超高強(qiáng)馬氏體鋼沖杯鹽霧延遲開裂性能的研究

萬榮春 方藝蒙 付立銘 曹寶山 馬慶巖 龔勛

隨著裝備制造業(yè)發(fā)展的需要，特別是軍工發(fā)展需要，鋼材的強(qiáng)度越來越高。但當(dāng)鋼材的抗拉強(qiáng)度超過1200 MPa時(shí)，就容易出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象[1]。延遲開裂是一種脆性開裂，在開裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，沒有征兆，所以其危害性極大。因此，一般在超高強(qiáng)鋼使用前需要對其延遲開裂性能進(jìn)行評價(jià)。目前，實(shí)驗(yàn)室所采用的加速型延遲開裂評價(jià)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)，但這幾種延遲開裂評價(jià)方法都存在不足，也沒有統(tǒng)一公認(rèn)的合理評價(jià)方法[2-6]。因此，探索一套快速、準(zhǔn)確的延遲開裂評價(jià)新方法，對超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展有重要意義。

本文利用拉深沖杯鹽霧延遲開裂試驗(yàn)研究MS980、MS1180和MS1300三種車用超高強(qiáng)馬氏體（MS）鋼的延遲開裂性能，并對試驗(yàn)鋼顯微組織進(jìn)行觀察，分析試驗(yàn)鋼的延遲開裂性能以及其與組織的關(guān)系，同時(shí)探討拉深沖杯鹽霧延遲開裂試驗(yàn)作為評價(jià)超高強(qiáng)鋼延遲開裂的可行性，為超高強(qiáng)鋼延遲開裂的評價(jià)提供一定參考依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

三種超高強(qiáng)馬氏體（MS）鋼牌號分別為MS980、MS1180和MS1300，其具體化學(xué)成分如表1所示。

對試驗(yàn)鋼拉深沖杯成型前沿軋制方向側(cè)面進(jìn)行取樣并制備金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用蔡司蔡司EVO 15掃描電鏡（SEM）觀察組織。

拉深沖杯試樣成型參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15825.3—2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 第3部分：拉深與拉深載荷試驗(yàn)》[7]進(jìn)行，凸模直徑dp=50 mm，每種鋼同一成型比（成型前試樣直徑與dp比值）下5個(gè)平行試樣。鹽霧延遲開裂試驗(yàn)一個(gè)周期7天，先鹽霧條件24小時(shí)，接著干濕循環(huán)（濕熱條件8小時(shí)+干燥條件16小時(shí)）96小時(shí)，最后干燥條件48小時(shí)。鹽霧延遲開裂試驗(yàn)需進(jìn)行10個(gè)周期，共70天（1680 h），鹽霧溶液為5%NaCl水溶液。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顯微組織

