程1）占优势。
    C钢与A钢、B钢相比，冷轧导致退火板条组织减少的程度很小，即使在冷轧压下率为40%时，仍存留很多的退火板条组织。在本研究中，Si+Al的总量是定值，因此，上述结果说明，对于退火板条组织的存留，Al的作用大于Si。
    在图1（a）中，各个实验钢的γR体积百分数在R=30%时都达到最小值。R≥30%时，γR体积百分数反而增加（只有C钢在R=40%～60%范围内γR体积百分数基本不变）。γR的C含量最小时的冷轧压下率变为R=40%，但γR的C含量与冷轧压下率的关系和γR体积百分数与冷轧压下率的关系是一样的（图1（b））。在R=0%～30%范围内，A钢和B钢的基体组织中有少量的退火贝氏体板条组织，但在R=50%～60%范围内，几乎全部是粒状组织。因此，随着冷轧压下率的增加，对应于退火贝氏体组织的曲线Ⅰ转移到对应于粒状组织的曲线Ⅱ是产生图1（a）和（b）曲线的原因。但是，对于为什么基体组织的变化使γR体积百分数和γR的C含量在R=30%～40%时达到最小值的问题，目前仍不明了。
    在图1（b）中，C钢的γR体积百分数比A钢、B钢小，但γR的C含量高。根据一些人的研究结果表明，钢中添加Al使T0温度向高C方向移动，使γR的C含量升高。因此，可以认为这就是添加1.0%Al的C钢γR的C含量高的原因。此外，C钢板条边界上有较多的针状γR，这也是γR的C含量高的一个原因。而C钢的γR体积百分数相对较低，则是其γR的C含量升高引起的。
    4.2冷轧压下率对变形强度的影响
    A钢和B钢的屈服强度随冷轧压下率的增加而显著减少，但C钢的屈服强度减少量很小。下面，从屈服行为的差异来说明这一现象。
    一般情况下，以退火马氏体为基体的TAM钢在变形初期，容易产生屈服平台。本研究的TAB钢也是一样，在未进行冷轧的状态下，各个钢也出现屈服平台。A钢和B钢在冷轧后虽然也产生屈服平台，但当R≥20%时，屈服平台变形应力显著降低。而C钢虽然在R≥50%时，同样出现屈服平台变形应力降低的现象，但在R=20%～40%范围内，出现屈服点，但没有变形应力降低的现象。因此可以知道，A钢和B钢出现的屈服应力显著下降与变形初期变形应力显著降低有关。
    冷轧后的A钢和B钢的组织大部分是针状组织中弥散有块状第二相，而第二相中存在着等温淬火冷却过程中产生的硬质马氏体。像双相钢那样，这种马氏体在相变时，使其周边的软质基体首先发生屈服，并产生圆周拉伸内应力。在拉伸变形初期，该拉伸内应力使拉伸变形应力下降，并产生连续屈服。因此，等温淬火冷却过程中产生的硬质马氏体是使A钢和B钢变形初期变形应力下降的原因。
    在变形初期阶段之后，包括马氏体在内的硬质第二相使基体与第二相变形强度差引发的长程内应力增大，因此产生了大的应变硬化，其结果是使抗拉强度变大。
    4.3冷轧压下率对伸长率的影响
    当R=20%时，本实验钢的均匀伸长率、总伸长率大幅度下降。当R≥20%时，基本不变或略有降低。C钢的伸长率最大。根据Sugimoto等人用与本研究相同化学成分的TAM钢进行研究的结果，在未冷轧情况下，1.0% Al钢的伸长率最大。Sugimoto等人在研究报告中指出，1.0% Al钢具有良好伸长率的原因是，微细均匀的板条组织和稳定的γR（高C含量γR）产生的显著的TRIP效应。本研究的TAB钢也获得了同样的组织和γR特性，所以，可以认为由于与Sugimoto等人的TAM钢同样的理由，C钢显示出大的均匀伸长率和总伸长率。
    按照这样的观点，冷轧导致伸长率下降的原因是，γR体积百分数和γR的C含量减少。在R=60%时，虽然A钢和B钢的γR体积百分数和γR的C含量增加，但与其他冷轧压下率的情况相比，总伸长率却降低了。当R=60%时，A钢和B钢的均匀伸长率与其他冷轧压下率的情况相比没有降低，所以，可以认为，当R=60%时，第二相粗大化使局部伸长降低，结果导致总伸长率的降低。
    4.4冷轧压下率对拉伸凸缘性的影响
    各个实验钢的拉伸凸缘性在R=20%时达到最小值，R＞20%时，拉伸凸缘性略有增加。冷轧压下率对拉伸凸缘性的影响和图1的冷轧压下率对γR体积百分数的影响情况类似。（TS×λ）和γR的特性值有着明显的正相关关系。拉伸凸缘性和冷轧压下率的关系可以做如下的解释。
    （1）当冷轧压下率R=20%时，①板条组织体积百分数减少，块状第二相增加，所以在冲孔表面层的基体/第二相界面上容易产生空洞；②γR体积百分数和γR的C含量下降促进了冲孔损伤并使扩孔时的TRIP效应变小，其结果是使拉伸凸缘性下降。
    （2）R≥40%时拉伸凸缘性增加的原因：①基体组织变成粒状组织，但组织非常细小，因此，抵消了板条组织体积百分数下降产生的负面影响；②γR体积百分数增加和γR稳定性增加。
    （3）R=60 %时拉伸凸缘性降低的主要原因是第2相组织的粗大化。
    研究指出，γR的尺寸效应对γR塑性应变稳定性的作用大于γR的C含量的作用。因此，对于上述的第⑵点，可解释为，虽然γR的C含量降低，但γR尺寸的减小抵消了γR的C含量降低产生的负面影响，结果是提高了γR塑性应变稳定性。
    C钢具有最佳的扩孔率和强度?拉伸凸缘性综合性能。根据上述分析，在基体组织内存留较多的退火板条组织和比较稳定的γR，减轻了冲孔时的表面损伤；以及在之后的扩孔时，存留量较多的γR发挥出有效的TRIP效应是C钢具有最佳综合性能的原因。
    5 结论
    本研究对冷轧压下率对加铝TRIP型退火贝氏体（TAB）冷轧钢板微观组织和成形性的影响进行了研究，并得出以下主要结论。
    （1） TAB钢的γR体积百分数和γR的C含量随冷轧压下率的增加而下降并在R=30%～50%时达到最小值，在R＞50%的范围内略有增加。随冷轧压下率的增加，退火贝氏体组织的体积百分数减少，粒状组织的体积百分数增加。
    （2）添加1.0%Al的TAB钢即使在大冷轧压下率的情况下也明显存留着退火贝氏体组织，冷轧压下率R=40%时，仍有较多的板条组织。该钢与不加Al的TAB基本钢相比，虽然γR体积百分数下降，但γR的C含量增加（γR稳定性增加）。
    （3） 冷轧压下率R=40%时，冷轧TAB钢具有最大的伸长率和拉伸凸缘性。特别是添加1.0%Al的TAB钢，具有最良好的综合性能。其原因是，添加Al使γR保持了较高的稳定性，以及退火板条组织的大量存在。