（材料學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）汽車(chē)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的激光焊研究.pdf

摘要 先進(jìn)高強(qiáng)度汽車(chē)鋼在具有高強(qiáng)度的同時(shí)也具有良好的塑性，這一優(yōu)點(diǎn)使其可以在 降低車(chē)身自重的同時(shí)，兼顧到其安全性，因此開(kāi)始逐步被應(yīng)用到汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)中。其 中相變誘導(dǎo)塑性鋼( t r i p ：t r a n s f o r m a t i o n i n d u c e dp l a s t i c i t y ) 和雙相鋼( d p ：d u a lp h a s e ) 的 研究較為深入。t r i p 鋼是通過(guò)雙相區(qū)退火后在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫獲得，室溫組 織主要為鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體，其中殘余奧氏體約為1 0 2 0 ，在應(yīng)力或應(yīng)變 作用下，殘余奧氏體在轉(zhuǎn)變成馬氏體過(guò)程中誘發(fā)塑性并提高強(qiáng)度；d p 鋼則是由雙相區(qū) 退火和隨后淬火獲得，室溫組織為鐵素體和馬氏體兩相組成，鐵素體具有良好塑性， 馬氏體具有較高強(qiáng)度，這種組織特征使雙相鋼具備連續(xù)屈服和高的初始硬化速率。 激光拼焊板在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。本文采用二極管和y a g 兩種激光焊方法， 研究了t r i p 和d p 兩種高強(qiáng)鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能特征。 在a i t r i p 鋼的二極管激光焊中，焊縫主要由6 鐵素體和上貝氏體組成，并含有 少量的馬氏體、下貝氏體和殘余奧氏體( 薄膜狀和塊狀) ；焊縫凝固以6 鐵素體為初生 相，室溫下呈現(xiàn)骨骼狀。焊縫冷卻速度的增加降低了鐵素體含量，但未能改變凝固模 式；而s i t r i p 鋼焊縫則是由單一的馬氏體組成。對(duì)兩種焊縫的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)拉伸試驗(yàn) 并未發(fā)現(xiàn)焊縫性能對(duì)拉伸速率表現(xiàn)出顯著的敏感性，但a l 合金焊縫的強(qiáng)度與塑性乘積 的下降要低于對(duì)應(yīng)的s i 合金化焊縫。a l 和s i 兩者均能延遲貝氏體等溫過(guò)程中碳化物 的析出，但對(duì)焊接性的影響卻截然不同。 d p 鋼焊接的主要問(wèn)題是焊接熱影響區(qū)軟化，這是由于馬氏體回火分解所造成的。 二極管激光焊因具有較大的焊接熱輸入，從而表現(xiàn)出比y a g 激光焊更嚴(yán)重的軟化。 時(shí)間常數(shù)，c 可以將兩種激光焊下的軟化區(qū)統(tǒng)一起來(lái)，隨著時(shí)間常數(shù)的增加，軟化越嚴(yán) 重，并最終達(dá)到一平臺(tái)，即最大軟化處。而且，在二極管激光焊的最大軟化處，硬度 的下降與母材的馬氏體含量線性相關(guān)，混合率定律可以用來(lái)解釋軟化區(qū)的硬度變化特 征。y a g 激光焊焊縫的硬度與母材碳含量線形相關(guān)，組織為馬氏體，隨著碳含量增 加，二極管焊縫的組織會(huì)由鐵素體和貝氏體逐漸向全馬氏體過(guò)渡 另一方面，在雙向應(yīng)力的沖頭試驗(yàn)中( l d h ：l i m i t e dd o m eh e i g h t ) ，軟化區(qū)的形成 大大地削弱了d p 鋼激光拼焊板的成形性能，下降為母材的5 0 ，而且斷裂模式發(fā)牛 變化，裂紋總是不無(wú)例外地發(fā)牛在軟化區(qū)并沿軟化區(qū)擴(kuò)展，鐵素體基體與二次相( 馬氏 體及回火馬氏體) 之間力學(xué)性能的不均勻性導(dǎo)致變形過(guò)程中兩相變形的不均勻性，并在 界面誘發(fā)裂紋。軟化區(qū)成為影響d p 鋼拼焊板成形性能的控制因素，織構(gòu)則制約了母 材的成形性；而傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)鋼h s l a 具有與母材相當(dāng)?shù)某尚涡?，開(kāi)裂源于焊 縫，垂直于焊縫向母材擴(kuò)展。就成形性而言，d p 和h s l a 鋼對(duì)焊接加工表現(xiàn)出不同 的敏感性。 關(guān)鍵詞：t r i p 鋼，d p 鋼，激光拼焊，組織，力學(xué)性能，軟化和硬化，成形性。 a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fh i g hs t r e n g t ha n dg o o dd u c t i l i t ye n a b l e s t h ea d v a n c e d h l g hs t r e n g t h s t e e l ( a h s s ) t o b ep r o g r e s s i v e l yu s e di nt h e c a rb o d yd e s i g n ，r e d u c i n gt h ec 甜眥1 9 h t b u tn o i m p a i r i n gi t ss a f e t y a m o n g t h ea h s s ，t r i pa n dd ps t e e l sa r em o s t l yr e c o g n l z e db ya u t o m a k e r s t r i ps t e e li so b t a i n e dt h r o u g hi n t e r c r i t i c a l a n n e a l i n gf o l i o w e d b ys u b s e q u e n t q u e n c h i n g i t sm i c r o s t r u c t u r ea tr o o mt e m p e r a t u r e i sc o m p o s e do ff e r r i t e b a n