1 000 MPa级冷轧双相钢氢致延迟开裂性能研究

谢春乾 潘丽梅 韩赟 刘华赛

（首钢技术研究院，北京 100043）

1 前言

近年来随着汽车行业的发展和节能减排的需要，汽车安全性能的提升已经成为行业发展的重要方向。高强度汽车钢板在白车身上的应用也越来越多。常用的冷轧高强钢种类有低合金高强钢、双相（Dual Phase，DP）钢和复相钢，其中双相钢是使用最广泛的钢种，该钢种具有的低屈强比、高加工硬化率和优良的成形性能优点。

延迟开裂是指材料在恒定应力的作用下，使用一定的时间后突然发生脆性破坏的一种现象,这种现象是环境-材料-应力多种因素相互作用从而产生的一种脆化现象，随着材料强度的提高，材料发生延迟断裂的可能性也越大[1]。当前，汽车用高强钢材料的强度不断提高，发生延迟开裂的可能性也逐渐增加，对相应的汽车用高强钢进行延迟开裂性能评价也成为当前非常重要的研究方向。由于延迟开裂的不可预见性，往往导致材料突然发生破坏，造成严重的经济损失和影响。因此，有必要对高强钢的延迟开裂敏感性进行研究、评价，进而降低其风险。

评价高强钢的延迟开裂有多种方法[2]，此外，一些测试标准也相继出台，如国家标准GB/T 39039—2020《高强度钢氢致延迟断裂评价方法》，以及团体标准T/CSAE 155—2020《超高强度汽车钢板氢致延迟断裂敏感性U 形恒弯曲载荷试验方法》。根据GB/T 39039—2020，将试样加工成缺口拉伸试样，并进行电解充氢以获得不同氢含量，最后进行慢应变速率拉伸试验，评价钢的氢致延迟开裂性能，同时利用热脱附氢检测装置(Thermal Desorption Spectroscopy，TDS)[3-4]，检测试样的氢含量。

2 试验材料与方法

试验采用汽车用冷轧高强钢DP980 连退产品，其中C 质量分数为0.08%～0.12%，Si 质量分数为0.2%～0.6%，Mn 质量分数为2.0%～2.4%，Cr+Mo 质量分数＜1%，同时添加Nb+Ti 质量分数为＜0.1%，其余为Fe，具体成分如表1 所示。利用光学显微镜进行金相组织观察，并采用透射电镜（TEM）对析出相进行观察。将试样加工为缺口拉伸试样，具体如图1 所示，试样厚度为1.5 mm，缺口呈60°，深度为1.5 mm。试验依据GB/T 39039—2020 进行。

表1 DP980的化学成分(质量分数) %

采用电化学充氢法，将惰性材料（铂丝）作为电解阳极，充氢试样作为电解阴极，在0.1 mol/L NaOH溶液中进行充氢，氢电流密度分别为0 mA/cm2、8 mA/cm2、16 mA/cm2，充氢时间72 h。随后采用热脱附测氢装置（TDS）对充氢后试样进行氢含量测定。

对不同充氢状态下的试样进行慢应变速率拉伸（SSRT），在室温下以0.01 mm/min 的速度进行拉伸，测出不同氢含量下试样的抗拉强度σH，同无氢条件下试样的抗拉强度σ0进行比较，抗拉强度损失的比例即为DP980 的氢致延迟断裂敏感指数，记为Iσ，如公式（1）所示。Iσ越小表明材料抗氢致延迟断裂性能越好。拉伸试验结束后，在扫描电镜下观察拉伸试样断口形貌，并分析其破坏机理。

3 研究结果与讨论

3.1 组织分析

对未进行充氢的DP980 组织形貌进行光学显微镜观察，分析组织形态，所得结果如图2 所示。从图2 中可以看出，DP980 材料的微观组织主要由铁素体基体和马氏体-奥氏体（MA）岛组成，且组织较为分散。上述组织中铁素体具有良好的塑性，主要为材料提供塑性和伸长率，而马氏体-奥氏体岛则具有较高的硬度和强度，可以提高材料的抗拉强度。同时可以看出，DP980-钢中的MA岛细小且分散。经定量分析，MA 岛的体积分数为19.74%。

