貝氏體對復相鋼機械性能的影響

胥思偉 王智文 孫壘

（北京汽車研究總院有限公司 輕量化技術(shù)部，北京101300）

1 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，先進高強度鋼已經(jīng)成為汽車制造工業(yè)中一種重要材料。一方面，先進高強度鋼的高強度和優(yōu)異的成形以及耐久性能提高了車輛的安全性；另一方面，先進高強度鋼所帶來的整車質(zhì)量的下降有利于降低傳統(tǒng)汽車的能源消耗和提高新能源汽車的續(xù)航里程[1-2]。雙相鋼（DP）和相變誘導塑性鋼（TRIP）作為發(fā)展較為成熟的先進高強度鋼已經(jīng)較廣泛地應用于結(jié)構(gòu)件和安全件。雙相鋼的微觀組織含有馬氏體和鐵素體，其中馬氏體是硬相而鐵素體是軟相，這使得雙相鋼具有高強度的同時也有很好的冷成形性能。此外，雙相鋼還有很好的加工硬化性能[3-4]。相變誘導塑性鋼主要包含鐵素體、貝氏體和少量殘余奧氏體。在塑性形變過程中，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體，鋼的加工硬化率也因此獲得額外提高。然而，在對含有剪切邊的鋼板進行成形加工時，邊緣經(jīng)常出現(xiàn)裂縫甚至斷裂。有研究指出，邊緣的斷裂是由于不同的微觀組織之間存在較大的性能差別[5]。復相鋼（CP）是在雙相鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的新的鋼種，主要含有鐵素體、貝氏體以及馬氏體。貝氏體是板條狀貝氏體鐵素體和碳化物的混合組織。貝氏體的引入縮小了不同微觀組織之間的性能差異，其強度高于鐵素體而低于馬氏體。與相同拉伸強度的雙相鋼相比，復相鋼的屈服強度更高，同時含有剪切邊的復相鋼鋼板具有更好的成形性能。貝氏體的體積分數(shù)以及形貌都會影響復相鋼的機械性能[6]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本試驗采用工業(yè)級的冷軋復相鋼CP800鋼板，鋼板厚度為1 mm，鋼板基體中各主要化學元素的質(zhì)量分數(shù)見表1。CP800的微觀組織結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 CP800的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

圖1 CP800微觀組織

利用背散射電子顯微鏡（EBSD）[7]表征得到初始狀態(tài)復相鋼CP800中鐵素體、貝氏體、馬氏體以及殘余奧氏體的體積分數(shù)分別為48.4%、40.3%、9.3%以及2%。初始狀態(tài)CP800的應力-應變曲線見圖2，對應的拉伸性能值見表2。

圖2 初始狀態(tài)下CP800的應力-應變曲線

表2 CP800機械性能

2.2 試驗設(shè)備和試驗方法

在此試驗中，利用3個不同溫度的恒溫鹽浴爐對試樣進行等溫熱處理，生成具有不同體積分數(shù)的復相組織試樣。由于貝氏體的體積分數(shù)以及貝氏體的形貌均會影響復相鋼的機械性能[8]，所以將試驗分為2個部分。

在第一部分試驗中，通過熱處理獲得含有體積分數(shù)不同而形貌相同貝氏體的復相組織。首先將試樣放入1號鹽浴爐加熱到900℃保溫180 s；隨后將試樣迅速轉(zhuǎn)移至640℃的2號鹽浴爐中保溫300 s；接下來在460℃的3號鹽浴爐中分別保溫0 s,5 s,30 s和60 s；最后在冷水中進行淬火。

第二部分試驗目的在于通過熱處理獲得含有相同體積分數(shù)而形貌不同的貝氏體的復相組織。將試樣1放入1號鹽浴爐加熱到900℃保溫180 s；隨后將試樣在640℃的2號鹽浴爐中保溫50 s；接下來在420℃的3號鹽浴爐保溫30 s；最后淬火。對于試樣2，放入900℃鹽浴爐保溫180 s；隨后將試樣迅速轉(zhuǎn)移至640℃的鹽浴爐保溫50 s；接下來在480℃的鹽浴爐中保溫30 s；最后淬火。

熱處理后的試樣經(jīng)機械打磨和拋光后，用3%的硝酸酒精侵蝕，使用光鏡觀察分析，利用軟件image J統(tǒng)計得出熱處理后的試樣中各微觀組織的體積分數(shù)。利用Zeiss場發(fā)射掃描電鏡（SEM）對貝氏體相進行觀察，獲得擁有更高分辨率的貝氏體的形貌圖像。

利用Zwick/Z100萬能拉伸試驗機在室溫23℃下進行標準拉伸實驗，初始應變速率為10-3s-1。試樣尺寸依據(jù)標準DIN EN ISO 6892通過水切獲得。每種熱處理條件需要準備3個試樣并進行重復試驗。通過所得到的應力-應變曲線可以得出屈服強度、拉伸強度、延伸率等其他拉伸性能。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 貝氏體體積分數(shù)對拉伸性能的影響

熱處理后所得到的試樣微觀組織如圖3所示。

圖3 雙相組織和復相組織的光學電子顯微鏡圖像（體積分數(shù)）

亮白色區(qū)域為鐵素體，黑色區(qū)域為貝氏體，深棕色區(qū)域為馬氏體。試樣的鐵素體體積分數(shù)相近（48%）而貝氏體和馬氏體體積分數(shù)發(fā)生相對變化。圖4為不同試樣的應力-應變曲線。

