摘要: 基于合金减量化原则，应用热轧 + 超快冷 + 弛豫热处理一体化技术制备得到1000 MPa级热轧双相钢，并研究了弛豫时间对试验钢组织和性能的影响。结果表明：随着弛豫时间增加，试验钢中铁素体平均晶粒尺寸和体积分数均增加，屈服强度降低；屈强比降低，伸长率、
n值和强塑积均先增加后减小。7 s弛豫的试验钢，铁素体体积分数为61.8%，铁素体晶粒尺寸为3.8 μm，组织中较多的长条马氏体和岛状马氏体提高了钢的可动位错密度和均匀变形能力，抗拉强度为1068 MPa，伸长率为17.0%，屈强比较低为0.48，
n值最高为0.13，其综合力学性能最好。
Abstract:
Based on the principle of alloy reduction, a 1000 MPa hot-rolled dual phase steel was prepared by hot rolling, ultra fast cooling and relaxation heat treatment, and the effect of relaxation time on microstructure and mechanical properties of the tested steel was studied. The results show that with the increase of relaxation time, the ferrite grain size and volume fraction increase, the yield strength decreases. The yield to strength ratio decreases, and the elongation, n value, and strength plastic product all increase first and then decrease. When the relaxation time is 7 s, the volume fraction of ferrite is 61.8%, and the grain size of ferrite is 3.8 μm. The presence of elongated martensite and island martensite in the microstructure increases the density of movable dislocations and uniform deformation ability of the steel. The tensile strength, elongation, yield ratio and n value of the tested steel are 1068 MPa, 17.0%, 0.48 and 0.13, respectively, which shows the best comprehensive property.
1. 引言
我国汽车产销量持续增加推动经济发展，也使环境污染和能源危机等问题日益凸显，通过材料创新和缩减工艺流程来实现汽车轻量化是满足绿色发展和提高安全性能的有效途径，也有利于推动汽车产业和钢铁工业碳中和战略深入推进[1]。在超轻汽车车身–先进汽车技术项目计划中，以双相钢为代表的先进高强钢因成本低廉和减重效果好被大量用于车身的制造中，近年来，国内的宝武钢、鞍钢和涟钢等企业均实现了双相钢系列产品的生产应用。双相钢是由铁素体(F)和马氏体(M)组成，以相变强化为基础，具有高的强度和低的屈强比，可用于汽车底盘、边梁和油箱支架等构件[2]。
目前，双相钢的研发及生产以冷轧为主且添加较多合金元素，增加了制造成本和能耗[3]。而热轧双相钢的研究开发主要集中在580~780 MPa的强度级别，对强度超过980 MPa级别的超高强热轧双相钢报道较少[4]。随着控轧控冷(TMCP)设备升级和超快冷技术(UFC)的发展，王国栋等人通过超快冷不仅可以实现生产过程中良好板型的控制，还可以保留形变亚结构细化晶粒以提高钢的强韧性[5]。本文采用低碳低成本的C-Si-Mn成分设计，结合热轧和超快冷技术获得大量形变亚结构，研究了弛豫时间对1000 MPa级热轧双相钢组织和性能的影响，为双相钢的开发升级提供依据。
2. 试验材料及方法
2.1. 试验材料
试验钢采用50 Kg中频真空感应炉进行熔炼，其成分是简单的C-Si-Mn设计，如表1所示。钢中较低的C有利于焊接性能和冲压成形性能，适量的Si可扩大铁素体形成工艺窗口缩短工艺时间，适量的Mn可起固溶强化作用，也可降低钢的临界淬火速度提高淬透性。
Table 1. Chemical composition of dual phase steel (mass fraction, %)
表1. 双相钢的化学成分(质量分数，%)
