屈強(qiáng)比對(duì)DP540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭變形行為的影響

王舒揚(yáng) 丁 凱 霍世宗

(1. 寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院，上海 201900； 2. 汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900；3. 上海大學(xué) 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；4.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

能源、資源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已成為各行各業(yè)的共同目標(biāo)[1- 2]。汽車輕量化在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)使其逐漸成為汽車行業(yè)的發(fā)展方向。先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有較高的強(qiáng)塑積，在汽車制造中得到了廣泛應(yīng)用[3]，在確保材料強(qiáng)度和汽車安全性的前提下，可實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量降低約20%[4]。

雙相鋼顯微組織由塑性較好的鐵素體和強(qiáng)度較高的馬氏體組成，具有良好的力學(xué)性能和加工性能，如較高的加工硬化速率和斷后伸長(zhǎng)率等[5- 7]。20世紀(jì)90年代，在國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)主導(dǎo)的超輕鋼車體計(jì)劃(ultra-light steel auto body, ULSAB)中，應(yīng)用于車體的雙相鋼比例超過70%[8]。目前，雙相鋼已廣泛應(yīng)用于汽車車輪、保險(xiǎn)杠、AB柱等零部件，其中400～600 MPa級(jí)雙相鋼廣泛應(yīng)用于車身覆蓋件[9]。

雙相鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用必定涉及焊接[10- 11]。閃光對(duì)焊具有熱效率高、焊接質(zhì)量好、無需填絲等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)輪輞的主要焊接工藝之一[12- 14]。然而，焊接接頭特征區(qū)的組織和性能往往有差異，導(dǎo)致輪輞在生產(chǎn)過程特別是擴(kuò)口時(shí)發(fā)生縮頸，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。周磊磊等[15]發(fā)現(xiàn)，焊接接頭特征區(qū)組織粗大且分布不均勻是導(dǎo)致焊接接頭韌性低于母材的主要原因。Xi等[16]研究了閃光對(duì)焊工藝參數(shù)對(duì)RS590CL鋼焊接接頭性能的影響，認(rèn)為組織粗化會(huì)導(dǎo)致接頭韌性降低。Nikulina等[17]對(duì)高碳鋼和鉻鎳不銹鋼閃光對(duì)焊接頭進(jìn)行了研究，認(rèn)為焊縫中馬氏體的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致焊接接頭過早斷裂。閃光對(duì)焊接頭的組織均勻性與力學(xué)性能關(guān)系密切，因此研究雙相鋼閃光對(duì)焊接頭的組織和力學(xué)性能對(duì)提高汽車輪輞的焊接質(zhì)量具有重要的意義。

本文采用 Zeiss Imager A2m型光學(xué)顯微鏡(optical microscope, OM)和 JSM- 6700F型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)研究了不同屈強(qiáng)比的DP540雙相鋼閃光對(duì)焊焊接接頭特征區(qū)的顯微組織和拉伸性能，可為DP540雙相鋼能可靠地應(yīng)用于汽車輪輞提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用DP540雙相鋼的熔煉爐次不同，不同批次的鋼板厚度均為6.0 mm。表1為DP540鋼板的化學(xué)成分。采用相同的閃光對(duì)焊工藝參數(shù)對(duì)DP540雙相鋼板進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示。拉伸試樣的尺寸為240 mm×20 mm×6 mm，拉伸設(shè)備為Instron 5581型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為10 mm/min。金相試樣尺寸為30 mm×10 mm×6 mm，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕。

表1 研究用DP540鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated DP540 dual- phase steel plate (mass fraction) %

表2 閃光對(duì)焊工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of the flash butt welding

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為不同批次DP540雙相鋼板的OM組織，均為鐵素體和馬氏體。圖1(a)為第1批DP540雙相鋼板的組織，鐵素體和馬氏體較粗大，鐵素體晶粒尺寸約為20 μm，馬氏體呈塊狀。圖1(b～d)分別為第2至第4批DP540雙相鋼板的顯微組織，鐵素體和馬氏明顯比第1批DP540鋼板的細(xì)小，特別是第3批DP540鋼板，晶粒尺寸大多小于10 μm，馬氏體呈島狀彌散分布。代啟鋒等[18]研究了鐵素體晶粒尺寸對(duì)雙相鋼變形性能的影響，認(rèn)為細(xì)化晶?？稍谧冃芜^程中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高強(qiáng)度。Avramovic- Cingara等[19]研究了馬氏體分布對(duì)雙相鋼失效機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)小且均勻分布的馬氏體在鋼的變形過程中會(huì)產(chǎn)生更好的應(yīng)力分配，使鋼具有更高的強(qiáng)度和延展性。

圖1 第1(a)、2(b)、3(c)和4(d)批DP540鋼板的OM組織Fig.1 OM structures of the first (a), second (b), third (c) and fourth (d) batch of DP540 steel plates

