合金元素含量对汽车大梁用610L钢组织与性能的影响

杨文卿，师可新，董军海，孙胜辉，蔡明晖,，张晓明，丁 桦,

(1. 东北大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学 辽宁省轻量化用关键金属结构材料重点实验室，辽宁 沈阳 110819；3. 唐山不锈钢有限责任公司，河北 唐山 063000；4. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

汽车大梁作为汽车底盘结构的主要承载部件，其综合性能很大程度上影响汽车的安全性和经济性。目前，汽车大梁钢的研发生产经历了强度从低(420L)到高(510L、610L)的过程，在合金成分设计上大多数采用降低碳含量，并加入钒、铌、钛等合金元素的方法[1-5]。某企业提供的TCX610L汽车大梁钢中Nb含量较高，超过0.05wt%，实际生产中往往由于连铸或热轧工艺控制不合理引起热轧板表面出现红锈、翘皮等缺陷，这些缺陷一般要通过后续的酸洗工艺去除，不仅会增加工序和成本、降低生产效率，还会产生大量的废酸，造成极大的能源消耗和环境污染，严重制约汽车大梁钢在汽车制造行业中的应用与推广[3]。

研究表明，在低硅钢中适当增加硅含量可改善钢板的抗氧化能力并优化氧化皮结构，对改善轧辊氧化膜的质量也至关重要[6-7]。另外，Nb对钢材轧制时的变形抗力影响较大，经现场调研，通过降低Nb含量、提高终轧温度能有效改善钢材的表面质量。相比于Nb，价格较为低廉的Ti对轧制时的变形抗力影响较小，有利于提高轧辊寿命。采用以Ti代Nb的技术路线，可降低轧制时的变形抗力，提高钢材的表面质量。此外，含Nb钢析出的碳氮化合物易在奥氏体晶界偏聚，在后续冲压变形过程中易产生应力集中导致变形开裂，而Ti的添加可改善Nb的偏聚效应，有利于析出更多细小弥散的化合物[8]。添加微合金元素的作用不仅是细晶强化，Funakawa等[9]以Ti-Mo微合金钢为基础成功开发了一种具有良好扩孔性能的高强钢，并将其商业命名为“NANOHITEN”，这类钢的特征在于铁素体基体上分布着大量尺寸约为3 nm的相间析出物，对屈服强度的贡献可达300 MPa。有研究表明，相间析出碳化物具有NaCl型晶体结构，通过Orowan机制计算得出的析出强化量均大于300 MPa[10]。 本文以某企业提供的TCX610L钢的合金成分为基础，采用“调Si、降Nb、加Ti”的合金设计理念，并结合优化的控制轧制和控制冷却工艺(TMCP)，开发出一种兼顾良好综合力学性能和高表面质量的新型汽车大梁用610 MPa级低碳微合金钢。在此基础上，研究了合金成分和TMCP工艺参数对热轧试验钢微观组织和力学性能的影响规律，为高性能汽车大梁钢的实际应用提供依据。

1 试验材料和方法

试验钢为高强度含Nb、Ti低碳微合金钢，具体化学成分如表1所示。该钢的碳含量较低(<0.08%)，以保证钢材具有良好的成形性和焊接性能，还以TCX610L钢的合金成分为参考，将Nb含量降低至0.02%～0.03%，调整Si含量和Ti含量。其中，Si可以扩大铁素体的形成范围，有利于扩大轧制工艺窗口，还可以缩小铁素体与珠光体之间的硬度差，提高钢板的扩孔性能[11]。另外，通过Ti的析出强化来弥补Nb含量下降所造成的强度损失。试验钢在真空感应炉中冶炼，然后浇铸成50 kg钢锭。将钢锭加热至1200 ℃保温2 h，随后锻造成横截面尺寸为100 mm×32 mm的钢坯，然后进行TMCP工艺操作：将钢坯加热至1230 ℃保温1 h，粗轧开轧温度为1150 ℃，终轧温度880 ℃，经5道次热轧得到3.5 mm厚钢板，总轧制压下量为89.7%。随后，分别以空冷(AC)和水冷(WC，15～20 ℃/s)的方式冷却至630 ℃，迅速放入炉中保温15 min模拟卷取，然后炉冷(FC)至室温，如图1所示。

图1 试验钢TMCP工艺流程示意图Fig.1 Schematic illustration of TMCP process for the tested steels

热轧后的试样经研磨抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀7 s，用GX51型光学显微镜(OM)观察组织形貌。利用Oxford Nordlys F+型电子背散射衍射(EBSD)技术测量铁素体平均晶粒尺寸并绘制晶界取向分布图。采用Tecnai F20型场发射透射电镜(TEM)观察和分析析出相的尺寸、形状和分布。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》，沿板材轧向线切割加工出标距为50 mm拉伸试样，在SANACMT5000电子万能材料试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为3 mm/min,取3次测 量结果的平均值作为拉伸试验结果。

