楊文卿，師可新，董軍海，孫勝輝，蔡明暉,，張曉明，丁 樺,

(1. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學(xué) 遼寧省輕量化用關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819；3. 唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000；4. 東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

汽車大梁作為汽車底盤結(jié)構(gòu)的主要承載部件，其綜合性能很大程度上影響汽車的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前，汽車大梁鋼的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)歷了強(qiáng)度從低(420L)到高(510L、610L)的過程，在合金成分設(shè)計(jì)上大多數(shù)采用降低碳含量，并加入釩、鈮、鈦等合金元素的方法[1-5]。某企業(yè)提供的TCX610L汽車大梁鋼中Nb含量較高，超過0.05wt%，實(shí)際生產(chǎn)中往往由于連鑄或熱軋工藝控制不合理引起熱軋板表面出現(xiàn)紅銹、翹皮等缺陷，這些缺陷一般要通過后續(xù)的酸洗工藝去除，不僅會(huì)增加工序和成本、降低生產(chǎn)效率，還會(huì)產(chǎn)生大量的廢酸，造成極大的能源消耗和環(huán)境污染，嚴(yán)重制約汽車大梁鋼在汽車制造行業(yè)中的應(yīng)用與推廣[3]。

研究表明，在低硅鋼中適當(dāng)增加硅含量可改善鋼板的抗氧化能力并優(yōu)化氧化皮結(jié)構(gòu)，對(duì)改善軋輥氧化膜的質(zhì)量也至關(guān)重要[6-7]。另外，Nb對(duì)鋼材軋制時(shí)的變形抗力影響較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，通過降低Nb含量、提高終軋溫度能有效改善鋼材的表面質(zhì)量。相比于Nb，價(jià)格較為低廉的Ti對(duì)軋制時(shí)的變形抗力影響較小，有利于提高軋輥壽命。采用以Ti代Nb的技術(shù)路線，可降低軋制時(shí)的變形抗力，提高鋼材的表面質(zhì)量。此外，含Nb鋼析出的碳氮化合物易在奧氏體晶界偏聚，在后續(xù)沖壓變形過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致變形開裂，而Ti的添加可改善Nb的偏聚效應(yīng)，有利于析出更多細(xì)小彌散的化合物[8]。添加微合金元素的作用不僅是細(xì)晶強(qiáng)化，F(xiàn)unakawa等[9]以Ti-Mo微合金鋼為基礎(chǔ)成功開發(fā)了一種具有良好擴(kuò)孔性能的高強(qiáng)鋼，并將其商業(yè)命名為“NANOHITEN”，這類鋼的特征在于鐵素體基體上分布著大量尺寸約為3 nm的相間析出物，對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可達(dá)300 MPa。有研究表明，相間析出碳化物具有NaCl型晶體結(jié)構(gòu)，通過Orowan機(jī)制計(jì)算得出的析出強(qiáng)化量均大于300 MPa[10]。 本文以某企業(yè)提供的TCX610L鋼的合金成分為基礎(chǔ)，采用“調(diào)Si、降Nb、加Ti”的合金設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合優(yōu)化的控制軋制和控制冷卻工藝(TMCP)，開發(fā)出一種兼顧良好綜合力學(xué)性能和高表面質(zhì)量的新型汽車大梁用610 MPa級(jí)低碳微合金鋼。在此基礎(chǔ)上，研究了合金成分和TMCP工藝參數(shù)對(duì)熱軋?jiān)囼?yàn)鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為高性能汽車大梁鋼的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼為高強(qiáng)度含Nb、Ti低碳微合金鋼，具體化學(xué)成分如表1所示。該鋼的碳含量較低(<0.08%)，以保證鋼材具有良好的成形性和焊接性能，還以TCX610L鋼的合金成分為參考，將Nb含量降低至0.02%～0.03%，調(diào)整Si含量和Ti含量。其中，Si可以擴(kuò)大鐵素體的形成范圍，有利于擴(kuò)大軋制工藝窗口，還可以縮小鐵素體與珠光體之間的硬度差，提高鋼板的擴(kuò)孔性能[11]。另外，通過Ti的析出強(qiáng)化來彌補(bǔ)Nb含量下降所造成的強(qiáng)度損失。試驗(yàn)鋼在真空感應(yīng)爐中冶煉，然后澆鑄成50 kg鋼錠。將鋼錠加熱至1200 ℃保溫2 h，隨后鍛造成橫截面尺寸為100 mm×32 mm的鋼坯，然后進(jìn)行TMCP工藝操作：將鋼坯加熱至1230 ℃保溫1 h，粗軋開軋溫度為1150 ℃，終軋溫度880 ℃，經(jīng)5道次熱軋得到3.5 mm厚鋼板，總軋制壓下量為89.7%。隨后，分別以空冷(AC)和水冷(WC，15～20 ℃/s)的方式冷卻至630 ℃，迅速放入爐中保溫15 min模擬卷取，然后爐冷(FC)至室溫，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)鋼TMCP工藝流程示意圖Fig.1 Schematic illustration of TMCP process for the tested steels

