冷轧双相钢的烘烤硬化性能

曹彦朋，李维娟，聂丽丽，王丽萍，廖华军

（辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051）

0 引 言

安全与能耗成为目前世界各国汽车工业面临的主要问题，高强度汽车用钢的使用对减轻车身质量、降低能耗具有重要作用。双相钢具有低的屈强比、高的初始加工硬化速率、良好的强度和延性配合等特点，已成为一种新型汽车用高强度冲压钢［1］。

双相钢和烘烤硬化钢一样，也具有烘烤硬化特性，但以往通常不作为其必要的特性指标。近年来，汽车制造业对双相钢的烘烤硬化性能也提出了明确的要求，如通用汽车公司在材料标准中，就明确要求冷轧双相钢的烘烤硬化值（BH值）应不小于30MPa［2］。目前，对于双相钢烘烤硬化性能的研究并不多。Knoieczny［3］等认为DP590双相钢的BH值与预变形量无关，但是并未做出机理分析。朱晓东［4］等的研究指出，预变形前双相钢板的BH值较小，而经2%预变形后其BH值大大提高，但是对其它预变形量条件下的BH值并没有研究。张继诚［5］等在研究相变诱导塑性（TRIP）钢烘烤硬化机理时，采用了含马氏体为40%（体积分数）的双相钢作为对照，发现双相钢的BH值随预变形量的增大而减小。Waterschoot［6］等认为双相钢的BH值随烘烤时间的延长而增大。国内关于烘烤工艺对冷轧双相钢烘烤硬化性能影响的研究鲜有报道。通常汽车板经烘烤后，需要在室温长期放置后才使用，因此，研究汽车板烘烤硬化性能在放置后是否容易失效，也具有一定的实际意义。为此，作者以冷轧双相钢板为对象，研究了预变形量、烘烤时间和室温时效处理对其烘烤硬化性能的影响，分析了这些因素对冷轧双相钢板烘烤硬化性能的影响机理。

1 试样制备与试验方法

试验钢为冷轧双相钢，化学成分见表1，热处理状态为退火态，显微组织由铁素体、马氏体和微量残余奥氏体组成。马氏体的体积分数为16%，铁素体平均晶粒尺寸为30μm。

表1 冷轧双相钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of cold-rolled dual-phase steel（mass） %

预变形和力学性能的测试采用MTS 810型拉伸试验机进行，拉伸速度为5mm·min－1。烘烤在101-1型烘烤箱完成。对试样分别施加1%，2%，5%，7%，10%，15%，20%的预变形后，在170 ℃下烘烤20min；另对预变形量为2%的试样，在170℃的温度下分别烘烤10，50，100，500，1 000，5 000，10 000min；另将预变形量为2%，5%，10%的试样烘烤硬化后在室温下放置3个月时间。分别对以上三种试验条件下试验钢的BH值进行测定。

BH值的定义参考SEW094进行了修改：

（1）不同预变形量下试样的BH值用Rel－Rpx表示（Rel为试样经一定量预变形，并170℃烘烤20min后的屈服强度；Rpx为预变形时的流变应力）。

（2）不同烘烤时间下试样的BH值用Rel－RP0.2表示（Rel为试样经2%预变形，并170℃烘烤一定时间后的屈服强度；RP0.2为2%预变形时对应的流变应力）。

（3）室温时效不同时间后BH值用Rel－Rpx表示（Rel为试样经一定量预变形，并170℃烘烤20min后，于室温下放置3个月的屈服强度，Rpx经相同预变形时烘烤后放置一定时间的屈服强度）。

将打磨至厚0.03mm以下的试样薄片冲减为φ3mm的小圆片，放进双喷抛光仪上进行电解抛光，腐蚀液是质量分数为4%的盐酸酒精溶液。采用JEM-2100型透射电子显微镜（TEM）观察试样的显微组织和位错形貌。

采用扭摆内耗仪对预变形量为2%，10%，在170℃烘烤20min试样进行内耗测定，以探究双相钢的烘烤硬化机理。

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2 试验结果与讨论

2.1 预变形量对烘烤硬化性能的影响

由图1可以看出，随着预变形量的增大，BH值不断增大。当预变形量为2%时，BH值达到了45MPa，说明试验钢具有良好的烘烤硬化性能。

图1 预变形量对试验钢BH值的影响Fig.1 Effect of pre-deformation degree on BH value of test steel