圖4 雙相組織和復相組織的工程應力-應變曲線

各試樣的拉伸性能值如表3所示。以上試樣中的貝氏體體積分數(shù)的變化是通過控制在460℃下的等溫時間而實現(xiàn)的，因此可以避免貝氏體由于相變溫度的改變而產(chǎn)生的形貌變化。

表3 貝氏體體積分數(shù)對拉伸性能的影響

如圖4所示，因為硬相和軟相的相互作用，雙相組織和復相組織都顯示出明顯的連續(xù)屈服行為[9]。如圖5所示，當貝氏體的體積分數(shù)從0%增加到27%，屈服強度由458 MPa下降至376 MPa，拉伸強度由887 MPa降低到751 MPa。同時，試樣的均勻延伸率和斷裂延伸率隨著貝氏體體積分數(shù)的增加分別增加了3.4%和6.5%。與復相組織相比，雙相組織的屈服強度和拉伸強度更高，因為雙相組織中馬氏體的體積分數(shù)更高，而馬氏體的強度高于貝氏體[10]。另一方面，在復相組織中，馬氏體被貝氏體部分取代，雙相組織的屈服強度和拉伸強度都有降低，但是均勻延伸率和斷裂延伸率能獲得顯著的提高。因為貝氏體的延展性優(yōu)于馬氏體。因此，提高貝氏體的體積分數(shù)能夠提高延伸率，同時強度只有較小的降低[9]。

除此之外，雙相組織和復相組織的應變硬化率（n-value）可以通過真實應力-應變曲線得到。如圖6所示，雙相組織具有更高的應變硬化率。隨著貝氏體體積分數(shù)的增加，復相組織的應變硬化率降低。在馬氏體相變過程中，由于內(nèi)應力的產(chǎn)生，大量的幾何必須位錯（Geometrically Necessary Dislocation,GND）產(chǎn)生在鐵素體晶粒中。因為馬氏體相變產(chǎn)生的內(nèi)應力多于貝氏體相變產(chǎn)生的內(nèi)應力，所以隨著馬氏體體積分數(shù)的增加，在鐵素體體積分數(shù)相近的復相組織中，在相鄰的鐵素體產(chǎn)生的內(nèi)應力提高，從而在鐵素體中產(chǎn)生更多的位錯，因此復相組織的應變強化性能得到了提高[10-11]。同時，與馬氏體相比，更少的位錯存在于貝氏體當中，這也降低了復相組織的應變強化性能。

圖5 貝氏體體積分數(shù)對強度和延伸率的影響

圖6 雙相組織和復相組織的應變硬化率

3.2 貝氏體形貌對拉伸性能的影響

除了貝氏體的體積分數(shù)，復相組織的機械性能也受到貝氏體形貌的影響。為了研究貝氏體形貌對復相組織拉伸性能的影響，將2個具有相似微觀組織體積分數(shù)的試樣進行比較。其中，貝氏體相變分別發(fā)生在420℃和480℃。熱處理后得到的試樣微觀組織如圖7所示。應力-應變曲線如圖8所示，所對應的拉伸性能值見表4。

圖7 體積分數(shù)相近而貝氏體形貌不同的復相組織的光鏡圖像

圖8 復相組織工程應力-應變曲線

表4 貝氏體形貌對拉伸性能的影響

由圖7可見，形成于420℃的貝氏體具有精細均勻的結(jié)構(gòu)，而在480℃形成的貝氏體中能觀察到板條狀的亞組織。因此，形成于420℃和480℃的貝氏體分別被定義為下貝氏體和上貝氏體。依據(jù)應力-應變曲線（圖8），相同的彈性形變區(qū)域斜率表明彈性模量與微觀組織不相關(guān)，連續(xù)的屈服發(fā)生在2種具有不同微觀組織的試樣中[12]。

在拉伸性能方面，當79%的下貝氏體被78%的上貝氏體所替代，拉伸強度從897 MPa下降到828 MPa。原因有以下3個方面。

a.在下貝氏體中，由于很低的相變溫度，碳原子難以進行長距離的擴散，形成了板條寬度較窄的貝氏體鐵素體，屈服強度與Hall-Pitch公式相關(guān)；

b.下貝氏體中碳化物的分布更加精細和均勻，所以需要更高的應力使位錯通過碳化物；

c.下貝氏體的位錯密度更高，位錯堆積的可能性更高[12]。為了進一步證明下貝氏體的強度高于上貝氏體，進行了顯微硬度試驗。如圖9所示，壓痕可以落在貝氏體相內(nèi)。下貝氏體的硬度為（369±20）HV50，而上貝氏體的硬度為（324±22）HV50。微觀組織的強度與顯微硬度成正比[13]，所以下貝氏體的強度高于上貝氏體。

圖9 貝氏體組織及顯微硬度測試壓痕

4 結(jié)論

a.貝氏體體積分數(shù)隨著貝氏體等溫相變時間的增加而增加。當貝氏體相變時間分別為5 s,30 s和60 s時，生成的貝氏體體積分數(shù)分別為2%、11%、27%。

b.在鐵素體體積分數(shù)相近的復相組織中，隨貝氏體體積分數(shù)的增加，復相組織的強度降低，韌性提高，應變強化性能降低。

c.貝氏體相變溫度會影響貝氏體的組織形貌。在420℃和480℃形成的貝氏體分別為下貝氏體和上貝氏體。在微觀組織體積分數(shù)相近的復相組織中，含有下貝氏體的復相組織具有更高的強度和較低的延展性。

d.與上貝氏體相比，下貝氏體具有更高的強度和較低的韌性。