i t ea n d 脅1 n e d a u s t e n i t e t h ev o i u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t e i sk e p ta b o u t10 _ 2 0 t h a tt h er c 伽n e d a u s t e n t et r a n s f 0 仰si n t 0m a r t e n s i t eu n d e r t h es t r e s so rs t r a i nw i l li n t r o d u c ep l a s t i c i t y a n d e n h a n c ei t ss t r e n g t h d p s t e e li sm a n u f a c t u r e db yat w o s t e ph e a tt r e a t m e n t ，n 鋤e l y i n t e r c r i t i c a la n n e a l i n ga n dq u e n c h i n g t h em i c r o s t r u c t u r ea tr o o mt e m p e r a t u r e c o n s l s t so i f e r r i t ea n dm a r t e n s i t e f e r r i t eh a sg o o dd u c t i l i t yw h i l em a r t e n s i t ep o s s e s s e sh l g h s t r e n g t h t h eu n i q u em i c r o s t m c t u r a lm a k e u pe n a b l e sd p s t e e lt oy i e l d i n gc o n t i n u o u s l y 鋤dp o s s e s s a h i 曲i n i t i a lh a r d e n i n g r a t e l a s e rt a i l o r - w e l d e db l a n k sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc a r b o d y t h er e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t r i p t h i st h e s i si sd e v o t e d t o a n dd pw e l d su n d e rt w o w e l d i n gp r o c e s s e s ，n a m e l y d i o d ea n dya g i a s e r s i nt h ed i o d ei a s e rw e l d so fa i t r i ps t e e l ，t h e f u s i o nz o n ei sc o m p o s e do f of e r r i t e , u p p e rb a i n i t e ，f e wm a r t e n s i t e ，l o w e rb a i n i t e a n dr e t a i n e da u s t e n i t e ( f i l m y 鋤d b l o c k y ) f u s i o nz o n es o l i d i f i e sw i t hf e r r i t ea st h ep r i m a r yp h a s ea n d a s s u m e ss k e l e t a lm o 叩h o l o g y t h ei n c r e a s eo ft h ef u s i o nz o n ec o o l i n gr a t el e a d s t ot h ef e r r i t ec o n t e n td e c r e a s eb u t d o e sn o t c h a n g et h es o l i d i f i c a t i o np a 吮m s i - a l l o y e d t r i ps t e e lf u s i o nz o n eu n d e rd i o d el a s e r w e l d i n gp r o c e s sc o m p o s e so fm a r t e n s i t e f u s i o nz o n e s t e n s i l ep r o p e r t yi sn o ts e n s l t l v et o s t r a i nr a t ed y n a m i c a i l ya n ds t a t i c a l l y t h es t r e n g t h - d u c t i l i t yp r o d u c to fa i - a l l o y e d t u s l o n z o n ed e c r e a s e dl e s st h a to fs i a l l o y e ds t e e lc o m p a r e d t ot h e i rr e s p e c t i v eb a s em e t a l a la n 刪1 c a nb o t hs u p p r c s st h ec a r b i d ep r e c i p i t a t i o n i nt h eb a i n i t i ch o l d i n gt e m p e r a t u 。e 。a n g e h o w e v e r t h e yh a v e m a r k e d l yd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nw e l d a b i l i t y i l l s o f t e n e dz o n ef o r m a t i o ni nt h eh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) ，w h i c hi so n eo ft h em o s t p r o m i n e n tp r o b l e m si nd ps t e e lw e l d i n gi sa t t r i b u t e dt om a r t e n s i t ed e c o m p o s i t i o n t h e d i o d el a s e rw e l d i n gp r o c e