退火温度及光整工艺对780 MPa级双相钢组织和力学性能的影响研究

韩世绪，刘靖宝，刘国龙，杨玉厚

（1.河北钢铁集团唐钢技术中心，河北 唐山 063001；2.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210）

近几年来由于汽车工业的快速发展，高强汽车板用材的需求越来越多。同时随着汽车产品逐渐朝向轻量化的方向发展，生产商对原料板材的综合使用性能也提出了更高的要求。高强双相钢由于其高的初始硬化率、高的加工硬化能力以及较低的屈强比而受到汽车厂家的青睐，基于这些特点，780 MPa级双相钢主要被用于汽车的保险杠、横梁、座椅滑轨以及车身外部加强件，成为汽车用钢的重要组成部分。

双相钢的组织组成主要是由铁素体基体和一定量的浮凸岛状马氏体，同时可能伴随有少量的残余奥氏体和贝氏体，各组成相的含量与状态的不同对双相钢力学性能的影响也各不相同，如铁素体的晶粒度、双相组织的显微结构，马氏体的体积分数、含碳量及其形态分布等[1]。近年来，对先进高强钢的研究层出不穷，材料的强度也都在逐步的提高。但随着强度的提升，材料的成形性受到明显的限制，虽然目前对汽车钢的研究方向主要集中于成形性优良的1 500 MPa级别及以上的热冲成型钢种，然而高强度热成型钢的却有着生产工艺复杂、使用成本较高，产线控制不稳定等不利因素，因此相比更为成熟的冷冲压成形双相钢来说，发展前景不占优势[2]。对于现有的780 MPa级双相钢的研究主要有普通的C-Si-Mn-Cr、C-Si-Mn-Nb-Ti等成分体系，前者成形性较差，后者提升成形的同时也提升了生产成本，本文为780 MPa级别双相钢的工业生产提供了一种新的思路，同时解决了成形性与高成本的矛盾问题。

文章采用C-Si-Mn-Al-Cr系冷轧板作为实验用材，利用热模拟试验机、金相显微镜、拉伸试验机、试验室用二辊冷轧机等实验手段研究不同退火温度对组织与性能的影响、并模拟光整轧制力对性能的影响，研究结果对工业生产有重要的指导意义。

1 实验材料及方法

实验钢为热轧板经过总压下率为60%的4道次轧制之后制得的冷硬板。从冷轧板带钢中间部位切取30 mm×240 mm尺寸的试样若干个，进过酸洗去除表面油污之后，在Gleeble-3500热模拟试验机进行实验。试验钢成分如表1所示。

表1 试验钢成分组成 %

使用Jmatpro软件对该成分钢种的AC1、AC3进行热力学模拟计算，可根据铁素体向奥氏体的转化开始与完成情况判定两相区温度区间为686~910℃。

文献指出[3]，相变温度可以由以下公式得出；

经过（1）（2）（3）式的理论计算得出：Ms=412℃、AC1=691℃、AC3=922℃。

根据Jmatpro模拟计算与相变点经验公式所得结果，设定退火温度为接近临界区温度AC1+（20～30）℃范围，因此确定试验所需的退火温度区间720～860℃，退火温度步长设定20℃（见图1）。

图1 JmatPro模拟计算两相区温度

实验工艺采用两段式冷却，试样经一定加热速率升温至双相区（720～860℃），保温40 s，缓冷至某一温度（720～680℃）紧接着快冷至440℃，恒温30 s后直接快冷至室温。试验工艺设定如图2所示，热模拟实验方案见表2。

图2 热模拟实验工艺设定

表2 热模拟实验方案 ℃

退火后的试样经线切割切成5 mm×10 mm的小试样，并根据GB/T 228.1—2010的要求制备A50标准的拉伸试样，以备后续组织观察和力学性能检测。A50标准试样在Zwick Roell Z100型拉伸机进行拉伸实验以测定力学性能；5 mm×10 mm试样经过研磨、抛光之后在4%的硝酸酒精溶液浸蚀约8 s，使用AXIO Imager.A2 m金相显微镜（OM）观察金相组织。试样观察面如图3所示。

