高强汽车板DP780镀锌过程中的组织转变及相变

如今汽车的产销量越来越大,中国已经是世界第一大汽车市场。随着人们对环境保护越来越重视,汽车的排放要求越来越严格,于是就要求汽车减重以进一步降低排放。高强钢、超高强钢的使用对汽车减重有着明显的效果,因此使用越来越广泛。其中双相高强钢具有低屈强比、高初始加工硬化率、强度和塑性配合良好的优点,已经发展成为汽车用钢的主流。双相钢主要通过连续退火和镀锌线生产,其中镀锌线的产品耐蚀性要好于连退线。对于镀锌线生产来说,其均热温度(或叫退火温度)是影响镀锌后双相钢的组织与性能的最重要因素,因此,本文主要研究了镀锌工艺中的均热温度对DP780的组织、性能和相组成的影响。

本试验采用冷轧板,成分如表1所示。

表1 试样的化学成分

试样的尺寸为240mm×30mm,使用Gleeble 3500热模拟试验机,分别进行不同均热温度的镀锌工艺模拟。模拟结束后试样用线切割加工成拉伸试样,使用Zwick Z100拉伸试验机检测试样的力学性能,使用金相显微镜和蔡司场发射扫描电子显微镜观察试样的金相组织。在进行热模拟试验的同时,使用膨胀仪检测试样的相变。

镀锌均热温度对DP780性能的影响

试验采用的镀锌工艺如图1所示。由图可见,高强汽车板的镀锌工艺可以分为:预热段、加热1段、加热2段、均热段、缓冷段、快冷段、均衡段、后冷却段。本次试验改变均热段的均热温度,变化范围为600~860℃。

图1 镀锌工艺

热模拟试验完成后检测其力学性能,结果如图2所示。

图2 不同均热温度下的性能

随着均热温度的升高,DP780的性能变化有着很强的规律性。可以将均热温度对性能的影响分为三个阶段:⑴600~660℃,随着均热温度的升高,钢的强度缓慢降低,伸长率(A50)不变,且屈强比不变,始终为1。此阶段为回复或少量再结晶阶段,均热温度的变化对性能影响不大;⑵660~700℃,随着均热温度的升高,强度急剧下降,且伸长率升高,屈强比稍有降低。可以认定此阶段为再结晶阶段,均热温度的升高使得再结晶更加充分,因此对性能产生了较大影响。但是要注意,此阶段再结晶并没有完全结束;⑶700~860℃,此阶段为双相阶段,双相钢的低屈强比的特性开始表现出来。而在700~740℃区间屈强比随着均热温度的升高而降低,和此时的马氏体量较少有关。均热温度超过740℃,屈强比不随均热温度的变化而变化。

镀锌过程中的相变

为了研究DP780在不同镀锌工艺处理后的相组成,进行了镀锌过程的相变研究。目前,研究相变通常采用线膨胀测量技术,且是目前研究固态相变最有效的手段之一。下面我们依次观察DP780在不同均热温度下的相变情况。

图3所示为DP780经过加热到1000℃后再冷却至室温的过程中发生的相变情况。由图可见,在加热过程中,在A点开始发生相变,此时的温度为720℃。随着温度继续升高,到达B点时相变基本结束,随后在冷却的过程中,BC段不发生相变,到达C点时是镀锌工艺中的均衡段,在此温度(460℃)等温过程中发生相变(CD段),在随后的后冷却段相变结束,直至室温。在此可以认定1000℃时钢已经完全奥氏体化,所以此时试样的膨胀量ab为钢完全奥氏体化时的膨胀量,其他温度时试样的膨胀量与之对比即可认为是此温度下的奥氏体化量。

图3 1000℃时的相变

从图4可以看出,均热温度700℃时,试样的尺寸随着均热温度呈现线性关系,因此可以认定,在700℃和以下温度,DP780只发生回复和再结晶,不发生相变。

图4 700℃时的相变

由图5和图6中可见,均热温度为720℃时钢只有很少的奥氏体相变(ab=4μm),740℃时相变量稍有增加(ab=10μm),因此,这两个均热温度下奥氏体化率分别为2.2%(计算方法为4μm/180μm)和5.6%。在冷却至室温的过程中可以认为发生相变的奥氏体全部转变为马氏体,即发生转变的奥氏体过冷相变产物中马氏体含量为100%,

对于均热温度760~860℃时的相变情况,用和上文同样的方法计算其奥氏体化率和冷却过程中各相的比例,计算结果见图7。此时有一个情况需要说明,即奥氏体化时的尺寸变化和冷却过程中的尺寸变化不一定完全相同,因为试验中膨胀仪的轻微抖动可能产生以下误差,而且体心立方和面心立方金属的热膨胀系数也不相同,因此,依据图3~图6计算的试验结果有一定的误差,只作为趋势性研究。