s sd e v e l o p sam o r es e v e r es o f tz o n et h a ny a gl a s e rw e l d i n g t i m e c o n s t a n ti n t r o d u c e dc a ne n a b l et h ec o m p a r i s o no ft w os o f t e n e dz o n e s w i t ht h ei n c r e a s eo f t h et i m e c o n s t a n t ，s o f t e n i n gh a p p e n sm o r es e v e r e l yt i l il e v e l so f fa n dt h e nm a x i m u m s o f t e n i n gs t a g er e a c h e s t h ed e c r e a s eo fh a r d n e s si nt h em a x i m u ms t a g ei sp r o p o r t i o n a lt o t h eb a s em e t a lm a r t e n s i t ec o n t e n t t h el a wo fm i x t u r ei s a p p l i c a b l et o t h es o f t e n i n g b e h a v i o u r y a gw e l d e df u s i o nz o n eh a r d n e s si sl i n e a r l yp r o p o r t i o n a lt ob a s em e t a lc a r b o n c o n t e n ta n df u s i o nz o n ei se x c l u s i v e l yc o m p o s e do fm a r t e n s i t e a n dw i t ht h ei n c r e a s eo f c a r b o nc o n t e n t ，f u s i o nz o n ec o m p o s i t i o no fd i o d el a s e rw e l dt r a n s f e r sf r o mf e r r i t ea n db a i n i t e t of u l l ym a r t e n s i t i cm i c r o s t r u c t u r e o nt h eo t h e rh a n d ，s o f t e n e dz o n ef o r m a t i o n m a r k e d l yd e t e r i o r a t e st h ed pt a i l o r e d b l a n k s l d hf o r m a b i l i t yu n d e rt h eb i a x i a is t r e s s t h ed e c r e a s ef r o mt h ep a r e n tm e t a li sa b o u t 5 0 。t h ef r a c t u r eo c c u r si n v a r i a b l ya tt h es o f t e n e dz o n e t h ei n h o m o g e n e o u sm e c h a n i c a l p r o p e r t yb e t w e e nf e r r i t ea n dm a r t e n s i t el c a d st ot h ev o i do rc r a c kn u c l e a t i o nb e t w e e n b o u n d a r i e s s o f t e n e dz o n eo v e r r i d et h ei n f l u e n c eo f r o l l i n gd i r e c t i o no nt a i l o rw e l d e db l a n k s ， f o r m a b i l i t y ，w h i c hi st h ec a s ei np a r e n tm e t a l h o w e v e r ，t h et a i l o r e dw e l d e db l a n k so fh s l a h a v es i m i l a rf o r m a b i l i t yt oi t sp a r e n tm e t a l t h ef r a c t u r ei n i t i a t e sa tt h ef u s i o nz o n ea n d p r o p o g a t e st ot h eu n a f f e c t e db a s em e t a lp e r p e n d i c u l a rt ot h ef u s i o nz o n e i nt e r m so f f o r m a b i l i t y ，d pa n dh s l ah a v ed i f f e r e n ts e n s i t i v i t yt ow e l d i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：t r i ps t e e l ，d ps t e e l ，l a s e rw e l d i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ， s o f t e n i n ga n dh a r d e n i n g ，f o r m a b i l i t y 鋼鐵研究總院博士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的 指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引 用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰 寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體， 均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié) 果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期：年月日 鋼鐵研究總院博 。