熱沖壓成形后22MnB5鋼的組織與拉伸性能以及拉伸時的微觀形貌演變

袁昌望，黃加進(jìn)，鐘輝隆，李聲慈

(江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，贛州 341000)

0 引 言

熱成形鋼具有強度高、密度小、成型時回彈小等特點，主要應(yīng)用于汽車加強件，如車門防撞梁、保險杠梁、側(cè)邊梁、A柱B柱加強件和腰軌加強件等[1-3]。目前，有關(guān)熱成形鋼熱沖壓成形工藝參數(shù)、膨脹變形、高溫成形極限等方面的研究報道較多[4-8]，這些研究成果對熱成形鋼的發(fā)展起到了一定的指導(dǎo)作用，但是關(guān)于熱成形鋼斷裂行為的研究較為缺乏。斷裂是熱成形鋼構(gòu)件在汽車服役過程中的失效方式之一，具有較大危害性，而微裂紋的形成和擴展與材料顯微組織密切相關(guān)。常規(guī)的拉伸試驗方法無法直觀地判斷材料在斷裂過程中組織變化與裂紋發(fā)展的規(guī)律。原位拉伸試驗?zāi)軌驅(qū)崟r地觀察拉伸過程中材料表面組織演變和材料變形斷裂過程。但是，目前關(guān)于熱成形鋼的原位拉伸研究較為缺乏。為此，作者通過原位拉伸試驗研究了22MnB5熱成形鋼的組織與拉伸性能，以及拉伸時的微觀形貌演變。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的汽車用22MnB5熱成形鋼，主要化學(xué)成分見表1。該鋼經(jīng)冶煉、連鑄、熱軋、冷軋等工序生產(chǎn)制造，熱軋工藝參數(shù)為加熱溫度1 230 ℃、開軋溫度1 150 ℃、精軋溫度1 050 ℃、終軋溫度860 ℃、卷取溫度600 ℃；冷軋后鋼板厚度為1.2 mm。在冷軋態(tài)試驗鋼板上切取尺寸為260 mm×180 mm×1.2 mm(軋向)的板料，在奧氏體化溫度890 ℃下保溫5 min，轉(zhuǎn)移至2000KN四柱伺服壓力機的U形模上進(jìn)行熱沖壓成形，壓力為1 065 kN，保壓15 s。

表1 試驗鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在冷軋態(tài)鋼板和熱沖壓成形件上切取金相試樣，熱鑲后用砂紙依次磨至2000#，機械拋光至光亮后用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕10 s，在Axio Acope.A1型光學(xué)顯微鏡(OM)和MLA650型掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織。根據(jù)GB/T 228.1-2010制取板狀拉伸試樣，標(biāo)距段尺寸為25 mm×10 mm×1.2 mm，采用UTM5105型拉伸試驗機在拉伸速度4 mm·min-1下進(jìn)行拉伸試驗，各測3個平行試樣。

在熱沖壓成形件的中心位置線切割出如圖1所示的原位拉伸試樣，在試樣中間切割出最小橫截面，寬度為2.5 mm。原位拉伸試樣經(jīng)機械研磨、電解拋光、體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在裝有拉伸臺的JMS-6510型掃描電鏡中進(jìn)行拉伸，拉伸速度為0.2 mm·s-1。在試驗過程中自動記錄載荷-位移曲線，在拉伸過程中選擇某個時間點暫停試驗，觀察顯微組織和變形特征，然后繼續(xù)拉伸，直至最終斷裂。采用MLA650型掃描電鏡觀察拉伸斷口附近表面形貌和拉伸斷口形貌。

圖1 原位拉伸試樣尺寸

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 熱沖壓成形前后的顯微組織

由圖2可以看出，冷軋態(tài)試驗鋼(即熱沖壓成形前)的顯微組織為鐵素體和珠光體，熱沖壓成形后則全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體在局部范圍呈平行的板條狀，原奧氏體晶界與板條束界清晰。試驗鋼中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002 9%的硼元素和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.28%的錳元素，當(dāng)在890 ℃下完全奧氏體化、沖壓成形并快速冷卻時，硼元素會釘扎原奧氏體晶界阻礙鐵素體形核，防止鐵素體轉(zhuǎn)變；錳元素和適量的硼元素還能有效提高鋼的淬透性，使馬氏體轉(zhuǎn)變得更完全：因此，熱沖壓成形后試驗鋼獲得板條狀馬氏體組織。

圖2 試驗鋼熱沖壓前后的顯微組織

2.2 熱沖壓成形前后的拉伸性能

由圖3和表2可以看出：冷軋態(tài)試驗鋼在拉伸過程中出現(xiàn)輕微的屈服平臺和較寬的均勻變形區(qū)，熱沖壓成形后的試驗鋼在拉伸過程中則發(fā)生連續(xù)屈服，無屈服平臺，均勻變形區(qū)變窄；熱沖壓成形后試驗鋼的強度得到大幅提升，斷后伸長率則降低至熱沖壓成形前的1/3左右，但強塑積增大，這說明熱沖壓成形后試驗鋼的綜合力學(xué)性能較好[9]。

