不同冷卻工藝對雙相鋼組織結構和力學性能的影響

 浙江至德鋼業有限公司運用金相、透射、拉伸測量等測試手段分析了快冷溫度和卷曲溫度對C-Si-Mn-Cr系熱軋雙相鋼的組織結構和力學性能的影響。結果表明，實驗鋼最佳冷卻工藝為終軋后空冷到730℃，然后水冷至250℃卷取。該工藝下，可以得到抗拉強度為650MPa，延伸率為24.6%，屈強比為0.8的鐵素體+馬氏體熱軋雙相鋼。

雙相鋼組織由鐵素體（F）和馬氏體（M）構成，其具有良好強塑性、低屈強比、高初始加工硬化率、良好烘烤硬化性能及較高的抗疲勞性能，因而滿足了汽車多種部件的應用條件。尤其是其所具有的高強度可使汽車質量減輕，從而兼顧了汽車的安全性與節能性。

目前，國內外學者針對雙相鋼組織與性能的研究以及工藝優化進行了大量的工作，并卓有成效。然而，關于C-Si-Mn-Cr系雙相鋼的冷軋工藝的研究鮮有報道。以C-Si-Mn-Cr實驗鋼為研究對象，分析了快冷溫度和卷曲溫度對熱軋DP鋼的組織結構和力學性能的影響。研究結果可以為C-Si-Mn-Cr系DP鋼的生產和研發提供參考。

一、實驗材料及方法

 實驗材料為C-Si-Mn-Cr系雙相鋼，其化學成分如表所示。實驗用材料在25 kg真空感應加熱爐中冶煉，將其鍛造成80 mm×80 mm×100 mm的鋼錠，而后在加熱爐中加熱至1200℃保溫2小時，然后取出放置熱軋機上進行控制軋制工藝。開軋溫度為1150℃，終軋溫度為820℃。終軋結束后分別空冷至730℃和770℃，并在170℃和250℃下分別進行模擬卷曲。具體工藝見表，4種工藝分別編號為1#～4#。

二、結果與分析

 1. 力學性能分析

 實驗鋼經過軋制后的力學性能如表所示?？梢钥闯?，1#～4#工藝得到的實驗鋼抗拉強度均在600 MPa以上，延伸率均大于20%，強度和延伸率均滿足要求，但是在250℃卷取的雙相鋼屈強比分別為0.81和0.8，屈強比較大。

 4種工藝下的實驗鋼拉伸曲線如圖所示。從圖中可以看出，卷取溫度250℃的雙相鋼出現了明顯的屈服平臺，而170℃卷取的雙相鋼則沒有出現屈服平臺。這是由于當加熱溫度逐漸升高時，馬氏體就開始分解，ε-碳化物將會從過飽和的α固溶體中彌散析出。隨著保溫時間的延長，ε-碳化物可從較遠處獲得碳原子，促使ε-碳化物進一步長大，所以低碳αs相逐漸增多，高碳α相逐漸減少，最終不存在兩種不同碳濃度的α相。當溫度為250℃時，碳原子活動能力增強，可以進行較長距離的擴散，馬氏體的碳濃度連續不斷地下降，馬氏體發生連續式分解。卷曲溫度為250℃的試樣在拉伸時過程中，由于基體生成了較多的ε-碳化物，使試樣不能同時發生塑性流變，使拉伸曲線出現了屈服平臺；而在170℃回火時，含碳量低于0.2%的板條馬氏體在100~200℃之間加熱時沒有ε-碳化物析出，所以該工藝下的試樣拉伸時依然呈連續屈服特性。

 2. 組織結構分析

 1#試樣終軋后空冷至730℃，然后水冷至250℃卷取，實驗鋼組織如圖所示，圖為實驗鋼的金相組織，從圖中可以實驗鋼的鐵素體為多邊形鐵素體，有少數的多邊形鐵素體較大。圖為實驗鋼的彩色金相組織，從圖中可以知道，實驗鋼的第二個相是馬氏體組織，馬氏體大小不均勻，形態各異，大部分馬氏體呈長條形，還有一些呈多邊形，均勻地分布在鐵素體晶界上。1#試樣的TEM照片如圖3所示，從圖3a中可以看到鐵素體晶界處的高密度位錯，從圖中可以看到板條馬氏體組織。

