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(qiáng)度高、密度小、成型時(shí)回彈小等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車加強(qiáng)件，如車門防撞梁、保險(xiǎn)杠梁、側(cè)邊梁、A柱B柱加強(qiáng)件和腰軌加強(qiáng)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(bào)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(kuò)展與材料顯微組織密切相關(guān)。常規(guī)的拉伸試驗(yàn)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(yàn)?zāi)軌驅(qū)崟r(shí)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(yàn)研究了22MnB5熱成形鋼的組織與拉伸性能，以及拉伸時(shí)的微觀形貌演變。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(yàn)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(jī)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(yàn)機(jī)在拉伸速度4 mm·min-1下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，各測3個(gè)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(jī)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(yàn)過程中自動記錄載荷-位移曲線，在拉伸過程中選擇某個(gè)時(shí)間點(diǎn)暫停試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)，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(yàn)鋼獲得板條狀馬氏體組織。

圖2 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)鋼的強(qiáng)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(qiáng)塑積增大，這說明熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能較好[9]。

表2 試驗(yàn)鋼熱沖壓成形前后的拉伸性能

圖3 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)鋼中的碳原子能起到較好的間隙固溶強(qiáng)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(qiáng)化效果[2]，因此熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼的強(qiáng)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(gè)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(yàn)鋼上取樣進(jìn)行拉伸時(shí)，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(shí)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(shí)際承載面積變小，當(dāng)應(yīng)力增加至其斷裂臨界值時(shí)，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(qiáng)度得到大幅提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 558 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1 218 MPa，塑性下降，強(qiáng)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(shí)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(kuò)展長大，相互連接，最終導(dǎo)致斷裂；熱沖壓成形試驗(yàn)鋼的拉伸斷口存在大量韌窩，斷裂形式為微孔聚集型斷裂。