表2 試驗鋼熱沖壓成形前后的拉伸性能

圖3 試驗鋼熱沖壓成形前后的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

結(jié)合組織分析可知，冷軋態(tài)試驗鋼在熱沖壓成形過程中發(fā)生馬氏體相變，馬氏體相變導(dǎo)致的體積膨脹誘發(fā)大量可動位錯，在較低應(yīng)力的作用下位錯源激活，使得試驗鋼表現(xiàn)出連續(xù)屈服現(xiàn)象；這種特性有利于避免鋼板在成形過程中發(fā)生表面起皺[10]。此外，試驗鋼中的碳原子能起到較好的間隙固溶強化作用，錳元素和適量的硼元素能提高鋼的淬透性，從而提高馬氏體的強化效果[2]，因此熱沖壓成形后試驗鋼的強度增加。

2.3 拉伸過程中微觀形貌演變

圖4為熱沖壓成形后的試驗鋼在原位拉伸過程中的載荷-位移曲線。分別在拉伸至①，②，③，④這4處時暫停加載進(jìn)行形貌觀察，這4處的變形量分別為0.316，0.681，0.875，1.225 mm。

圖4 熱沖壓成形試驗鋼在原位拉伸過程中的載荷-位移曲線

由圖5可以看出：未拉伸試樣表面和邊部未觀察到明顯缺陷；當(dāng)拉伸變形量為0.316 mm(圖4中①處)時，因所受拉應(yīng)力較小，試樣邊部和表面未發(fā)現(xiàn)明顯變化，但是中心部位(即最小橫截面處)發(fā)生輕微變形；當(dāng)拉伸變形量為0.681 mm(圖4中②處)時，試樣中心部位發(fā)生明顯頸縮但無明顯裂紋；當(dāng)拉伸變形量為0.875 mm(圖4中③處)時，試樣頸縮區(qū)域的邊部出現(xiàn)滑移線，表面出現(xiàn)高密度無規(guī)則的細(xì)小應(yīng)變條紋[11]；當(dāng)拉伸變形量為1.225 mm(圖4中④處)時，試樣頸縮凹陷處出現(xiàn)撕裂型毛刺，放大后可見許多微裂紋和密集的無規(guī)則滑移線，微裂紋主要分布在發(fā)生頸縮的表面中間部位。

圖5 未拉伸和不同拉伸變形量下試樣的微觀形貌

由圖6可以看出：在原位拉伸斷口附近表面存在長條狀微裂紋，馬氏體組織發(fā)生塑性變形，原始奧氏體晶界發(fā)生破壞；斷口附近試樣表面還存在二次裂紋和Y形孔洞狀裂紋，二次裂紋與斷裂面方向垂直，Y形裂紋的孔洞面積約為2.2 μm2。原奧氏體晶界交匯處的夾雜物因受到較大拉應(yīng)力發(fā)生脫黏，從而形成了Y形孔洞狀裂紋[12-13]。

圖6 試樣原位拉伸斷口附近表面的微觀形貌

由圖7可以看出，熱沖壓成形試樣在拉伸時發(fā)生明顯的頸縮，拉伸斷口邊部與下部存在較為明顯的分層線；在分層線附近出現(xiàn)多個微孔，微孔相互排列連接；在斷口下部存在大量大小不一的韌窩，部分韌窩內(nèi)存在夾雜物；在斷口上部存在呈拉長狀的韌窩，該區(qū)域相比下部區(qū)域更為平滑，呈現(xiàn)出剪切斷裂形貌。結(jié)合拉伸斷裂試樣表面和斷口特征分析，試樣發(fā)生了微孔聚集型斷裂[14-15]。

圖7 試樣原位拉伸斷口形貌

綜上所述，在熱沖壓成形試驗鋼上取樣進(jìn)行拉伸時，隨著應(yīng)力增加，試樣先發(fā)生塑性變形產(chǎn)生頸縮；隨后原奧氏體晶界發(fā)生破壞，頸縮區(qū)域試樣表面出現(xiàn)微裂紋，同時夾雜物脫黏形成孔洞型裂紋；最后，微裂紋數(shù)量增加并相互聚集連接，在與夾雜物脫黏形成孔洞型裂紋的共同作用下，試樣實際承載面積變小，當(dāng)應(yīng)力增加至其斷裂臨界值時，試樣斷裂。

3 結(jié) 論

(1)冷軋態(tài)22MnB5鋼板的顯微組織為鐵素體和珠光體，經(jīng)熱沖壓成形后組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，強度得到大幅提高，抗拉強度達(dá)到1 558 MPa，屈服強度達(dá)到1 218 MPa，塑性下降，強塑積提高。

(2)熱沖壓成形22MnB5鋼在拉伸過程中先發(fā)生頸縮，隨后原奧氏體晶界發(fā)生破壞，微裂紋萌生，同時夾雜物與基體脫黏形成孔洞型裂紋；隨著拉伸過程的繼續(xù)進(jìn)行，裂紋數(shù)量增加并擴展長大，相互連接，最終導(dǎo)致斷裂；熱沖壓成形試驗鋼的拉伸斷口存在大量韌窩，斷裂形式為微孔聚集型斷裂。