圖1所示為超高強(qiáng)馬氏體（MS）鋼的顯微組織，三種MS鋼的組織為馬氏體（M）+鐵素體（F）。馬氏體（M）組織為板條狀區(qū)域，由于馬氏體碳含量較高，不容易被4%硝酸酒精腐蝕，所以呈現(xiàn)出凸起狀；鐵素體（F）組織為多邊形塊狀區(qū)域，由于碳含量相對較低，容易被4%硝酸酒精腐蝕，所以呈現(xiàn)凹陷狀態(tài)。作為強(qiáng)化相的馬氏體呈島狀彌散分布在塑性好的多邊形鐵素體基體上。此外，從圖1中還可以發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度級別提高，試驗(yàn)鋼組織細(xì)化，且馬氏體體積分?jǐn)?shù)明顯增加，其中MS1300鋼組織的晶粒尺寸最小，馬氏體體積分?jǐn)?shù)最高。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2所示為三種MS鋼沖杯試樣經(jīng)過70天（1680 h）鹽霧試驗(yàn)后試驗(yàn)結(jié)果，圖中黑方點(diǎn)為每一試樣開裂時(shí)間，紅線為線性擬合的開裂時(shí)間。從圖2a中可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)束，MS980鋼沖杯試樣成型比為1.7時(shí)未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，成型比達(dá)到1.8時(shí)出現(xiàn)1個(gè)開裂試樣，成型比為1.9時(shí)全部試樣出現(xiàn)開裂；MS1180鋼沖杯試樣成型比為1.5時(shí)未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，成型比達(dá)到1.6時(shí)出現(xiàn)開裂試樣（其中有一個(gè)試樣開裂時(shí)間為1656h，接近試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間），成型比為1.8時(shí)全部試樣出現(xiàn)開裂，并且開裂時(shí)間比MS980鋼更短，如圖2b所示；MS1300鋼沖杯試樣成型比為1.3時(shí)未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，成型比達(dá)到1.4是出現(xiàn)部分開裂試樣（其中有一個(gè)試樣開裂時(shí)間為1586h，接近試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間），成型比為1.7是全部試樣出現(xiàn)開裂，如圖2c所示。這表明三種超高強(qiáng)馬氏體鋼中MS980鋼的抗延遲開裂性能最好，其次為MS1180鋼，MS1300鋼抗延遲開裂性能最差。一般來說，試驗(yàn)鋼強(qiáng)度級別越高，越可能出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象[2，8]。此外，從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)同一試驗(yàn)鋼沖杯試樣成型比越大出現(xiàn)開裂越多，且開裂時(shí)間越短。這說明同一試驗(yàn)鋼在高成型比下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的可能性更大，這是由于沖杯試樣成型比越大，試樣的內(nèi)應(yīng)力越大，在相同條件下出現(xiàn)延遲開裂的可能性越大。

圖3為為三種超高強(qiáng)雙相鋼鹽霧試驗(yàn)后的沖杯試樣。如圖3a所示，MS980鋼經(jīng)過70天的鹽霧試驗(yàn)后，試樣表面腐蝕嚴(yán)重，有很多腐蝕產(chǎn)物，從外觀來看主要是鐵銹，試樣（成型比為1.8）在杯口出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。MS1180鋼經(jīng)過70天（或開裂時(shí)間）鹽霧試驗(yàn)后，試樣表面腐蝕嚴(yán)重，有鐵銹等很多腐蝕產(chǎn)物，高成型比（1.6、1.7和1.8）的試樣在杯口出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象，如圖3b所示。MS1300鋼經(jīng)過70天（或開裂時(shí)間）鹽霧試驗(yàn)后，試樣表面腐蝕嚴(yán)重，有鐵銹等很多腐蝕產(chǎn)物，在成型比在1.4以上的試樣在杯口均出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象（圖3c）。從圖3中還可以看到，開裂裂紋在杯口處較寬，并向杯底延伸變細(xì)，裂口平整。裂紋出現(xiàn)的方式是突然出現(xiàn)，裂紋的孕育期可能長但擴(kuò)展速度快。結(jié)合這些特點(diǎn)可以確定是脆性開裂，基本屬于延遲開裂，而不是由腐蝕引起的腐蝕裂紋。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)三種MS鋼的隨著成型比降低，試樣開裂時(shí)間變長，到某一臨界成型比（MS980鋼為1.7，MS1180鋼介于1.5～1.6之間，MS1300鋼介于1.3～1.4之間）時(shí)沖杯試樣不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這一相同試驗(yàn)規(guī)律。這樣的試驗(yàn)規(guī)律和疲勞試驗(yàn)有些類似，疲勞試驗(yàn)的縱坐標(biāo)為循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅（對應(yīng)鹽霧試驗(yàn)為沖杯試驗(yàn)成型比），橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)（對應(yīng)鹽霧試驗(yàn)時(shí)間），在某一規(guī)定循環(huán)周次（一般為107），當(dāng)循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅低于臨界應(yīng)力值不會出現(xiàn)疲勞斷裂，此臨界應(yīng)力值為條件疲勞極限。三種MS鋼也有類似的條件延遲開裂極限，即在某一規(guī)定沖杯鹽霧試驗(yàn)時(shí)間里（本文為70天，1680h），在臨界成型比（MS980鋼為1.7，MS1180鋼介于1.5～1.6之間，MS1300鋼介于1.3～1.4之間）以下時(shí)沖杯試樣不會出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象。也就是說超高強(qiáng)鋼的沖杯鹽霧試驗(yàn)的臨界成型比可以在一定條件下作為其是否會出現(xiàn)延遲開裂的評價(jià)依據(jù)。而在本文中這一定條件下是假設(shè)經(jīng)過70天（10個(gè)周期）的鹽霧試驗(yàn)試驗(yàn)鋼沖杯試樣不發(fā)生開裂現(xiàn)象，就認(rèn)為該試驗(yàn)鋼在其整個(gè)20年（一般汽車平均使用壽命不會超過20年）服役期內(nèi)不會出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象。從目前我們的已有研究結(jié)果表明該假設(shè)1個(gè)周期鹽霧試驗(yàn)試驗(yàn)鋼沖杯試樣不發(fā)生開裂現(xiàn)象，該試驗(yàn)鋼在2年內(nèi)甚至更長時(shí)間內(nèi)不會出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象。從我們目前進(jìn)行的大氣環(huán)境下沖杯延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果來了，經(jīng)過4年時(shí)間，我們僅發(fā)現(xiàn)成型比為1.7的MS1180鋼在18672h（約2年48天）時(shí)出現(xiàn)一個(gè)試樣開裂，MS1180鋼臨界成型比介于1.5～1.6之間，證明我們假設(shè)的延遲開裂臨界成型比是有效的。當(dāng)然更長的時(shí)間內(nèi)該假設(shè)是否有效，還需要更多時(shí)間和更多的深入研究。