熱軋后的試樣經(jīng)研磨拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕7 s，用GX51型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察組織形貌。利用Oxford Nordlys F+型電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)測(cè)量鐵素體平均晶粒尺寸并繪制晶界取向分布圖。采用Tecnai F20型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(TEM)觀察和分析析出相的尺寸、形狀和分布。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，沿板材軋向線切割加工出標(biāo)距為50 mm拉伸試樣，在SANACMT5000電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為3 mm/min,取3次測(cè) 量結(jié)果的平均值作為拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)GB/T 15825.4—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 第4部分：擴(kuò)孔試驗(yàn)》，通過線切割加工成95 mm×95 mm的矩形擴(kuò)孔試樣，然后在試樣中間處沖制直徑d0=10 mm的圓孔，然后用BCS-50AR熱環(huán)境通用板材成型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)。試驗(yàn)采用平底凸模法，凸模運(yùn)動(dòng)速度為6 mm/min，壓邊力為100 kN，控制載荷為15 kN，潤滑劑為機(jī)油硝酸甘油。試驗(yàn)時(shí)，將中心帶有預(yù)制圓孔的試樣置于凹模與壓邊圈之間壓緊，將凸模通過試樣的圓孔壓入凹模迫使圓孔直徑不斷脹大，直至圓孔邊緣局部發(fā)生開裂，停止凸模運(yùn)動(dòng)并測(cè)量試樣孔徑的最大值dfmax和最小值dfmin，計(jì)算出圓孔脹裂后的平均直徑df=1/2(dfmax+dfmin)和擴(kuò)孔率λ=(df-d0)/d0×100%，最終取兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終擴(kuò)孔性能數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相變熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算

以04Si-06Ti試驗(yàn)鋼為例，采用JMatePro軟件計(jì)算試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT)和等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT)，如圖2所示。綜合分析可知，當(dāng)冷卻速度控制在15～20 ℃/s時(shí)，奧氏體→鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度約為780 ℃。因此，試驗(yàn)鋼在精軋終軋后，應(yīng)在低于780 ℃進(jìn)行適當(dāng)控冷，保證形成一定量的先共析鐵素體，這對(duì)改善試驗(yàn)鋼的伸長(zhǎng)率和成形性非常有利；同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行快冷至卷取溫度，使鐵素體基體中的微合金元素析出更多的細(xì)小碳化物粒子，以增加鐵素體基體的強(qiáng)度。

圖2 JMatePro計(jì)算所得04Si-06Ti鋼的CCT曲線(a)和TTT曲線 (b)Fig.2 JMatePro-calculated CCT curves(a) and TTT curves(b) of the 04Si-06Ti steel

2.2 OM組織分析

圖3為試驗(yàn)鋼熱軋后水冷或空冷至卷取溫度時(shí)的顯微組織?？梢钥闯?，試驗(yàn)鋼的顯微組織由多邊形鐵素體(白色基體)和細(xì)小彌散的珠光體(黑灰色區(qū)域)組成。這是由于在水冷條件(15～20 ℃/s)下，奧氏體在冷卻過程中分別經(jīng)過鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域，因此過冷奧氏體除了轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體外，還有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的珠光體，這對(duì)改善試驗(yàn)鋼的塑性和成形性有一定的益處。

圖3 熱軋后不同方式冷卻至卷取溫度時(shí)試驗(yàn)鋼的顯微組織(a～d)和鐵素體晶粒尺寸分布(e～h)(a,e)01Si-03Ti鋼, 水冷;(b,f)04Si-03Ti鋼, 水冷;(c,g)04Si-06Ti鋼, 水冷;(d,h)04Si-06Ti鋼, 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