論文 1 1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的特點(diǎn) 第一章緒論 節(jié)省燃料和保證安全的要求成為高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)工業(yè)中穩(wěn)步增k 的驅(qū)動(dòng)力。與其 它材料，如輕金屬鋁、鎂、坦料以及復(fù)合材料相比，高強(qiáng)度鋼除了可減輕車(chē)身的重量 外，而月加上工藝類(lèi)似于傳統(tǒng)的低碳鋼，因此，在減輕車(chē)身自重的同時(shí)，其制造成本 并沒(méi)青日月顯的r 升，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能。從不同種類(lèi)鋼材的掙伸強(qiáng)度和延伸牢 ( o j 成形性能密切相關(guān)) 的關(guān)系罔中( 如圖1 1 所不) 可以看到，先進(jìn)高強(qiáng)鋼( a h s s ： a d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e l ) ，尤其是雙相鋼( d pd u a lp h a s e ) 和相變誘導(dǎo)塑性鋼( i r i p ： t r a n s f o r m a t i o n i n d u c e dp l a s t i c i t y ) ，具有高強(qiáng)度的l 司時(shí)，f ! 王具有良好的塑性，剛此具有 良好的碰撞性能，即在碰捕過(guò)程可h 吸收大量的能量提高了汽車(chē)的安全性。圖i 一2 為鋼的強(qiáng)度f(wàn) 扯5 應(yīng)變下的流變應(yīng)力1 與沖擊吸收能量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)d p 和t r i p 鋼比其它鍘的沖擊性能更為優(yōu)良，這豐要是因?yàn)樵从谒鼈兲厥獾慕M織特征，芙丁組織 特征及奠對(duì)鋼性能的影響將在后面以敘述。 t e n s i l es t r e n g t h m p a ) 圈1 1 小同級(jí)別鋼的拉伸強(qiáng)座延伸率關(guān)系 f i g i is e n 毋h - e l o n g a t i o nr e l a t i o n s h i p s f o r l o ws e n g t h ，c o n v e n t i o n a l i t s s ，a n d a d v a n c e d h s ss t e e l s 鋼鐵研究總院博- 上論文 0 6 ( 5 ) ( m p a ) 圖1 2 在5 應(yīng)變時(shí)的流變慮力與沖擊吸收能最的關(guān)系2 】 f i g 1 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o ws t r e s sa n da b s o r b e de n g e r ya tt h es t r a i no f5 1 2 雙相鋼( d p 鋼) 1 2 1 j d - r 路線圖及組織特征 9 5 0 騏) 】 8 5 0 8 0 0 開(kāi)7 5 0 f7 0 0 6 5 0 6 0 0 5 5 0 s o o 圖1 3f e - c 二元相圖及雙相鋼的加工路線圖 f i g 1 3f e - cb i n a r yp h a s ed i a g r a ma n dr o u t ef o rd u a lp h a s es t e e lp r o c e s s i n g 2 ，工一i|【6jmcm刁mqjo諺niv 塑壁堡塞璺睦壁主堡墨 雙相鋼是由低碳鋼或低碳微臺(tái)金鋼通過(guò)兩相區(qū)的熱處理( 即臨界溫度區(qū)間內(nèi)退火和 隨后的淬火，如圖1 - 3 所示) 或控軋控冷得到。雙相區(qū)的退火溫度決定了奧氏體含量及 其周溶碳含量，從而決定了奧氏體的淬透性；而冷卻速度決定了奧氏體將以何種方式 ( 擴(kuò)散型或切變型) 完成轉(zhuǎn)變，這些加工歷史以及組織的變化將直接影響最終的力學(xué)性 能?？焖倮鋮s時(shí)，奧氏體會(huì)完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而在室溫下獲得由馬氏體和鐵素體 組成的雙相組織，如圖l - 4 所示。處于初始狀態(tài)的雙相鋼，鐵索體中的位錯(cuò)密度分布 不均勻，在緊鄰馬氏體處的位錯(cuò)密度較高，而心部則較少；而在慢冷過(guò)程中，首先奧 氏體的尺寸會(huì)因?yàn)殍F素體的形成而變小，這些鐵素體會(huì)依附在先析出的鐵素體上形成 并長(zhǎng)大，因此稱(chēng)其為外延鐵素體，隨著冷卻過(guò)程的繼續(xù)，余下的奧氏體( 更加富碳) 會(huì) 轉(zhuǎn)變成馬氏體、貝氏體或珠光體，最終的組織構(gòu)成取決于冷卻速度和合金組分。 匝殂圜一 圖i - 4 職相鋼的室溫組織構(gòu)成o ：鐵翥體：m ：馬氏體尸 f i g1 - 4 t y p i c a l m i a 啦帆咖揩0 fd i i m 岫咖d mr m 佃m p e n a t l 珊( f ：f 口r i t e , m ：m e c t o n s i 蝴 12 2 力學(xué)性能 雙相鋼的力學(xué)性能具有以下特點(diǎn)：1 ) 連續(xù)屈服行為，即應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈現(xiàn)光滑的 拱形，無(wú)屈服點(diǎn)延伸。這就避免成形零件表面的起皺：2 ) 高的加工硬化速率尤其是 鋼鐵研究總院博。l ：論文 初始加工硬化速率( do d e ) ，這樣，只要在很低的應(yīng)變下，就可使雙相鋼的流變應(yīng)力達(dá) 到一個(gè)很高的值：3 ) 低的屈服強(qiáng)度，這使沖壓件易于成形，回彈小，而且對(duì)沖壓模具 的磨損??；4 ) 高的抗拉強(qiáng)度，由于屈服強(qiáng)度低，抗拉強(qiáng)度高，因此屈強(qiáng)比高，這就使 得構(gòu)件在成形時(shí)的強(qiáng)度低，成形后的強(qiáng)度高，所以成形后的構(gòu)件具有高的壓潰抗力、 撞擊吸收能和疲勞強(qiáng)度：5 ) 均勻伸長(zhǎng)和大的總伸長(zhǎng)率。因而，雙相鋼具有較高的綜合 力學(xué)性能( 抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的乘積值大) 。 