此外，從圖1可以發(fā)現(xiàn)MS980、MS1180和MS1300鋼組織中馬氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸提高，馬氏體體積分?jǐn)?shù)提高，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度級別也逐漸提高，同時(shí)試驗(yàn)鋼延遲開裂敏感性也越高[9]。這說明試驗(yàn)鋼中馬氏體的存在不利于改善試驗(yàn)鋼延遲開裂性能，但有利于其強(qiáng)度的提高，這就需要我們選材平衡強(qiáng)度和延遲開裂關(guān)系。馬氏體體積分?jǐn)?shù)對試驗(yàn)鋼延遲開裂性能可能存在一個(gè)臨界值，當(dāng)試驗(yàn)鋼中馬氏體體積分?jǐn)?shù)低于臨界值時(shí)，不會引起其延遲開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)然它們之間更詳細(xì)的聯(lián)系需要還更多的深入研究。

3結(jié)論

（1）超高強(qiáng)馬氏體鋼的顯微組織，三種MS鋼的組織為馬氏體+鐵素體，且隨著試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度級別提高，馬氏體體積分?jǐn)?shù)明顯增加。

（2）拉深沖杯鹽霧延遲開裂試驗(yàn)結(jié)果表明MS980鋼的抗延遲開裂性能最好，其次為MS1180鋼，MS1300鋼抗延遲開裂性能最差。同一試驗(yàn)鋼沖杯試樣成型比越大出現(xiàn)開裂越多，且開裂時(shí)間越短。

（3）試驗(yàn)結(jié)果顯示三種MS鋼存在一臨界成型比（MS980鋼為1.7，MS1180鋼介于1.5～1.6之間，MS1300鋼介于1.3～1.4之間），在該臨界成型比以下時(shí)沖杯試樣不會出現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象，且此臨界成型比可以在一定條件下作為超高強(qiáng)鋼是否會出現(xiàn)延遲開裂的評價(jià)依據(jù)。

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（作者單位：萬榮春，渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程，渤海船舶重工有限責(zé)任公司博士后流動站；方藝蒙，四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院；付立銘，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；曹寶山，遼寧順達(dá)機(jī)械制造（集團(tuán)）有限公司；馬慶巖，龔勛，葫蘆島軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心）