對(duì)比圖3(a, b)可知，Si含量的增加提高了組織中鐵素體的體積分?jǐn)?shù)，并使鐵素體形態(tài)趨于等軸化。這主要是因?yàn)镾i作為一種非碳化物形成元素，能加速C從鐵素體向奧氏體的擴(kuò)散，提高鐵素體的相變驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)等軸鐵素體的析出[12]。對(duì)比圖3(b, c)可知，隨著Ti含量的增加，試驗(yàn)鋼中鐵素體的晶粒尺寸明顯細(xì)化，且更為彌散細(xì)小的珠光體均勻分布在鐵素體三叉晶界附近。由圖3(c, d)可知，當(dāng)冷卻方式由水冷改變?yōu)榭绽鋾r(shí)，試驗(yàn)鋼組織中鐵素體的晶體尺寸較為粗大，珠光體的尺寸也較大且體積分?jǐn)?shù)較高。

2.3 TEM組織分析

析出強(qiáng)化Orwan機(jī)制表明，析出相的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，其尺寸越細(xì)小，析出強(qiáng)化效果越顯著。傳統(tǒng)的納米級(jí)析出物的尺寸多在幾十個(gè)納米，限制了析出強(qiáng)化的效果[13]。由圖3可知，試驗(yàn)鋼采用Nb-Ti復(fù)合微合金化并通過合理的控扎控冷工藝，將析出物的晶粒尺寸控制在1～10 nm，能夠獲得良好的綜合力學(xué)性能。圖4和表2為試驗(yàn)鋼熱軋后水冷或空冷至卷取溫度時(shí)的TEM分析，可以看出，試驗(yàn)鋼的析出方式為相間析出和彌散析出兩種，析出物主要為Ti和Nb的碳氮化合物(如圖4(e,f)所示)。相比于01Si-03Ti和04Si-03Ti鋼，04Si-06Ti鋼水冷時(shí)的析出粒子尺寸d最小(5.44 nm)，行間距l(xiāng)最小(26.25 nm)，體積分?jǐn)?shù)fv最高(0.45%)，其原因主要是NbN在高溫下析出時(shí)的尺寸較大，并發(fā)生明顯的偏聚現(xiàn)象，而Ti與N具有強(qiáng)烈的結(jié)合傾向，提高Ti的含量會(huì)固定更多的N，從而抑制NbN的高溫析出，并促進(jìn)Nb在較低溫度下析出更多細(xì)小的化合物，不僅能彌補(bǔ)Nb含量減少帶來強(qiáng)度的降低，還能改善Nb在高溫析出造成動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶溫度升高而使變形抗力增高的問題。

圖4 熱軋后不同方式冷卻至卷取溫度時(shí)試驗(yàn)鋼中析出相的TEM分析(a)01Si-03Ti鋼,水冷;(b)04Si-03Ti鋼, 水冷;(c)04Si-06Ti鋼, 水冷;(d)04Si-06Ti鋼, 空冷;(e,f)析出相衍射圖譜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 試驗(yàn)鋼中析出物的平均尺寸(d)、體積分?jǐn)?shù)(fv)以及行間距(l)

2.4 EBSD晶粒取向分析

圖5為試驗(yàn)鋼熱軋后水冷或空冷至卷取溫度時(shí)軋向縱剖面晶體學(xué)取向的EBSD標(biāo)定及取向分布圖，其中藍(lán)線代表<15°的小角度晶界，紅線代表>15°的大角度晶界。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，01Si-03Ti鋼和04Si-03Ti鋼水冷時(shí)的大角度晶界占比分別為70.6%和81.8%，而Ti含量更高的04Si-06Ti鋼水冷和空冷時(shí)的大角度晶界占比均明顯升高，分別為90.2%和89.3%。大小角度晶界對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙的大小上。一般而言，金屬材料的變形都是不均勻的，位錯(cuò)在特定的低剪切力的原子面上滑動(dòng)引起塑性變形。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)直接越過晶界進(jìn)入相鄰晶粒的可能性非常小，對(duì)于大角度晶界來說，最優(yōu)滑移面之間的角度很大，致使位錯(cuò)在晶界處塞積，從而使強(qiáng)度升高[14]。