1 ) 連續(xù)屈服 研究表明【4 】，不連續(xù)屈服需要滿(mǎn)足三個(gè)準(zhǔn)則：1 ) 變形之前，可動(dòng)位錯(cuò)密度低；2 ) 變形過(guò)程中位錯(cuò)快速增殖；3 ) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度顯著地依賴(lài)于施加應(yīng)力。體心立方結(jié)構(gòu)的 鐵素體滿(mǎn)足條件2 和3 ，所以認(rèn)為高密度的可動(dòng)位錯(cuò)是雙相鋼具備連續(xù)屈服特征的豐 要成因；r a s h i d 指出【5 1 ，經(jīng)過(guò)臨界溫度區(qū)間淬火后，伴隨馬氏體形成而引起的體積膨 脹會(huì)在鄰近的鐵素體中引進(jìn)大量的位錯(cuò)；而g e r b a s e 認(rèn)為【6 】馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生的殘 余應(yīng)力起豐要作用；s p e i c h 7 】認(rèn)為，高的可動(dòng)位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)力共同促使了連續(xù)屈服 行為，s u k u m a 等人【8 j 通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)論的正確性。不論是基于何種機(jī)制，連續(xù) 屈服行為是雙相鋼區(qū)別于其它低合金高強(qiáng)鋼的一個(gè)明顯的力學(xué)特征。 2 ) 加工硬化 關(guān)于雙相鋼的加工硬化行為已存在大量的研究3 1 ，與其它鋼種不同，雙相鋼在 單向拉伸下的加工硬化過(guò)程十分復(fù)雜，可以分為三個(gè)應(yīng)變區(qū)域。c r i b b 和r i g s b e e 9 1 試 驗(yàn)中觀察到加工硬化的三個(gè)階段，如下所示： l 一( 應(yīng)變量為0 1 0 5 ) ：由于馬氏體和鐵素體應(yīng)變的不協(xié)調(diào)性，從而在鐵素體 中快速形成后應(yīng)力積累( b u i l du po fb a c ks t r e s s ) ，消除殘余應(yīng)力而引起的迅速加工硬 化： i i 一( 應(yīng)變量為0 5 4 ) ：由于鐵素體的塑性流變受到周?chē)鷱?qiáng)硬的且不易產(chǎn)生塑 性變形的馬氏體相約束，鐵素體的加工硬化速率下降； 4 鋼鐵研究總院博士論文 i i i 一( 應(yīng)變量 4 ) ：位錯(cuò)胞組織形成、動(dòng)態(tài)回復(fù)、交滑移以及馬氏體相的最終屈 服等將成為鐵素體進(jìn)一步變形的主要影響因素。 雙相鋼的這種加工硬化行為，能夠提高材料在成形過(guò)程中應(yīng)變分布的均勻性，成 形時(shí)，有助于防止早期凸耳和褶皺的發(fā)生。 1 2 3 力學(xué)性能的影響因素 很多因素都可以影響到雙相鋼的力學(xué)性能，如馬氏體和鐵素體的特征( 相對(duì)含量、 晶粒尺寸和形貌) 【1 4 - 3 1 、應(yīng)變速率陋3 5 】和外延鐵素體1 3 6 - 3 8 1 等，其中第一個(gè)因素起主導(dǎo)作 用。 纖維復(fù)合物模型以及連續(xù)體力學(xué)模型可以預(yù)測(cè)雙相鋼的變形行為【1 4 - 1 6 ，而且鐵素 體馬氏體界面之間的原子具有很好的匹配，因此，雙相鋼可以視為復(fù)合材料f 1 4 】，其強(qiáng) 度可以表示為： o = o m f m + 盯f ( 1 一厶) ( 1 - 1 ) 仃：拉伸強(qiáng)度，厶：馬氏體含量，仃m 和仃f 分別為馬氏體和鐵素體的強(qiáng)度。 馬氏體的強(qiáng)度主要取決于兩個(gè)因素：1 ) 精細(xì)亞機(jī)構(gòu)；2 ) 位錯(cuò)與間隙碳原子應(yīng)變場(chǎng) 之間的交互作用。鐵素體的強(qiáng)度取決于其晶粒尺寸、置換和間隙原子的含量以及位錯(cuò) 密度和排列，鐵素體的晶粒尺寸對(duì)第二相粒子馬氏體的含量不敏感【1 7 1 ；在臨界溫度區(qū) 間，退火溫度的選擇所造成的鐵素體溶質(zhì)成分的變化對(duì)鐵素體的強(qiáng)度影響很小。鐵素 體中的位錯(cuò)密度和分布主要與馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)造成的應(yīng)力有關(guān)，因此，臨界退火溫度的 不同所引起的鐵素體強(qiáng)度的變化主要是源于位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的變化，然而，與馬氏體的強(qiáng) 度變化相比，鐵素體的強(qiáng)度變化很小。 關(guān)于馬氏體的體積分?jǐn)?shù)( v m ) 對(duì)雙相鋼力學(xué)性能的影響已有大量研究【1 8 瓏】，增加馬 氏體的比例可以提高雙相鋼的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度；b a g 等人【l9 】指出，當(dāng)馬氏體 含量在5 5 的范圍內(nèi)，強(qiáng)度會(huì)隨著馬氏體含量的增加而一直增大；b y u n 2 1 】和s h e n t 2 3 1 也得出了相似的結(jié)論，但v m 的范圍不同。但是對(duì)這種現(xiàn)象的解釋則大致相同，即隨 鋼鐵研究總院博士論文 著馬氏體含量的增加，馬氏體的固溶碳濃度被稀釋?zhuān)斐闪笋R氏體的軟化，最終導(dǎo)致 強(qiáng)度下降。 s h e n 等人【2 3 】通過(guò)s e m 觀察發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變?cè)趦上嗌系姆植疾⒉?均勻，這與r a s h i d 和c p e r k 的研究結(jié)果一致【2 4 1 。當(dāng)鋼的含碳量一定時(shí)，隨著馬氏體含 量的增加，兩相之間應(yīng)變差別減小，在鐵素體充分變形后，載荷會(huì)通過(guò)馬氏體鐵素體 界面向馬氏體轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致了馬氏體的變形。 