从图2～4可以看出，2%预变形条件下的位错密度比10%预变形条件下试样的位错密度小，并且位错呈网状，不同预变形量下的晶界都比较平直。室温下，晶界对位错滑移具有阻碍效应，只有载荷足够大时才可以使位错通过晶界继续滑移，甚至穿过晶界。晶界对材料起到强化效应。

图2 不同预变量下试样的位错形貌Fig.2 Dislocation morphology in samples with different pre-deformation degrees

由图5可以看出，预变形量为2%和10%试样的内耗随着测试温度的升高先升后降，都出现了很明显的峰值，说明烘烤后有柯氏气团形成；预变形量为10%试样的内耗峰值比预变形量为2%试样的高很多，说明前者试样内部碳原子与位错交互作用比后者的强很多，柯氏气团的密度比也大。

由前文可知，预变形量为10%时试样的位错密度比预变形量为2%时的大，而位错密度大，形成的柯氏气团密度也大，这对BH值的贡献大，所以经相同的工艺烘烤后，预变形量大的试样其内耗峰值高。双相钢的烘烤硬化性能主要受柯氏气团的形成、马氏体回火、残余奥氏体分解、碳化物析出的影响［6－7］。其中柯氏气团的影响最大，烘烤时，钢中固溶的间隙碳原子在获得能量后将会向自由位错处扩散，并钉扎位错，形成柯氏气团。其密度主要受铁素体和马氏体中间隙碳原子、晶界上的碳原子和位错密度的影响。根据柯氏模型［7］，在柯氏气团形成前期，BH值随着柯氏气团密度的增加呈线性增大，而后增大速度逐渐变慢，最终保持一定值，即柯氏气团密度达到饱和时，BH值达到最大。因此，在一定范围内，间隙碳原子、晶界上的碳原子越多，位错密度越大，则柯氏气团密度越大，BH值越大。

图3 预变形量为2%，170℃烘烤20min后试样不同位置的位错形貌Fig.3 Dislocation morphology in different locations of the samples with pre-deformation degree of 2%after baking at 170℃for 20min：（a）location 1；（b）location 2；（c）location 3and（d）location 4

图4 预变形量为10%，170℃烘烤20min后试样不同位置的位错形貌Fig.4 Dislocation morphology in different locations of the samples with pre-deformation degree of 10%after baking at 170℃for 20min：（a）location 1；（b）location 2；（c）location 3and（d）location 4

图5 不同预变形量下170℃烘烤20min后试样的温度－内耗曲线Fig.5 Curves of internal friction vs temperature for samples with pre-deformation degree of 2% （a）and 10%（b）after baking at 170 ℃for 20min

由图3和图4可见，经2%和10%预变形，170℃烘烤20min后试样中的晶界都比较平直，说明其晶界强化作用大致相当。双相钢在170℃烘烤时，会发生以下变化。（1）铁素体中会有碳化物析出，马氏体会发生低温回火，如图4（c）所示。马氏体在低温回火时，碳原子重新分配并向位错和晶界聚集，马氏体中的碳化物转化成ε和η等碳化物，这些析出碳化物会起到沉淀强化的作用，使得屈服强度升高。（2）残余奥氏体转变为回火马氏体，如图3（c）所示。回火马氏体的强度比奥氏体的高，因此，残余奥氏体的转变也使得其屈服强度升高。

综上所述，预变形量在20%以下时，由于柯氏气团形成、马氏体回火、残余奥氏体分解和碳化物析出共同作用，使得随着预变形量的增大，BH值不断增大，位错密度升高。BH值随预变形量的增大而持续增大的原因，是由于在试验条件下，柯氏气团的密度未达到最大值。

2.2 烘烤时间对烘烤硬化性能的影响

由图6可知，随烘烤时间的延长，BH值不断延长。当烘烤时间为10 000min时，BH值达到了82MPa。

图6 烘烤时间对BH值的影响Fig.6 Effect of baking time on BH value

从图7，8可以发现，预变形量为2%，烘烤温度为170℃条件下，随烘烤时间的延长试样的位错密度逐渐减小，位错呈网状；在烘烤过程中铁素体、马氏体和残余奥氏体中会析出碳化物。

图7 预变形量为2%，170℃下烘烤不同时间后试样的位错形貌Fig.7 Dislocation morphology in the samples with pre-deformation degree of 2%after baking for different times at 170 ℃