根据GB/T 15825.4—2008《金属薄板成形性能与试验方法 第4部分：扩孔试验》，通过线切割加工成95 mm×95 mm的矩形扩孔试样，然后在试样中间处冲制直径d0=10 mm的圆孔，然后用BCS-50AR热环境通用板材成型试验机进行扩孔试验。试验采用平底凸模法，凸模运动速度为6 mm/min，压边力为100 kN，控制载荷为15 kN，润滑剂为机油硝酸甘油。试验时，将中心带有预制圆孔的试样置于凹模与压边圈之间压紧，将凸模通过试样的圆孔压入凹模迫使圆孔直径不断胀大，直至圆孔边缘局部发生开裂，停止凸模运动并测量试样孔径的最大值dfmax和最小值dfmin，计算出圆孔胀裂后的平均直径df=1/2(dfmax+dfmin)和扩孔率λ=(df-d0)/d0×100%，最终取两个测量结果的平均值作为最终扩孔性能数据。

2 试验结果与分析

2.1 相变热力学与动力学计算

以04Si-06Ti试验钢为例，采用JMatePro软件计算试验钢的连续冷却转变曲线(CCT)和等温转变曲线(TTT)，如图2所示。综合分析可知，当冷却速度控制在15～20 ℃/s时，奥氏体→铁素体转变开始温度约为780 ℃。因此，试验钢在精轧终轧后，应在低于780 ℃进行适当控冷，保证形成一定量的先共析铁素体，这对改善试验钢的伸长率和成形性非常有利；同时，应适当进行快冷至卷取温度，使铁素体基体中的微合金元素析出更多的细小碳化物粒子，以增加铁素体基体的强度。

图2 JMatePro计算所得04Si-06Ti钢的CCT曲线(a)和TTT曲线 (b)Fig.2 JMatePro-calculated CCT curves(a) and TTT curves(b) of the 04Si-06Ti steel

2.2 OM组织分析

图3为试验钢热轧后水冷或空冷至卷取温度时的显微组织。可以看出，试验钢的显微组织由多边形铁素体(白色基体)和细小弥散的珠光体(黑灰色区域)组成。这是由于在水冷条件(15～20 ℃/s)下，奥氏体在冷却过程中分别经过铁素体和珠光体转变区域，因此过冷奥氏体除了转变为铁素体外，还有一部分转变为细小的珠光体，这对改善试验钢的塑性和成形性有一定的益处。

图3 热轧后不同方式冷却至卷取温度时试验钢的显微组织(a～d)和铁素体晶粒尺寸分布(e～h)(a,e)01Si-03Ti钢, 水冷;(b,f)04Si-03Ti钢, 水冷;(c,g)04Si-06Ti钢, 水冷;(d,h)04Si-06Ti钢, 空冷Fig.3 Microstructure(a-d) and ferrite grain size distribution(e-h) of the tested steels cooled to coiling temperature in different ways after hot rolling(a,e) 01Si-03Ti steel, WC; (b,f) 04Si-03Ti steel, WC; (c,g) 04Si-06Ti steel, WC; (d,h) 04Si-06Ti steel, AC

对比图3(a, b)可知，Si含量的增加提高了组织中铁素体的体积分数，并使铁素体形态趋于等轴化。这主要是因为Si作为一种非碳化物形成元素，能加速C从铁素体向奥氏体的扩散，提高铁素体的相变驱动力，促进等轴铁素体的析出[12]。对比图3(b, c)可知，随着Ti含量的增加，试验钢中铁素体的晶粒尺寸明显细化，且更为弥散细小的珠光体均匀分布在铁素体三叉晶界附近。由图3(c, d)可知，当冷却方式由水冷改变为空冷时，试验钢组织中铁素体的晶体尺寸较为粗大，珠光体的尺寸也较大且体积分数较高。

2.3 TEM组织分析

析出强化Orwan机制表明，析出相的体积分数一定时，其尺寸越细小，析出强化效果越显著。传统的纳米级析出物的尺寸多在几十个纳米，限制了析出强化的效果[13]。由图3可知，试验钢采用Nb-Ti复合微合金化并通过合理的控扎控冷工艺，将析出物的晶粒尺寸控制在1～10 nm，能够获得良好的综合力学性能。图4和表2为试验钢热轧后水冷或空冷至卷取温度时的TEM分析，可以看出，试验钢的析出方式为相间析出和弥散析出两种，析出物主要为Ti和Nb的碳氮化合物(如图4(e,f)所示)。相比于01Si-03Ti和04Si-03Ti钢，04Si-06Ti钢水冷时的析出粒子尺寸d最小(5.44 nm)，行间距l最小(26.25 nm)，体积分数fv最高(0.45%)，其原因主要是NbN在高温下析出时的尺寸较大，并发生明显的偏聚现象，而Ti与N具有强烈的结合倾向，提高Ti的含量会固定更多的N，从而抑制NbN的高温析出，并促进Nb在较低温度下析出更多细小的化合物，不仅能弥补Nb含量减少带来强度的降低，还能改善Nb在高温析出造成动态回复与再结晶温度升高而使变形抗力增高的问题。