大量研究表明，雙相鋼的拉伸強(qiáng)度與馬氏體含量呈線性關(guān)系，而j e n a 等人【2 5 】對(duì) f e 1 5 m n 0 1 c 和f e 1 5 m n 0 2 c 兩種成分不同雙相鋼的拉伸強(qiáng)度研究發(fā)現(xiàn)，非線性關(guān) 系可以更好地解釋馬氏體含量與拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系，同時(shí)又考慮了鐵素體對(duì)強(qiáng)度貢 獻(xiàn)，關(guān)系式如下： 仃= 仃f + ( d 茜一盯fk + x m ( g c o f m ) 2 ( 1 - 2 ) 同時(shí)，雙相鋼的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度也遵循h(huán) a l l p e t c h 關(guān)系【2 6 1 ，即 仃= 盯d + 趔j “2 ( 1 - 3 ) 其中出為鐵素體的平均自由路徑，斜率k 隨著馬氏體含量的增加而增加。對(duì)于屈服強(qiáng) 度，c r 0 不受馬氏體含量的影響；對(duì)于拉伸強(qiáng)度，隨著馬氏體含量的增加而增大。 鐵素體晶粒尺寸和馬氏體含量對(duì)屈服強(qiáng)度的影響可以用推廣的位錯(cuò)塞積模型進(jìn)行解釋 1 2 6 1 o 基于a s h b y 的加工硬化理論和位錯(cuò)塞積模型，可推導(dǎo)出一個(gè)用來(lái)解釋雙相鋼流變 應(yīng)力和組織參數(shù)的更加一般的關(guān)系式，流變應(yīng)力對(duì)鐵素體晶粒尺寸的依賴(lài)遵循h(huán) a l l p e t c h 關(guān)系式，但形式不同，新的方程式如下【2 7 】： 仃= 盯：g ，厶，d ，) + k 1 g ，厶，d 。p ；2 ( 1 - 4 ) 其中，h a l l p e t c h 參數(shù)如下： 6 鋼鐵研究總院博士論文 小彳艤割1 2 恃卜盎卜 小。k 爿+ c 盤(pán)卜5 ， 在考慮鐵素體晶粒尺寸d f 和馬氏體島尺寸d m 的影響時(shí)，如果d m 一定，流變應(yīng)力與 d ；2 之間呈線性關(guān)系；當(dāng)d f 一定時(shí)，流變應(yīng)力與d ；“2 也遵循近似的線性關(guān)系，但k 1 要比第一種情況時(shí)大。而且，這個(gè)模型與基于修改的混合率模型和沉淀強(qiáng)化理論的關(guān) 系式相吻合。關(guān)于馬氏體含量、形貌、鐵素體晶粒尺寸等因素對(duì)雙相鋼拉伸力學(xué)性能 影響的試驗(yàn)研究還有很多【2 8 - 3 1 1 。 1 3 相變誘導(dǎo)塑性鋼( t r ip 鋼) 1 3 1 馬氏體和t r ip 鋼 t r i p 鋼，即相變誘導(dǎo)塑性鋼，是指以化學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)下存在的奧氏體( 相) 通過(guò)附 加的力學(xué)能量而誘發(fā)馬氏體相變，并在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)伴生著很大的延伸率。馬氏體轉(zhuǎn) 變以切變方式進(jìn)行，即在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，溶質(zhì)原子( 碳) 不擴(kuò)散，而轉(zhuǎn)變只有在低于一特 定溫度時(shí)才能發(fā)生，這個(gè)溫度稱(chēng)為馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度，即m 。，隨著過(guò)冷度的增 加，轉(zhuǎn)變的百分?jǐn)?shù)也隨之增加，從而定義出馬氏體轉(zhuǎn)變的結(jié)束溫度m f ，即9 5 的奧氏 體完成轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，與m 。不同，m f 沒(méi)有多大的意義。 研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力應(yīng)變作用下，馬氏體轉(zhuǎn)變可以在高于m 。溫度下完成 3 9 】，p l - j j n 應(yīng)力可以彌補(bǔ)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)驅(qū)動(dòng)力的不足【4 0 1 ，溫度越高，需要的外加應(yīng)力就越大，但 是高溫奧氏體強(qiáng)度低，當(dāng)誘導(dǎo)馬氏體相變的應(yīng)力超過(guò)了奧氏體的屈服強(qiáng)度時(shí)，塑性應(yīng) 變將先于相變發(fā)生。所以，應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變存在一溫度極限，即m d ，高于這一溫 度，在應(yīng)力作用下，奧氏體只會(huì)發(fā)生塑性變形，如圖1 5 【4 l j 所示。 z a c k a y 等人【4 2 】首次應(yīng)用t 剛p 效應(yīng)開(kāi)發(fā)了具有高伸長(zhǎng)率的t 剛p 鋼，然而鋼中貴重 金屬n i 的含量很大，限制了這類(lèi)鋼的應(yīng)用。在上個(gè)世紀(jì)8 0 年代，在低合金高強(qiáng)鋼f e 7 鋼鐵研究總院博卜論文 0 2 c ( 1 2 ) m n ( 1 2 ) s i 中也發(fā)現(xiàn)了t r i p 效應(yīng)【4 3 1 ，組織為5 0 6 0 的他形鐵素體，2 0 3 0 的無(wú)碳貝氏體，剩余相為高碳?xì)堄鄪W氏體以及少量馬氏體。這類(lèi)t r i p 鋼不含有貴重 金屬，因此具有一定的經(jīng)濟(jì)性。 2 j j 慨嵋刪u r e 鴨 圖1 - 5 應(yīng)力應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變機(jī)制示意副4 1 1 f i g 1 - 5s c h e m a t i c ss h o w i n gt h es t r e s s t r a i ni n d u c e dm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n 1 3 2 組織演變 h t r i p 鋼可以通過(guò)熱軋和冷軋兩種方式獲得。熱軋通常是在全奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行 的，軋制后冷卻到室溫，并嚴(yán)格控制軋制后的冷卻速度。