图2 DP980微观组织

由于DP980 中添加了微合金元素，退火冷却后会发生析出强化，如图3 所示。从图3 可以发现，DP980 内部含有大量的弥散析出相，这些析出相直径较小约为10 nm，甚至更小，主要为球形或颗粒状分布，上述细小且弥散分布的析出相在位错运动时会与位错发生交互作用，从而对位错运动形成阻碍，提高材料的强度[5-7]。对析出相成分进行能谱分析，如图3b 所示，析出相主要为NbTi析出相[8]。这些析出相在细化晶粒的同时，其弥散强化作用也提高了材料的强度。

图3 DP980析出相分析

3.2 氢含量测定

利用TDS 检测充氢后试样的氢含量，所得结果列于表2。从结果可以看出，当充氢电流密度为0 mA/cm2时，DP980 试样氢含量有0.68×10-6mg/kg，这些氢主要是在生产过程中引入的；随着充氢电流密度的增加，试样中的氢含量逐渐增加，在8 mA/cm2时试样氢含量为1.65×10-6mg/kg，16 mA/cm2时氢含量为2.10×10-6mg/kg。

表2 DP980 氢含量

3.3 慢拉伸试验结果

对不同充氢条件的DP980 试样进行慢应变速率拉伸试验，结果见图4。可以看出，随着充氢电流密度和试样内部氢含量的增加，材料抗拉强度和延伸率均有所降低。具体力学性能见表3，根据氢致延迟断裂敏感指数计算公式（1）进行计算试样氢脆敏感性，所得结果如表3 所示。可以看出，随着试样内部氢含量的增加，材料抗拉强度由1 178 MPa 下降至1 114 MPa，氢致延迟断裂敏感指数Iσ逐渐增大。

图4 DP980慢拉伸试验

表3 慢拉伸试验结果

3.4 断口观察

对不同氢含量的DP980 慢应变速率拉伸试样断口进行SEM 观察，所得结果如图5 所示。从图5可以看出，在未充氢条件下，DP980 裂纹首先在中心部位产生，随后逐渐由中心向四周扩展直至断裂，如图5(a)(b)所示。在8 mA/cm2电流密度下（图5(c)(d)），试样的断口形貌与未充氢试样基本一致，虽然韧窝略微变浅，仍然整体仍表现为韧窝状断口。在16 mA/cm2电流密度下（图5e、图5f），韧窝进一步变浅，并出现少量准解理断口。可以看出，DP980 具有较强的抗氢致延迟断裂能力。

4 讨论

通过以上试验结果可以发现，含Nb、Ti 成分的DP980 具有较好的抗氢致延迟断裂性能。分析认为，双相钢的氢致延迟断裂影响因素主要有以下3个方面。一是马氏体相的存在。马氏体具有较高的氢致延迟断裂敏感性，其含量、形貌、分布对氢脆有显著影响。本文中DP980 的马氏体含量为20%左右，含量较低；同时马氏体呈弥散分布，从而使其氢致延迟断裂敏感性较低。二是DP980中存在大量细小的NbTi 析出物，这些析出相可以作为不可逆的氢捕获位点，使得试样中的扩散氢含量减少，在拉伸过程中氢原子被束缚住无法进入初始裂纹，从而提高了材料的抗氢致延迟断裂能力[9]。最后，DP980 的晶粒被析出物大大细化。大量的晶界和高密度的位错可以提供更长的原子氢通过晶格的行程[10]。此外，细晶显微组织有效地抑制了裂纹的形成和扩展，从而使得DP980 具有较高的抗氢致延迟断裂能力。

图5 DP980断口SEM观察

5 结论

通过对含NbTi 成分的DP980 氢致延迟开裂行为的研究，得出以下结论。

a.DP980 钢的显微组织由铁素体基体、细小弥散MA 岛组成，同时含有大量细小的NbTi 析出相。

b.对DP980 进行电化学充氢，材料内部的氢含量随充氢电流密度的增加而增加。当充氢电流密度从0 增加至16 mA/cm2时，氢含量由0.68×10-6mg/kg提高至2.10×10-6mg/kg。

c.根据慢应变速率拉伸测试结果，在充氢电流密度由0 提高至16 mA/cm2充氢后，DP980 的氢致延迟断裂敏感系数为5.4%，同断口仍为韧窝状，表明NbTi 微合金化的DP980 在较高充氢电流密度下仍然为韧性断裂而非脆性断裂，具有较好的抗氢致延迟断裂性能。