2.5 力學(xué)性能

圖6為試驗(yàn)鋼熱軋后水冷或空冷至卷取溫度時(shí)的力學(xué)性能?？梢钥闯?，01Si-03Ti、04Si-03Ti、04Si-06Ti鋼水冷時(shí)的抗拉強(qiáng)度分別為600、580、630 MPa，伸長(zhǎng)率均高于20%，且04Si-06Ti鋼空冷時(shí)的力學(xué)性能與水冷時(shí)差別不大，完全滿足不同強(qiáng)度級(jí)別的汽車用大梁鋼的性能指標(biāo)(如表3所示)。

相比而言，01Si-03Ti和04Si-03Ti鋼水冷時(shí)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較低，其原因可能是這兩種試驗(yàn)鋼中微合金元素Ti含量相對(duì)較低，在冷卻過程中析出的碳氮化物較少，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙作用較小，造成析出強(qiáng)化效果偏弱[15]。由于04Si-06Ti鋼中Ti含量較高，

表3 不同級(jí)別汽車大梁鋼的力學(xué)性能要求

析出強(qiáng)化效果顯著。需要強(qiáng)調(diào)的是，這種(Ti, Nb)C粒子多屬于相間析出型粒子，彌散分布于鐵素體基體中，憑借其彌散、細(xì)小、與基體共格等特點(diǎn)，能夠顯著提高鋼鐵材料的強(qiáng)韌性[16]。

2.6 擴(kuò)孔性能

擴(kuò)孔率(λ)反映材料在成形過程中的翻邊凸緣性能，很大程度上取決于基體中軟硬兩相之間的硬度差[17]。相較于傳統(tǒng)的鐵素體+貝氏體或鐵素體+馬氏體組織，經(jīng)析出物強(qiáng)化后的鐵素體與珠光體之間的硬度差較小，具有更為優(yōu)異的擴(kuò)孔性能。表4為試驗(yàn)鋼熱軋后水冷或空冷至卷取溫度時(shí)的擴(kuò)孔率。可以看出，相對(duì)于01Si-03Ti鋼，04Si-03Ti和04Si-06Ti鋼中添加了更多的Si，其擴(kuò)孔率也相對(duì)較高。這是由于Si可以在鐵素體中固溶，提高鐵素體的強(qiáng)度和硬度，減小鐵素體與珠光體之間的硬度差，因此對(duì)擴(kuò)孔成形性能具有一定的改善作用[1]。值得注意的是，盡管04Si-06Ti鋼水冷時(shí)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較高(見圖6)，但成形性能并未出現(xiàn)明顯的降低，這主要取決于兩個(gè)方面：①納米析出相顯著增加鐵素體基體的強(qiáng)度，從而降低了其與珠光體之間的硬度差；②高Ti鋼中析出更多納米碳化物的同時(shí)，會(huì)使基體中的C含量降低，從而對(duì)鐵素體基體有一定的“凈化”效果，改善鐵素體的塑韌性[18]。

表4 熱軋后不同方式冷卻至卷取溫度時(shí)試驗(yàn)鋼的擴(kuò)孔率λ

綜合以上分析可知，04Si-06Ti鋼水冷時(shí)的綜合力學(xué)性能較好，屈服強(qiáng)度為539 MPa, 抗拉強(qiáng)度為633 MPa，伸長(zhǎng)率為20.5%，擴(kuò)孔率為66.4%，力學(xué)性能和成形性能可滿足汽車大梁用610L鋼的性能要求。

3 結(jié)論

1) 采用“調(diào)Si、降Nb、加Ti”的合金設(shè)計(jì)理念，開發(fā)出一種綜合性能良好的610 MPa級(jí)汽車大梁用Ti-Nb-Si 系低碳微合金鋼，其屈服強(qiáng)度為539 MPa, 抗拉強(qiáng)度為633 MPa，伸長(zhǎng)率為20.5%，擴(kuò)孔率為66.4%。

2) 隨著Ti含量的增加，試驗(yàn)鋼中鐵素體的晶粒尺寸明顯細(xì)化，生成更多細(xì)小彌散的析出物。析出物有相間析出和彌散析出兩種類型，且以相間析出為主，顯著提高了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度水平，且韌塑性下降不明顯。