然而，在通常情況下，兩步 的退火處理可以獲得更理想的組織，即在臨界溫度區(qū)間退火和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間退 火，如圖1 6 所示。室溫下的典型組織如圖1 7 。 t r i p 鋼中的殘余奧氏體與貝氏體轉(zhuǎn)變所導(dǎo)致的不完全性有關(guān)【4 5 1 ，盡管貝氏體鐵素 體可以無(wú)擴(kuò)散牛長(zhǎng)，但在貝氏體形成過(guò)程中，碳會(huì)大量向周邊的奧氏體中分配，而 s i 、a l 和p 等元素可以抑制碳化物的析出，使碳可以固溶在奧氏體中。在隨后冷卻過(guò) 程中，富碳奧氏體很穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，便會(huì)一直保持到室溫i 。隨著貝氏 體轉(zhuǎn)變進(jìn)行，奧氏體的碳含量不斷增加，變得越來(lái)越穩(wěn)定，在隨后的冷卻過(guò)程中不會(huì) 鋼鐵研究總院博p 論文 發(fā)牛馬氏體轉(zhuǎn)變，由于富含町以抑制碳化物析出的元素，也不會(huì)寢牛分解。如果奧氏 體的碳含量不足時(shí)，部分奧氏體可能會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，另一方面，隨著貝氏體轉(zhuǎn)變溫 度區(qū)問(wèn)等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，就會(huì)形成更多的貝氏體，從而未完成轉(zhuǎn)變的奧氏體數(shù)量就會(huì) 減少。所以，在貝氏體溫度區(qū)問(wèn)的等溫時(shí)間居于中等時(shí)，町以得到最大量的殘余奧氏 體。因此，叭氏體轉(zhuǎn)變對(duì)于室溫組織特征和力學(xué)性能起著十分重要的作用【”i 。 圖i 6 t p j p 鋼的加工下意圖1 4 i f i gi - 6s c h e m a t i cd i a g r 鋤l f o r p m c e s s i n g t r i ps t e e l 圖1 7 室溫ft r i p 鋼的典型組織 f i g1 - 7 a t y p i c a l m u l t i p h a s e m i e r o s t r u c t u r eo f a m o d e m t r i p a s s i s l e ds t e e l ， p+ie 鋼鐵研究總院博 ：論文 1 3 3 合金元素 除碳外，t r i p 鋼在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)加入一些合金元素，主要目的是：優(yōu)化殘余奧氏 體的比例；控制貝氏體等溫過(guò)程中的碳化物析出；增加鐵素體硬度以及淬透性，從而 避免在貝氏體轉(zhuǎn)變之前發(fā)牛珠光體轉(zhuǎn)變。 加入s i 可以強(qiáng)化鐵素體，提高強(qiáng)度；抑制貝氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中碳化物析出，獲得富 碳奧氏體；當(dāng)碳含量一定時(shí)，合適的s i m n 比例有利于消除帶狀組織，增加殘余奧氏 體含量，并提高其塑性【4 8 1 。 a l 和p 也可以抑制碳化物的析出【4 4 】，但不會(huì)強(qiáng)化鐵素體，因此，采用a l 合金化 的t r i p 鋼強(qiáng)度要低于對(duì)應(yīng)的s i t r i p 鋼1 4 4 , 4 9 ：而且，a l 合金化的t r i p 鋼中的鐵素體 含量要高于對(duì)應(yīng)的s i 合金化鋼，因?yàn)榍罢咴谳^高溫度時(shí)就開(kāi)始由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn) 變，而且具有較快的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)。p 可以強(qiáng)化鐵素體，p 和s i 在一起使用時(shí)，對(duì)殘余 奧氏體的形成十分有利5 0 1 。但應(yīng)該限制p 的含量，否則會(huì)在鐵素體和奧氏體中析出磷 化物【5 l 】。除此以外，根據(jù)不同的要求，t 對(duì)p 鋼中常常加入的合金元素還有：n b t 5 2 5 5 1 、c u 【5 6 】、b t 5 7 1 和n 1 5 8 】等。 1 3 4 力學(xué)性能 與其它同強(qiáng)度的鋼相比，t r i p 鋼具有更優(yōu)異的均勻伸長(zhǎng)和優(yōu)良的塑性1 5 9 1 。但與雙 相鋼不同，t r i p 鋼一般不會(huì)表現(xiàn)出連續(xù)屈服，盡管連續(xù)屈服有助于材料的成形性，即 可以避免拉伸變形或l i i d e r 帶的產(chǎn)生【硎。雙相鋼的逐漸屈服( g r a d u a ly i e l d i n g ) 舭要 源于鐵素體中的自由位錯(cuò)，而在t r i p 鋼中，貝氏體轉(zhuǎn)變很難有效地在鐵素體基體中 誘導(dǎo)自由位錯(cuò)的形成1 6 1 | 。 t r i p 鋼優(yōu)異的均勻伸長(zhǎng)源于亞穩(wěn)的殘余奧氏體在應(yīng)力或應(yīng)變作用下的馬氏體轉(zhuǎn) 變。在殘余奧氏體的變形過(guò)程中，由于馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)引起的體積膨脹，原始?xì)堄鄪W氏 體周邊的鐵素體會(huì)衍生出大量的位錯(cuò)，j a c q u e s 等人通過(guò)t e m 觀察到了這種現(xiàn)象【6 2 1 ， 而這些新產(chǎn)生的位錯(cuò)會(huì)參與到材料的變形中去。 1 0 鋼鐵研究總院博士論文 1 3 5 力學(xué)性能的影響因素 影響t r i p 鋼力學(xué)性能的因素很多，如相比例【6 3 】、殘余奧氏體的穩(wěn)定性【“6 9 1 、試 驗(yàn)參數(shù) 7 0 - 7 2 1 以及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài) 7 3 , 7 4 等，其中最重要是殘余奧氏體的熱力學(xué)穩(wěn)定性，獲 得盡可能多的穩(wěn)定殘余奧氏體是提高t r i p 效應(yīng)的前提。 