图3 试样观察面

2 实验结果与分析

2.1 均热温度对试验钢显微组织及力学性能的影响

2.1.1 均热温度对试验钢显微组织的影响

冷硬板经退火之后发生回复与再结晶，在此期间随着温度的升高，伴随着原始组织的奥氏体化，而再结晶铁素体、奥氏体的含量与形态是决定冷却之后最终组织与性能的重要因素。在低温阶段只发生冷硬态原始组织的回复，在此阶段以铁素体中亚结构的变化为主，并未产生再结晶晶核，同时退火过程未进入两相区，该温度下没有相变发生，只是原始组织的中亚结构的回复，因此随着温度的升高回复过程逐渐推进，典型的冷轧纤维组织内部应力逐渐降低。在冷却后的力学性能保留了之前的力学性能遗传性，产生了硬度逐渐降低的趋势。

图4为不同退火温度下的显微组织图。退火温度为720~860℃，步长设定20℃。图4-1 720℃、4-2 740℃还可明显看出有冷轧典型的纤维状组织的存在，并且存在大量原始的组织残留，铁素体与珠光体的纤维晶层状交错，在低温退火过程中，冷轧纤维状无法全部消除，两相区的初始阶段表现为铁素体的再结晶与奥氏体化同时进行，并且低温段主要发生铁素体的再结晶，高温段则是以铁素体的奥氏体化为主，因此低温段原始组织状态残留较为明显[4]；图4-3退火后组织状态出现明显变化，随着温度升高奥氏体化率提升，使得最终组织马氏体含量显著上升。此外铁素体的再结晶更加充分，形变铁素体向等轴铁素体转化明显；当温度达到760℃以上时马氏体占比显著增高，并且晶粒尺寸开始减小，说明随着温度的升高奥氏体化率逐步提高。同样由下页图5所示抗拉强度曲线可以看出试验钢性能随奥氏体化率的提升而显著增高。

图4 不同退火温度显微组织

2.1.2 均热温度对试验钢力学性能的影响

由于材料中添加了大量不溶于渗碳体的Si、Al等元素，在两相区退火过程中，原始组织中的C会大量的向奥氏体转移，使得奥氏体的稳定性大大提高。冷却过过程中以残余奥氏体的形式保留了下来。这种残留于室温的亚稳态奥氏体，是一种极具潜力的组织，该残余奥氏体在一定的载荷作用力下，会发生马氏体转变。变形过程中所造成的应力集中，由于马氏体的相变而使得应力集中得以松弛，该过程推移了颈缩的到来，提高了均匀延伸过程；同时，马氏体体积膨胀，提高了相邻铁素体的应变储能，位错增加，使得材料的强度升高[5]。

图5为不同均热温度下，实验钢的力学性能。图5中720℃、740℃温度下抗拉强度上升，屈服强度下降，同样表明该阶段主要进行着铁素体的再结晶，伴随两相区轻微的奥氏体化。铁素体的再结晶，由形变铁素体转化为等轴铁素体使得屈服强度降低；而一定量的奥氏体化使得材料在发生马氏体相变以后抗拉强度增高。740℃以后，随着温度升高强度不断提高。因为随温度的升高，奥氏体化率升高，马氏体体积分数增大，其流变应力、抗拉强度、屈服强度等均随着马氏体体积分数的升高而增大，同时伴随着温度的提高，固溶强化效果加强，即屈服强度提高的原因[6]。当温度到达820℃时，高温的加持使得奥氏体化足够充分，导致奥氏体中C浓度的降低，奥氏体稳定性降低，因此在冷却过程中出现部分贝氏体相变，随温度的提升，奥氏体稳定性逐渐降低，导致贝氏体相变越加明显，而性能上升不明显，伸长率在达到最高点18.5%之后转而下降，该情况会对材料的成形性非常不利。