图8 预变形量为2%，170℃烘烤100min后试样的位错形貌Fig.8 Dislocation morphology in different locations of samples with pre-deformation degree of 2%after baking for 100min at 170 ℃

从图9可以看出，随着测试温度的升高，烘烤10，100min后试样的温度－内耗曲线都出现了明显的峰值，说明烘烤后有柯氏气团形成；比较两试样的峰可以看出，烘烤100min的峰值较高，说明烘烤100min试样的内部碳原子与位错交互作用比烘烤10min试样的强，试样内部的气团密度较大，即随烘烤时间的延长，柯氏气团密度增大。

图9 预变形量为2%时170℃烘烤不同时间后试样的温度－内耗曲线Fig.9 Curves of internal friction vs temperature for samples with pre-deformation degree of 2%after baking at 170 ℃for 10min（a）and 100min（b）

综上所述，随烘烤时间延长，柯氏气团密度不断增大。这是由于烘烤时，部分正负位错会相互抵消，随烘烤时间的延长，相互抵消的位错越多，但间隙碳原子对位错的钉扎也越充分，当柯氏气团未达到饱和时，柯氏气团的密度会越来越大。同时，烘烤时间越长，马氏体低温回火越充分，内应力释放得越充分，使得自由位错增多，这可以弥补部分相互抵消的正负位错；烘烤时间越长，残余奥氏体向回火马氏体的转变越充分，回火马氏体的含量越多，屈服强度越高；烘烤时间越长，铁素体和马氏体中析出的碳化物增多，沉淀强化作用增强，屈服强度升高。在这些影响因素的共同作用下，使得BH值随烘烤时间的延长不断增大。

2.3 室温时效处理对烘烤硬化性能的影响

由表2可知，预变形量为2%，5%和10%的试样，在170℃烘烤20min，并于室温放置3个月后，其BH值的变化规律不明显，有的增大，有的减小，最大变化值为7MPa。

表2 室温时效对试验钢BH值的影响Tab.2 Effect of aging at room temperature on BH value of test steel MPa

文献［8］中用时效指数来反映薄板的时效倾向，它表示预变形下的流变应力与室温长期放置后屈服应力的差值。时效指数越大，时效倾向越明显。时效指数小于30MPa时，薄板3个月不失效。参照文献［8］的定义，可认为试验钢3个月内不失效。

室温时效后，BH值变化不大，这是由于柯氏气团中的碳原子对位错的钉扎作用比较强烈，未达到使碳原子和位错分离的动力学条件。同时，间隙碳原子也未获得足够的能量向自由位错处扩散，形成新的柯氏气团；烘烤后的组织在室温下较稳定，没有发生转变或转变量很少，使得屈服强度变化不大。

3 结 论

（1）随着预变形量的增大和烘烤时间的延长，试验钢的BH值不断增大；当预变形量为2%时，试验钢的BH值为45MPa，已具有良好的烘烤硬化性能。

（2）试验钢的烘烤硬化性能比较稳定，不易失效。

（3）试验钢的烘烤硬化机理主要是与柯氏气团形成、马氏体回火、残余奥氏体分解和碳化物析出共同作用的结果。

［1］邝霜，康永林，于浩，等.DP500冷轧双相钢的组织与性能［J］.金属热处理.2007，32（5）：51-55.

［2］江海涛，康永林，于浩.烘烤硬化汽车钢板的开发与研究进展［J］.汽车工艺与材料，2005（3）：1-4.

［3］KONIECZNY A A.汽车用双相钢成形性能评价［J］.世界钢铁，2003（1）：34-38.

［4］朱晓东，王利，俞宁峰，等.过时效和平整对冷轧双相钢板强度、塑性及烘烤硬化性的研究［J］.钢铁研究学报，2003，15（6）：47-50.

［5］张继诚，符仁钰，张梅，等.新型汽车钢板的BH值与预应变量的关系［J］.上海金属，2006，28（6）：18-21.

［6］WATERSCHOOT T，DE COOMAN B C，VANDEPUTTE S.Static strain aging phenomena in cold-rolled dual-phase steels［J］.Metallurgical and Materials Transactions：A，2003，34：781-791.

［7］COTTRELL A H，BILLY B A.Dislocation theory of yielding and strain ageing of iron［J］.Proceedings of the Physical Society：A，1949，62（1）：49-62.

［8］宋浩，刘仁东.鞍钢A220BH烘烤硬化冷轧钢板的开发［J］.鞍钢技术，1999（8）：13-18.