图5 720℃时的相变

图6 740℃时的相变

从图7可以发现如下信息:⑴奥氏体化量随着均热温度的升高而急剧升高,这个符合铁碳相图中的杠杆定律;⑵马氏体在不同均热温度下始终存在,说明DP780的过冷奥氏体稳定性并不差。镀锌工艺冷却过程中在460℃等温后也能得到马氏体,究其原因是因为Mo元素的溶质拖曳作用,降低了C原子的扩散速度,从而推迟了相变的发生,使得过冷奥氏体稳定下来,在低温下发生了马氏体相变;⑶随着均热温度的升高,贝氏体的含量逐渐增多,且820℃时开始出现高温转变产物——铁素体。且随着均热温度的升高,铁素体的含量逐渐增多。众所周知,奥氏体的稳定性与碳含量和合金元素含量相关。根据杠杆定律,若奥氏体化温度低,奥氏体量少,此时由于周边铁素体的形成,奥氏体的含碳量是很高的,因此,此时奥氏体的稳定性是很高的,这就解释了在低温奥氏体化时只有马氏体和很少量贝氏体的原因。当奥氏体化温度升高时,虽然奥氏体量增加,但奥氏体的整体含碳量降低,奥氏体的稳定性下降,所以,在高奥氏体化温度下的转变产物出现了铁素体,且贝氏体量也逐渐增多。

图7 不同均热温度下奥氏体化比例和冷却后各相比例

不同镀锌工艺的组织

钢的组织决定性能,而金相组织就是钢的组织的最直观反映。金相组织往往结合性能一起分析才更有意义,而且,结合不同均热温度下的相变,会对组织演变的理解更深刻。

试验发现,在温度升高的过程中,钢的强度逐渐减低,这是由于回复和再结晶导致的。均热温度从600℃升至640℃的过程中,没有观察到再结晶的发生,因此,强度降低的缓慢。当均热温度继续升高,660℃时开始出现再结晶晶粒(图8)。680℃和700℃的再结晶晶粒趋于明显,因此强度下降变快,这和图2中的性能变化是相符的。

图8 均热温度660℃

当均热温度继续升高,720℃时已经发生了少量的马氏体相变,如图9中白亮处。由图可见,马氏体的形成部位在铁素体晶界处,但由于加热温度低,奥氏体相变量少,因此冷却后形成的马氏体量也很少。另外,还可以看到此时的铁素体并没有完全再结晶,组织中仍可以看到条状铁素体,这和图2中的性能曲线是对应的。从图2中可以看到,均热温度在700℃以下,随着均热温度的升高,强度是一直下降的(若在某一温度发生了完全再结晶,那么其强度会随着均热温度的升高而不再降低,变化趋于平缓),当均热温度超过了720℃后即进入了双相钢阶段,强度又随着均热温度的升高而升高,因此没有观察到完全再结晶阶段。观察图9还可以发现,铁素体组织中有很多白色点状物,为碳化物。正是由于碳化物的存在,阻止了铁素体的再结晶,使其再结晶推迟到了双相钢阶段。

图9 均热温度720℃

当均热温度升高到740℃时,组织仍然只有马氏体和铁素体,但此时马氏体量略有增多,且铁素体形貌已经趋于等轴状,因此可以认为,此时的铁素体已经完全再结晶(图10)。

当均热温度在760~800℃时,贝氏体组织开始出现,但因为均热温度升高了,导致奥氏体化量也增多,因此马氏体并未减少。试验中还可以发现,组织中马氏体都围绕在贝氏体周围。这是由于C原子在奥氏体中的扩散速度比在铁素体中的扩散速度小得多,因此,在双相区保温时,虽然C原子由铁素体扩散到了奥氏体中,但是在奥氏体中的扩散速度很小,不能长程扩散,因此都集中在奥氏体晶界附近。C原子的含量又对奥氏体的淬透性有很大影响。由于奥氏体晶粒在靠近晶界处的C含量升高,过冷奥氏体的稳定性增强,因此在冷却过程中转变成了马氏体,而其他部位由于稳定性略差,在镀锌均衡段转变成了贝氏体。

图10 均热温度740℃

结论

⑴随着镀锌均热温度的升高,DP780的性能表现出明显的规律性。

⑵DP780的完全再结晶温度为740℃,且此时已经是双相组织。

⑶用膨胀仪研究了DP780不同均热温度镀锌的相变,结果表明,均热温度在760℃以下时,发生转变的组织中只有马氏体;760~820℃时,发生转变的组织中有马氏体和贝氏体;820℃以上时有马氏体、贝氏体和铁素体,且各项比例随着均热温度的变化而变化。

您可能还会对下面的文章感兴趣: