980 MPa級(jí)汽車薄板鋼慢速率拉伸研究

萬榮春

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105)

延遲開裂是材料在靜止應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時(shí)間后突然脆性破壞的一種現(xiàn)象，是材料－環(huán)境－應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化[1-3]。目前實(shí)驗(yàn)室所采用的加速型延遲開裂試驗(yàn)方法大致為：恒載荷試驗(yàn)、慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）、恒應(yīng)變（彎梁）試驗(yàn)和斷裂力學(xué)試驗(yàn)，其中采用比較廣泛的是慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）方法，該方法能準(zhǔn)確地反映材料的氫致延遲開裂的敏感性[4-6]，但慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)分散，對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別鋼的延遲開裂性能也不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

本文利用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)方法研究DP980、QP980和TWIP980三種980 MPa強(qiáng)度級(jí)汽車薄板鋼延遲開裂性能，并觀察試驗(yàn)鋼顯微組織，分析試驗(yàn)鋼的延遲斷裂性能與其組織之間的聯(lián)系，為980 MPa及以上級(jí)別超高強(qiáng)鋼在汽車工業(yè)的廣泛應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

三種980 MPa強(qiáng)度級(jí)別試驗(yàn)鋼牌號(hào)分別為：DP980、QP980和TWIP980，具體化學(xué)成分如表1所示。DP980和QP980鋼化學(xué)成分基本接近，QP980鋼的Si含量（1.37%） 高于DP980鋼的Si含量（0.54%）。TWIP980鋼的化學(xué)成分與其他兩種試驗(yàn)鋼差別較大，C含量和Mn含量較高，C含量到達(dá)0.52%，Mn含量達(dá)到18.57%，Mn含量高的目的是為了獲得單一的奧氏體組織。

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

對(duì)980 MPa級(jí)汽車鋼的板材進(jìn)行取樣，沿軋制方向?qū)⒃嚇幽テ?、拋光，?%的硝酸酒精浸蝕，利用蔡司EVO 15掃描電子顯微鏡對(duì)試樣顯微組織進(jìn)行觀察分析。

對(duì)980 MPa級(jí)汽車鋼的板材進(jìn)行取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB/T 228—2010），慢應(yīng)變速率拉伸試樣尺寸如圖1所示，試樣總長(zhǎng)160 mm，標(biāo)距段長(zhǎng)度80 mm，寬為6 mm，厚度隨汽車鋼的板材原始厚度，試樣表面打磨到800#砂紙，同一試驗(yàn)條件下三個(gè)平行試樣。利用WAW-600萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行慢速率拉伸試驗(yàn)（SSRT），試樣浸泡在5%NaCl溶液和空氣中，同時(shí)以1×10-3 s-1（空氣中） 和1×10-5 s-1（5%NaCl溶液中） 應(yīng)變速率拉伸試樣，直至試樣斷裂。

圖1 試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

如圖2所示為三種980 MPa級(jí)汽車鋼的顯微組織。DP980鋼的組織主要為鐵素體（F） 及島狀馬氏體（M），QP980鋼的組織主要為板條馬氏體、鐵素體以及馬氏體板條間的島狀殘留奧氏體（A’）。如圖2（a） 和（b） 所示，鐵素體組織相對(duì)容易腐蝕為圖中形貌凹部分組織，馬氏體組織相對(duì)不容易腐蝕為圖中形貌凸部分組織。DP980鋼與QP980鋼中的馬氏體組織形貌不大相同，DP980鋼中為島狀馬氏體，QP980鋼中為板條狀馬氏體。TWIP980鋼的組織為單一奧氏體，在奧氏體組織內(nèi)部可以觀察到有大量退火孿晶，如圖2（c）所示。此外，組織中仍然保留軋制流線型變形帶，這些由于冷軋后保留下來的流線變形帶，在低溫退火過程中不容易消失，層狀的分布結(jié)構(gòu)對(duì)材料的強(qiáng)度和塑性都有重要的影響。

圖2 試驗(yàn)鋼的顯微組織圖

2.2 慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

DP980、QP980和TWIP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3（a） 中可以看出，在5%NaCl溶液中，DP980、QP980和TWIP980鋼的斷裂時(shí)間依次增加。DP980和QP980鋼斷裂時(shí)間在100秒左右，TWIP980鋼的斷裂時(shí)間明顯大于其他兩種鋼，達(dá)到400秒。同樣，在空氣中DP980、QP980和TWIP980鋼的斷裂時(shí)間依次增加，DP980和QP980鋼斷裂時(shí)間在150秒左右，TWIP980鋼的斷裂時(shí)間明顯大于其他兩種鋼，接近600秒。在5%NaCl溶液和空氣中，TWIP980鋼的斷裂時(shí)間遠(yuǎn)大于DP980和QP980鋼。再看圖3（b），可發(fā)現(xiàn)斷后伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律和斷裂時(shí)間一樣，在5%NaCl溶液和空氣中，DP980、QP980和TWIP980鋼的斷后伸長(zhǎng)率依次增加，DP980和QP980鋼的斷后伸長(zhǎng)率在10%～15%之間，TWIP980鋼的斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到50%左右。根據(jù)試驗(yàn)鋼在介質(zhì)中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率，可以判斷出DP980、QP980和TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能也是依次變好，TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能最好。

圖3 試驗(yàn)鋼慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 所示為DP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看到在空氣和5%NaCl溶液中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本類似，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率也基本一致，只是在5%NaCl溶液中略小些，這表明5%NaCl溶液對(duì)DP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響甚微。圖5所示為QP980在空氣和5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看到在空氣和5%NaCl溶液中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本類似，但相似程度低于DP980鋼。QP980鋼在5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段明顯短于其在空氣中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段，QP980鋼在5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段基本消失。這也可以從QP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率變化得到印證，QP980鋼在5%NaCl溶液中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率低于其在空氣中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率，這表明5%NaCl溶液對(duì)QP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響明顯。圖6所示為TWIP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖中可以看到在空氣和5%NaCl溶液中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本類似，但相似程度低于DP980鋼而高于QP980鋼。TWIP980鋼在5%NaCl溶液中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段略短于其在空氣中應(yīng)力應(yīng)變曲線的頸縮階段，這也可以從TWIP980鋼在空氣和5%NaCl溶液中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率變化得到印證，TWIP980鋼在5%NaCl溶液中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率低于其在空氣中的斷裂時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率，這表明5%NaCl溶液對(duì)QP980鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響較明顯。總體來講，5%NaCl溶液對(duì)試驗(yàn)鋼慢應(yīng)變速率拉伸的性能影響程度，DP980鋼、TWIP980鋼和QP980鋼是依次增大的。

圖4 DP980鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 QP980鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 TIWP980鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 所示為DP980、QP980和TWIP980鋼空氣中正常拉伸斷口。從圖7（a） 中可以發(fā)現(xiàn)DP980鋼拉伸斷口主要為解理斷口，在斷面上有明顯的河流花樣，塑性相對(duì)較低，這也可以從DP980鋼在空氣中的斷后伸長(zhǎng)率得到印證，其在空氣中的斷后伸長(zhǎng)率僅為11.1%。從QP980鋼的斷口形貌，如圖7（b）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)河流花樣解理面，還有大大小小圓形或橢圓形的韌窩出現(xiàn)，這屬于準(zhǔn)解理斷裂，其塑性好于解理斷裂，在空氣中QP980鋼的斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到12.8%高于DP980鋼。TWIP980鋼的斷口形貌，如圖7（c） 所示，主要是大大小小圓形或橢圓形的韌窩，屬于韌性斷裂，在空氣中TWIP980鋼的斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到50.3%，是三種試驗(yàn)鋼塑性最好的。

圖7 試驗(yàn)鋼空氣中拉伸的斷口形貌

此外，還利用掃描電鏡觀察了試驗(yàn)鋼慢速率拉伸試驗(yàn)后斷口形貌，如圖8所示，分別為DP980、QP980和TWIP980鋼在5%NaCl溶液中慢速率拉伸試驗(yàn)后的斷口形貌。5%NaCl溶液中拉伸試樣斷口形貌與空氣中拉伸試樣斷口形貌相比氧化現(xiàn)象比較明顯，在試驗(yàn)鋼斷口可以明顯看到腐蝕產(chǎn)物存在。從圖8（a） 中還可以發(fā)現(xiàn)DP980鋼的斷口形貌中解理面比較多，韌窩較少，屬于脆性斷裂，其在5%NaCl溶液中的斷后伸長(zhǎng)率僅為10.9%。QP980鋼的斷口形貌中大大小小圓形或橢圓形的韌窩增多，塑性變好，其在5%NaCl溶液中的斷后伸長(zhǎng)率約為13%。TWIP980鋼的斷口形貌和其在空氣中拉伸類似，如圖8（c）所示。主要是大大小小圓形或橢圓形的韌窩，屬于韌性斷裂，在5%NaCl溶液中TWIP980鋼的斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到50%以上，是三種試驗(yàn)鋼塑性最好的。此外，由于試驗(yàn)鋼斷口腐蝕產(chǎn)物存在，不利于斷口形貌更為細(xì)致觀察，如圖8（c）所示，在斷面上分布較多的腐蝕產(chǎn)物，在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)TWIP980鋼容易被腐蝕。

圖8 試驗(yàn)鋼在5%NaCl慢拉伸的斷口形貌

試驗(yàn)鋼的組織對(duì)其抗延遲斷裂性能會(huì)有重要影響，TWIP980鋼的組織為單一奧氏體組織，奧氏體的塑性好，在慢應(yīng)變速率拉伸速率相對(duì)大的時(shí)候，TWIP980鋼斷后伸長(zhǎng)率大優(yōu)勢(shì)變形明顯，抗延遲斷裂性能也相對(duì)最好。同樣，DP980鋼的組織主要為鐵素體和馬氏體，QP980鋼的組織主要為馬氏體、鐵素體以及殘留奧氏體。由于QP980鋼組織中存在殘留奧氏體，其塑性好于DP980鋼，在慢應(yīng)變速率拉伸速率相對(duì)大的時(shí)候，QP980鋼抗延遲斷裂性能好于DP980鋼。

3 結(jié)論

DP980鋼的組織主要為鐵素體及島狀馬氏體，QP980鋼的組織主要為板條馬氏體、鐵素體以及馬氏體板條間的島狀殘留奧氏體組織。TWIP980鋼的組織為單一奧氏體，在奧氏體組織內(nèi)部可以觀察到有大量退火孿晶。

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明DP980、QP980和TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能也是依次變好，TWIP980鋼的抗延遲斷裂性能最好。