 2#試樣終軋后空冷至770℃，然后水冷至250℃卷取，實驗鋼組織如圖所示，從圖的金相組織中可以看出鐵素體為多邊形鐵素體，大小不均勻，有少數的多邊形鐵素體較大。實驗鋼彩色金相組織如圖所示，從圖中可以知道，實驗鋼的第二相是馬氏體組織，均勻地分布在鐵素體晶界上。

 3#試樣終軋后空冷至730℃，然后水冷至170℃卷取，實驗鋼組織如圖所示，從圖的金相組織中可以看出鐵素體為多邊形鐵素體，大小均勻。實驗鋼彩色金相組織如圖所示，從圖中可以看出，實驗鋼的第二相是馬氏體組織，均勻地分布在鐵素體晶界上，有些塊狀馬氏體較大。

 4#試樣終軋后空冷至770℃，然后水冷至170℃卷取，實驗鋼組織如圖所示。從圖中可以實驗鋼的鐵素體為均勻的多邊形鐵素體。圖為實驗鋼的彩色金相組織，從圖中可以知道，實驗鋼的第二相是馬氏體組織，馬氏體大小不均勻，形態各異，有些塊狀的馬氏體較大。

 4#試樣的TEM組織如圖所示，從圖中可以看到鐵素體晶界處的高密度位錯，圖中可以看到實驗鋼中有孿晶馬氏體存在，在圖7c中可以看到大量的板條馬氏體，在同一塊鋼中同時出現了孿晶馬氏體和板條馬氏體，這說明碳元素的擴散不均勻，高碳區的奧氏體生成了孿晶馬氏體，而在低碳區，奧氏體生成了板條馬氏體。

 3. 快冷溫度對實驗鋼組織結構和力學性能的影響

  對終軋后730℃開始水冷和770℃開始水冷兩種工藝進行對比，發現730℃開始水冷的實驗鋼鐵素體比例占82.5%，鐵素體晶粒尺寸為5.82μm，而770℃開始水冷的實驗鋼鐵素體比例占83.7%，鐵素體晶粒尺寸為6.46μm?？梢钥闯?，快冷溫度的降低，有利于鐵素體的生成和長大，但是區別不是太明顯。兩種工藝對實驗鋼性能的影響如圖8所示，可以看出770℃開始水冷的實驗鋼抗拉強度約高20 MPa，延伸率卻略低。由此可以看出合適的快冷溫度使組織避開珠光體和貝氏體區，有利于得到鐵素體馬氏體雙相組織，提高快冷溫度使鐵素體體積分數降低，鐵素體晶粒尺寸減小，可以提高抗拉強度，但會使延伸率略有下降。

 4. 卷曲溫度對實驗鋼組織結構和力學性能的影響

 合適的卷取溫度可以得到有利于得到性能優異的鐵素體馬氏體雙相鋼組織，對本實驗中170℃和250℃兩種卷取溫度進行比較，兩種卷取溫度下都得到組織均為了鐵素體和馬氏體。卷取溫度對實驗鋼力學性能的影響如圖9所示，可以看出，170℃卷取的雙相鋼抗拉強度較250℃卷取的雙相鋼略高，但是屈強比卻低很多，這是由于本實驗中，實驗鋼先冷卻到了90℃，然后放到設定溫度的卷取爐中，相當于實驗鋼回火，而250℃回火時使得實驗鋼中的馬氏體發生分解，碳擴散加強，碳原子釘扎位錯，拉伸曲線出現平臺，最終使得實驗鋼的屈強比升高。所以對于本實驗鋼來說，合適的卷取溫度應該低于250℃。具體溫度可采用先進的高溫激光共聚焦顯微鏡，進行高溫下金屬材料組織結構變化的實時、原位及高清晰觀察與分析獲得，本課題組將持續進行相關研究。

三、結束語

 浙江至德鋼業有限公司對試驗鋼進行了控軋控冷實驗研究，認為在合適的工藝條件下該實驗鋼可以得到性能優異的鐵素體馬氏體雙相鋼，主要結論如下：

 1. 實驗鋼最佳的冷卻工藝為：終軋后空冷到730℃，而后水冷至250℃進行卷取。該工藝下，實驗鋼的力學性能為：抗拉強度650 MPa，延伸率24.6%，屈強比為0.8。

 2.卷曲溫度為250℃時，由于基體生成了較多的ε-碳化物，使試樣不能同時發生塑性流變，使拉伸曲線出現了屈服平臺；而卷曲溫度為170℃時，沒有ε-碳化物析出，拉伸曲線依然呈連續屈服特性。