图4 热轧后不同方式冷却至卷取温度时试验钢中析出相的TEM分析(a)01Si-03Ti钢,水冷;(b)04Si-03Ti钢, 水冷;(c)04Si-06Ti钢, 水冷;(d)04Si-06Ti钢, 空冷;(e,f)析出相衍射图谱Fig.4 TEM analysis of precipitates in the tested steels cooled to coiling temperature in different ways after hot rolling(a) 01Si-03Ti steel, WC; (b) 04Si-03Ti steel, WC; (c) 04Si-06Ti steel, WC; (d) 04Si-06Ti steel, AC; (e,f) diffraction pattern of precipitates

表2 试验钢中析出物的平均尺寸(d)、体积分数(fv)以及行间距(l)

2.4 EBSD晶粒取向分析

图5为试验钢热轧后水冷或空冷至卷取温度时轧向纵剖面晶体学取向的EBSD标定及取向分布图，其中蓝线代表<15°的小角度晶界，红线代表>15°的大角度晶界。经统计，01Si-03Ti钢和04Si-03Ti钢水冷时的大角度晶界占比分别为70.6%和81.8%，而Ti含量更高的04Si-06Ti钢水冷和空冷时的大角度晶界占比均明显升高，分别为90.2%和89.3%。大小角度晶界对强度的贡献主要体现在对位错运动阻碍的大小上。一般而言，金属材料的变形都是不均匀的，位错在特定的低剪切力的原子面上滑动引起塑性变形。当位错运动到晶界时直接越过晶界进入相邻晶粒的可能性非常小，对于大角度晶界来说，最优滑移面之间的角度很大，致使位错在晶界处塞积，从而使强度升高[14]。

2.5 力学性能

图6为试验钢热轧后水冷或空冷至卷取温度时的力学性能。可以看出，01Si-03Ti、04Si-03Ti、04Si-06Ti钢水冷时的抗拉强度分别为600、580、630 MPa，伸长率均高于20%，且04Si-06Ti钢空冷时的力学性能与水冷时差别不大，完全满足不同强度级别的汽车用大梁钢的性能指标(如表3所示)。

相比而言，01Si-03Ti和04Si-03Ti钢水冷时的抗拉强度和屈服强度均较低，其原因可能是这两种试验钢中微合金元素Ti含量相对较低，在冷却过程中析出的碳氮化物较少，对位错运动阻碍作用较小，造成析出强化效果偏弱[15]。由于04Si-06Ti钢中Ti含量较高，

表3 不同级别汽车大梁钢的力学性能要求

析出强化效果显著。需要强调的是，这种(Ti, Nb)C粒子多属于相间析出型粒子，弥散分布于铁素体基体中，凭借其弥散、细小、与基体共格等特点，能够显著提高钢铁材料的强韧性[16]。

2.6 扩孔性能

扩孔率(λ)反映材料在成形过程中的翻边凸缘性能，很大程度上取决于基体中软硬两相之间的硬度差[17]。相较于传统的铁素体+贝氏体或铁素体+马氏体组织，经析出物强化后的铁素体与珠光体之间的硬度差较小，具有更为优异的扩孔性能。表4为试验钢热轧后水冷或空冷至卷取温度时的扩孔率。可以看出，相对于01Si-03Ti钢，04Si-03Ti和04Si-06Ti钢中添加了更多的Si，其扩孔率也相对较高。这是由于Si可以在铁素体中固溶，提高铁素体的强度和硬度，减小铁素体与珠光体之间的硬度差，因此对扩孔成形性能具有一定的改善作用[1]。值得注意的是，尽管04Si-06Ti钢水冷时的屈服强度和抗拉强度均较高(见图6)，但成形性能并未出现明显的降低，这主要取决于两个方面：①纳米析出相显著增加铁素体基体的强度，从而降低了其与珠光体之间的硬度差；②高Ti钢中析出更多纳米碳化物的同时，会使基体中的C含量降低，从而对铁素体基体有一定的“净化”效果，改善铁素体的塑韧性[18]。

表4 热轧后不同方式冷却至卷取温度时试验钢的扩孔率λ

综合以上分析可知，04Si-06Ti钢水冷时的综合力学性能较好，屈服强度为539 MPa, 抗拉强度为633 MPa，伸长率为20.5%，扩孔率为66.4%，力学性能和成形性能可满足汽车大梁用610L钢的性能要求。

3 结论

1) 采用“调Si、降Nb、加Ti”的合金设计理念，开发出一种综合性能良好的610 MPa级汽车大梁用Ti-Nb-Si 系低碳微合金钢，其屈服强度为539 MPa, 抗拉强度为633 MPa，伸长率为20.5%，扩孔率为66.4%。

2) 随着Ti含量的增加，试验钢中铁素体的晶粒尺寸明显细化，生成更多细小弥散的析出物。析出物有相间析出和弥散析出两种类型，且以相间析出为主，显著提高了试验钢的强度水平，且韧塑性下降不明显。