不同批次DP540雙相鋼板的SEM組織如圖2所示。同樣，第1批DP540雙相鋼板鐵素體和馬氏體均較粗大，且存在明顯的板條狀馬氏體(圖2(a))；第2至第4批DP540鋼板鐵素體較細(xì)小，且馬氏體基本呈粒狀。鄺霜等[20]研究了不同馬氏體體積分?jǐn)?shù)的雙相鋼的顯微組織特征，發(fā)現(xiàn)馬氏體含量較低時(shí)呈島狀或顆粒狀，隨著馬氏體含量的增加，其形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀。馬氏體含量增加導(dǎo)致其C、Mn含量下降是馬氏體形態(tài)變化的可能原因之一。因此，第1批DP540雙相鋼板中的馬氏體含量最高，第3批的馬氏體含量最低。

圖2 第1(a)、2(b)、3(c)和4(d)批DP540鋼板的SEM組織Fig.2 SEM structures of the first (a), second (b), third (c) and fourth (d) batch of DP540 steel plate

2.2 拉伸性能

圖3為不同批次DP540雙相鋼板焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。第1批DP540鋼板焊接接頭的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，屈強(qiáng)比為0.62，拉伸試樣斷裂于焊接接頭粗晶區(qū)。第2至第4批DP540鋼板焊接接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近，相應(yīng)為450和520 MPa左右，屈強(qiáng)比均為0.8～0.9，拉伸試樣斷裂于母材。圖3中插圖為拉伸斷裂的試樣。

圖3 不同批次DP540鋼板閃光對(duì)焊接頭的拉伸強(qiáng)度Fig.3 Tensile strengths of flash butt welded joint of the different batches of DP540 steel plates

Hwang等[21]研究了鐵素體晶粒尺寸和馬氏體體積分?jǐn)?shù)對(duì)雙相鋼變形行為的影響，結(jié)果表明，減小鐵素體晶粒尺寸和提高馬氏體體積分?jǐn)?shù)均可提高材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而提高馬氏體的體積分?jǐn)?shù)會(huì)降低材料的屈強(qiáng)比，其原因在于馬氏體含量的提高對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響更顯著。本文研究表明，較高的屈強(qiáng)比對(duì)應(yīng)于更細(xì)小的鐵素體晶粒尺寸和更低的馬氏體體積分?jǐn)?shù)，焊接接頭的均勻變形性能改善，力學(xué)性能達(dá)到要求。由此可見，作為表征材料抗塑性變形和斷裂性能的指標(biāo)，在某種程度上屈強(qiáng)比可作為調(diào)控材料組織的依據(jù)。

2.3 焊接接頭特征區(qū)組織

前期的研究[22- 23]表明，DP540雙相鋼閃光對(duì)焊接頭可分為5個(gè)特征區(qū)，即界面區(qū)、粗晶區(qū)、重結(jié)晶區(qū)(細(xì)晶區(qū))、部分重結(jié)晶區(qū)(過回火區(qū))和母材。根據(jù)其組織特點(diǎn)，雙相鋼發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變集中在鐵素體中，第二相馬氏體起強(qiáng)化作用，而粗晶區(qū)受焊接熱的影響組織較粗大，主要為鐵素體，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)[24]。圖4為不同批次DP540雙相鋼板閃光對(duì)焊接頭粗晶區(qū)的SEM組織。圖4表明，第1批DP540雙相鋼板焊接接頭粗晶區(qū)鐵素體晶粒明顯大于其他3批鋼板，部分晶粒尺寸達(dá)50 μm以上；第3批鋼板焊接接頭粗晶區(qū)的晶粒較細(xì)小均勻，鐵素體晶粒尺寸大多為20 μm左右。細(xì)小均勻的鐵素體及較大的屈強(qiáng)比有利于焊接接頭的均勻變形和力學(xué)性能的提高。

圖4 第1(a)、2(b)、3(c)和4(d)批鋼板焊接接頭粗晶區(qū)SEM組織Fig.4 SEM structures of coarse- grained zones in the welded joint of the first(a), second(b), third(c) and fourth(d) batch of steel plate

3 結(jié)論

(1)第1批DP540雙相鋼板焊接接頭的屈強(qiáng)比為0.62，屈服強(qiáng)度為338 MPa；第2至4批DP540雙相鋼板焊接接頭的屈強(qiáng)比均為0.8～0.9，屈服強(qiáng)度均為450 MPa；屈強(qiáng)比較小的焊接接頭拉伸斷裂于粗晶區(qū)，高屈強(qiáng)比的焊接接頭拉伸斷裂于母材。

(2)屈強(qiáng)比較小的第1批鋼板組織粗大且馬氏體呈大塊狀，焊接接頭試樣在拉伸過程中首先在粗晶區(qū)產(chǎn)生塑性變形，焊接接頭不同區(qū)域變形不均勻；屈強(qiáng)比較大的第3批鋼板組織細(xì)小且馬氏體呈島狀彌散分布，試樣在拉伸過程中變形均勻。

(3)閃光對(duì)焊接頭粗晶區(qū)溫度較高，組織易粗化，導(dǎo)致該區(qū)域過早塑性變形，是焊接接頭的薄弱區(qū)；應(yīng)精確控制DP540雙相鋼的原始組織，以細(xì)化焊接接頭粗晶區(qū)組織，穩(wěn)定焊接接頭的屈強(qiáng)比，改善其變形性能。