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Al |
N |
Fe |
0.13 |
0.68 |
1.5~1.8 |
≤0.008 |
≤0.005 |
0.04 |
0.004 |
余量 |
2.2. 试验过程
铸坯锻造后置入1200℃的高温炉保温70 min，接着在二辊可逆热轧机进行热轧，其开轧温度为1150℃，终轧温度为840℃，首先是第一阶段的三个道次粗轧(再结晶区)，可以细化奥氏体晶粒；然后是第二阶段的二个道次精轧(未再结晶区)，可得到具有大量形变亚结构的奥氏体晶粒，轧后得到3.8 mm厚的试验钢板。再将钢板放入670℃盐浴炉实现超快冷，在670℃下分别等温弛豫4、7、10 s，该过程有先共析铁素体析出，与此前630℃等温弛豫研究相比，以期拓宽工艺窗口[6]。最后水淬至室温，过冷奥氏体转变为马氏体，得到双相钢钢板，该工艺流程如图1所示。
Figure 1. Process flow chart of the tested steel
图1. 试验钢的工艺流程图
2.3. 测试方法
将钢板沿轧向线切割切取试样进行显微组织观察和力学性能测试。金相试样经打磨、抛光和侵蚀(体积分数为4%的硝酸酒精溶液)后，用ZEISSAxioplan2型显微镜(OM)和Nova nano 400型扫描电镜(SEM)进行显微组织观察和定量分析，之后，将样品进一步减薄并利用Tenupol-5型双喷电解仪将试样穿孔，用JEM-2100F型透射电镜观察组成相的精细结构。采用50 mm的标距按GB/T 228.1-2021制备拉伸试样，拉伸试验在WAW-500C型万能材料试验机上进行测其力学性能，拉伸速度为2 mm/min。
3. 试验结果与分析
3.1. 试验钢的显微组织
图2为试验钢的室温金相(OM)组织，由图可知，暗黑的马氏体与白亮的铁素体相间分布，铁素体晶粒较细小且大多沿轧向呈条带分布[3]。是由于试验钢在控轧后得到呈拉长形变带的奥氏体晶粒，随后超快冷保留了这些高位错密度的形变亚结构，这些形变亚结构为后续的相变组织提供了大量形核点，铁素体主要沿原奥氏体晶界析出，故得到细小的铁素体且随原奥氏体呈条带分布，但是从图2可见，10 s长时间弛豫的铁素体分布更加均匀，应该是有更多的铁素体是从奥氏体内部形核长大的。通过IPP图像分析处理软件对组织进行定量测量得到，4、7、10 s弛豫热处理试样的铁素体平均晶粒尺寸分别为3.7、3.8、4.0 μm，其体积分数分别为59.2%、61.8%、65.6%。因此，该技术工艺条件下，随着弛豫时间增加，试验钢中铁素体的尺寸和体积分数均在增加。
试验钢经弛豫热处理后水淬至室温发生马氏体相变，从试验钢的扫描电镜(SEM)组织(图3)可以看出，生成的马氏体以长条马氏体为主，也有部分的块状马氏体和岛状马氏体，并且从马氏体内部可以看到细化的马氏体板条。4 s弛豫时间最短，得到的马氏体最多，有较多的块状马氏体，是由于短时间弛豫过程中铁素体向未转变奥氏体排碳最少，使Ms点较高，有利于后续相变得到马氏体；10 s弛豫时间最长，得到的马氏体最少，但马氏体长条的宽度要比4 s和7 s弛豫时间的大，应该是长时间的弛豫使未转变奥氏体排碳最多，有利于马氏体形核后的长大；7 s弛豫时间居中，得到的马氏体体积分数也居中，生成了较多的岛状马氏体。因此，弛豫时间对试验钢中各相体积分数、形貌和相变过程均有较大影响[7]。
Figure 2. Microstructures of the tested steel with different relaxation time (a) 4 s；(b) 7 s；(c) 10 s
图2. 试验钢不同弛豫时间的显微组织(a) 4 s；(b) 7 s；(c) 10 s
Figure 3. SEM micrographs of the tested steel with different relaxation time (a) 4 s；(b) 7 s；(c) 10 s
图3. 试验钢不同弛豫时间的SEM组织(a) 4 s；(b) 7 s；(c) 10 s
3.2. 双相钢的显微组织与力学性能的关系
双相钢是由软质相铁素体和硬质相马氏体复合组成，两相协调变形可以提高钢的综合力学性能，试验钢经室温拉伸得到的力学性能结果如表2所示。可以发现随着弛豫时间从4 s增加至10 s，屈服强度由513 MPa降低至493 MPa，抗拉强度先降低后增加在1068~1087 MPa，伸长率先增加后降低在13.0%~17.0%。根据GB/T20887.3-2022《汽车用高强度热连轧钢板及钢带：双相钢》，国标中给出了目前双相钢最高强度级别为780 MPa的力学性能指标，7 s弛豫的试验钢不仅塑韧性达到牌号HR450/780DP指标要求，而且强度可达到1000 MPa级。因此，通过低碳的成分设计和以超快冷为核心的控轧控冷技术，制备得到的试验钢获得了1000 MPa级的超高强度，还具有较好的塑韧性。