图5 均热温度与性能的关系

2.2 缓冷温度对试验钢显微组织及力学性能的影响

2.2.1 缓冷温度对试验钢显微组织的影响

图6为不用缓冷温度下试验钢的显微组织，缓冷温度设定五个不同冷却值分别为720℃、710℃、700℃、690℃、680℃。对于双相钢来说，缓慢冷却是一个伴随有取向附生铁素体析出与固溶元素向奥氏体富集的过程。该阶段不仅起到净化铁素体，稳定奥氏体的作用，最重要的是调节原始奥氏体与铁素体的比例，进而调整材料的最终强度。缓冷过程中铁素体优先从奥氏体晶界析出，并且逐渐扩展长大。随着缓冷温度的降低，铁素体的析出量逐步增多，相反，奥氏体的含量会由于相转变而逐渐减少。缓冷温度由720℃到680℃的转变过程可以看出，马氏体（黑色）的量逐渐减少，而铁素体（白色）量逐渐增多，原因为原始奥氏体的量随着缓冷温度的降低在持续减少，而导致最终组织中马氏体的量同步减少，马氏体的量减少是造成强度降低的主要原因。

图6 不同缓冷温度显微组织

2.2.2 缓冷温度对试验钢力学性能的影响

缓冷阶段主要发生铁素体的析出，以及伴随有固溶元素的转移。由于碳在奥氏体中的溶解度要比在铁素体中高的多，因此在缓冷过程中，新生铁素体的析出使得C、Mn等元素向奥氏体富集，该过程既净化了铁素体，又提高了奥氏体的稳定性[7]，因此缓冷是一个协调材料变形与强度的重要过程。图7为不同缓冷温度对试验钢力学性能的影响。从图7中看可以看出，不同缓冷温度下试验钢的抗拉强度相差不大，仅在缓冷700℃时，出现最高点；不同缓冷温度下屈服强度则有明显的差异，当温度高于700℃后，由于缓冷温度的提高，导致缓冷过程中新生铁素体的占比减少，强度较高，而低温缓冷时析出的附生铁素体含量升高，强度略微降低。

图7 缓冷温度与性能的关系

3 光整机对力学性能的影响

实际生产过程都会添加光整工艺，光整一般起到改善板型，提高镀锌表面质量，提高屈服强度的作用。实验采用二辊冷轧机模拟光整过程对试验钢力学性能的影响。试样采用退火均热温度为800℃、缓冷温度为700℃宽度为30 mm的热模拟试样，试验试样强度Rm=837 MPa，RP0.2=377 MPa。

光整机轧制力满足以下经验公式：

式中：F为轧制力，kN；K为比例系数；d为钢板宽度，mm。

选取5个试样进行光整工艺模拟，且设定5个不同K值以选取最佳工艺。根据经验公式设定轧制力参数如表3，图8为不同K值对试验钢力学性能的影响。

表3 轧制力参数设定

图8 不同K值对试验钢力学性能的影响

图8中可以看出不同的轧制参数K值对抗拉强度影响不大，但对屈服强度具有明显的影响。双相钢本身就具有较高的初始加工硬化能力，在光整过程中光整机的轧制压力使得材料产生一定的加工硬化，因此屈服强度随轧制力F的提升而随之增高。由试验结果可以看出，钢板宽度d固定时，屈服强度值随K值呈线性变化并得出线性拟合公式：

由此可以得出轧制力F与RP0.2的关系式：

因此，可以认为在生产不同屈強比（屈服强度与抗拉强度的比值）的780 MPa级别钢种时所对应的K值不同，即此结论中K值的选取为实际产线生产提供了有利的指导意义。

4 结论

1）该780 MPa级双相钢退火后的组织组成为铁素体+马氏体。

2）试验钢随着退火温度的升高，首先进行回复与再结晶，并且在740℃完成完全再结晶。当退火温度为800℃时综合力学性能最优，Rm=837 MPa，RP0.2=377 MPa，强塑积=15.9 Gpa%。

3）光整轧制力对屈服强度的贡献极大，对抗拉强度无显著影响。通过实验找出了轧制力F、试验钢宽度d与屈服强度RP0.2之间的关系式，为工业生产提供了一定的理论支撑。