Table 2. Mechanical properties of the tested dual phase steel
表2. 试验双相钢的力学性能
弛豫时间/s |
Rp0.2/MPa |
Rm/MPa |
Rp0.2/Rm |
A50/% |
n |
强塑积/(GPa·%) |
4 |
513 |
1074 |
0.48 |
13.0 |
0.11 |
13.96 |
7 |
506 |
1068 |
0.47 |
17.0 |
0.13 |
18.16 |
10 |
493 |
1087 |
0.45 |
15.0 |
0.12 |
16.31 |
4 s弛豫热处理的时间最短，经相变得到的铁素体平均晶粒尺寸最小为3.7 μm、体积分数最少为59.2%，而试验钢在拉伸变形过程中首先发生铁素体软质相的变形，并且铁素体承担了主要变形先发生屈服，由霍尔佩奇公式知，钢的屈服强度最高。另外，通过透射电镜对其铁素体进行观察发现内部具有高位错密度的亚晶(如图4(a))，是由于试验钢经控制轧制和超快冷后保留了大量形变亚结构，这些形变亚结构不仅为铁素体相变提供形核核心细化晶粒，而且保留在相变组织中提高强度，使得钢的屈服强度达到513 MPa。钢中硬质相马氏体体积分数最多为40.8%，使其伸长率最低为13.0%，并且有较多块状马氏体，钢的强度较高为1074 MPa。
Figure 4. Microstructure and morphology characteristics of the tested steel (a) F-4 s; (b) M-7 s
图4. 试验钢的组织形貌特征(a) 铁素体-4 s；(b) 马氏体-7 s
10 s弛豫热处理的时间最长，相变形成铁素体平均晶粒尺寸最大体积分数最多，使得钢的屈服强度最低为493 MPa，其伸长率较高为15.0%。该试验钢中马氏体体积分数最少，但是抗拉强度最高为1087 MPa，应该是长时间的弛豫使碳从铁素体向未转变奥氏体中扩散最多，之后奥氏体相变得到富碳的马氏体，而马氏体是碳在α-Fe中过饱和的固溶体，因此，马氏体中碳含量增加会提高钢的强度，所以，钢的抗拉强度是由马氏体体积分数和马氏体中碳含量共同影响[8]。7 s弛豫热处理的试验钢，其铁素体平均晶粒尺寸和体积分数居中，得到的屈服强度和屈强比也居中，其抗拉强度较4 s和10 s弛豫的要弱，应该是马氏体体积分数对强度的影响强于马氏体中碳含量的影响。钢中较多的岛状马氏体(如图4(b))和长条马氏体增加了铁素体和马氏体两相间的接触面积，而马氏体相变膨胀会挤压周围的铁素体，使铁素体内部产生较多的可动位错，有利于钢的协调变形，其n值最高为0.13、伸长率最高为17.0%、强塑积最高为18.16 GPa·%，具有最优的综合力学性能。
3.3. 双相钢的节能减排效果
采用先进高强汽车用钢可在保证产品性能的前提下减少钢材的使用量，实现汽车的轻量化，达到节能减排的效果。有数据表明，若汽车质量每下降10%，油耗可降低6%~8%，碳排放减少4.8%~6.4% [9]。除此之外，降低汽车的质量还可改善汽车加速、制动、转向等多方面的的问题。因此，汽车轻量化有利于降低碳排放和实现可持续发展的目标。
日本科学家对钢板抗拉强度与厚度的关系进行了定量研究，发现抗拉强度为540 MPa厚0.83 mm的钢板与抗拉强度为370 MPa厚1.0 mm的钢板具备相同的承载能力[10]。因此，若采用540 MPa级双相钢代替原来的Q235B钢板制造汽车零部件，可使汽车减重17%。对于本工艺条件下，7 s弛豫处理的试验钢具有最优的综合力学性能，其抗拉强度可达1068 MPa，用其替换1.0 mm厚的Q235B钢板制造汽车零部件，可使汽车减重69.8%，油耗可降低41.9%~55.8%，碳排放减少33.5%~44.7%。故而，这种超高强热轧双相钢的研究开发对于节能减排具有很好的效果。
4. 结论
1) 结合TMCP和UFC工艺技术，综合运用相变强化和亚结构强化等手段，制备得到强韧性较好的1000 MPa级热轧双相钢，其显微组织均由马氏体和铁素体复合而成。
2) 试验钢中屈服强度为493~513 MPa，抗拉强度为1068~1087 MPa，伸长率在13.0%~17.0%，屈强比较低在0.5以内，应变硬化指数n值在0.11~0.13，高的n值和低的屈强比使试验钢具有较好的冷加工成形性能。
3) 7 s弛豫试验钢的塑韧性达到牌号HR450/780DP要求，而且强度达到1000 MPa级，综合力学性能最优，其相对于Q235B可使汽车部件减重69.8%，碳排放减少33.5%~44.7%，具有很好节能减排效果。
基金项目
武汉科技大学大学生创新创业训练计划项目“汽车用低碳热轧双相钢的强韧化机理研究”(项目编号：23ZA507)；武汉科技大学教学改革研究基金项目“基于多层次项目教学培养拔尖创新人才的探索和实践”(项目编号：2023X065)。
NOTES
*通讯作者。