殘余奧氏體的穩(wěn)定性在貝氏體轉(zhuǎn)變后就已經(jīng)確定，在貝氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，貝氏體 鐵素體的形成使得板條間以及周邊的奧氏體富碳化，如果殘余奧氏體的碳含量足夠 高，且碳化物析出被抑制，馬氏體轉(zhuǎn)變的m s 點(diǎn)低于室溫，因此，在室溫下仍然會(huì)保 留一定量的殘余奧氏體。 殘余奧氏體的穩(wěn)定性包括熱力學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，關(guān)于其穩(wěn)定性的研究，已 提出了諸多的物理方法 6 4 , 6 5 1 ，增加奧氏體中的碳含量可以降低馬氏體轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力。除 了固溶的碳含量，晶粒尺寸也會(huì)影響奧氏體的穩(wěn)定性，一般而言，細(xì)晶?？梢蕴岣咂?穩(wěn)定性。通過(guò)單個(gè)奧氏體晶粒的原位同步x 射線觀察發(fā)現(xiàn)，可以用如下公式來(lái)衡量奧 氏體的穩(wěn)定性【鯽， m 。= m s o a x c b y ；( 1 - 6 ) 前兩項(xiàng)是反映m s 與碳含量) 【c 關(guān)系的a n d r e w 方程，第三項(xiàng)反映了m s 對(duì)奧氏體晶 粒尺寸的依賴(lài)關(guān)系。文獻(xiàn)中【6 7 】論述了t r i p 鋼中殘余奧氏體的三種穩(wěn)定機(jī)制，分別是 馬氏體無(wú)熱形核中晶核的不足、合金元素的分配以及晶粒的尺寸，其中，碳富化所導(dǎo) 致的化學(xué)穩(wěn)定性最為顯著。 t r i p 鋼中的殘余奧氏體基本上處于兩個(gè)位置：鐵素體基體，且遠(yuǎn)離貝氏體；貝氏 體板條間的殘余奧氏體薄膜。這兩種殘余奧氏體也具有不同的穩(wěn)定性，位于板條間的 殘余奧氏體在變形過(guò)程中較為穩(wěn)定6 引，因此，那些沉淀在鐵素體基體上的孤立殘余奧 氏體更有助于改善t r i p 效應(yīng)。而且，殘余奧氏體與周邊相的交互作用會(huì)劇烈地影響 其穩(wěn)定性，等溫退火冷卻過(guò)程中形成的馬氏體以及鐵素體的強(qiáng)化都將對(duì)外加應(yīng)力起到 一個(gè)屏蔽作用，或者說(shuō)，鐵素體硬度的增加將會(huì)明顯地延遲應(yīng)力向殘余奧氏體的傳 輸，從而延緩了t r i p 效應(yīng)的啟動(dòng)【6 9 】。 鋼鐵研究總院博j 二論文 1 3 6 應(yīng)力應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變 0 【) 0o 0 5 t m es t r a i n o 2 s 圖1 8 應(yīng)變誘導(dǎo)形成的馬氏體含量量與真實(shí)應(yīng)變之間關(guān)系蚓 f i g 1 8k i n e t i c so ft h es t r a i n - i n d u c e dm a r t e n s i t ef o r m a t i o n e a c hc u r v er e p r e s e n t sas t e e lw i t hd i f f e r e n t c a r b o nc o n t e n to ft h er e t a i n e da u s t e n i t e 在應(yīng)力應(yīng)變作用下，t r i p 鋼中的殘余奧氏體可能會(huì)發(fā)牛馬氏體相變，應(yīng)變誘導(dǎo) 馬氏體相變過(guò)程可以用圖1 8 解釋。在開(kāi)始階段，快速轉(zhuǎn)變是源于變形過(guò)程中引進(jìn)的 大量形核位置，隨著應(yīng)變的增加，轉(zhuǎn)變速度減慢，直至停止，這就是所謂的機(jī)械穩(wěn)定 性，為共格轉(zhuǎn)變的固有特征。 t r i p 鋼中殘余奧氏體在應(yīng)力應(yīng)變作用下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程用下面方程描述【7 5 1 ， i n 。) 一l n 以) = k e ( 1 - 7 ) 1 2 鋼鐵研究總院博士論文 巧。為殘余奧氏體的初始體積分?jǐn)?shù)，巧為在應(yīng)變占下，未轉(zhuǎn)變殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。 同時(shí)，未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體可以用塑性應(yīng)變、變形溫度、化學(xué)成分和原始?xì)堄鄪W氏體 含量的函數(shù)形式表達(dá)【7 6 1 ： l n ( v r 。) 一l n ( _ ) = k 。g ，s ( 1 - 8 ) a g 7 = 一a g 蘆。= 一( g 4 一g 7 ) ( 1 - 9 ) a g 是奧氏體和馬氏體的自由能差。毛為0 0 0 2 0 1 7j m o l 。 這些模型都可以精確地解釋?xiě)?yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的動(dòng)力學(xué)。 1 4 焊接性研究現(xiàn)狀 目前，關(guān)于d p 和t r i p 鋼的焊接性研究，主要集中在電阻焊焊接方法上，同時(shí)也 有少量的激光焊、攪拌摩擦焊和電弧焊研究。關(guān)于拼焊板的成形性研究，主要為激光 拼焊，下面將對(duì)這兩種鋼的焊接問(wèn)題和拼焊板的成形性加以描述。 1 4 1 熱影響區(qū)軟化 圖1 - 9 為雙相鋼電阻焊焊接接頭的硬度曲線和對(duì)應(yīng)接頭的宏觀形貌，在硬度分布 曲線上，部分熱影響區(qū)的硬度值低于母材，即發(fā)生了軟化，軟化是由于母材中馬氏體 分解所致，尤其在采用大線能量焊接方法時(shí)更加嚴(yán)重，如電弧焊；而且材料的成分、 熱輸入和預(yù)應(yīng)變處理等均會(huì)影響軟化區(qū)的硬度變化，例如，在對(duì)貧合金元素的雙相鋼 研究中發(fā)現(xiàn)，增加熱輸入和預(yù)變形都會(huì)加大熱影響區(qū)的軟化【7 8 】。 熱影響區(qū)的軟化會(huì)降低焊接接頭的整體強(qiáng)度，成為整個(gè)接頭的薄弱區(qū)域，在接頭 拉伸時(shí)，在軟化區(qū)頸縮，且應(yīng)變也主要集中在這一區(qū)域【7 9 1 。 關(guān)于軟化區(qū)的組織特征，有人采用等溫?zé)崽幚矸椒ㄟM(jìn)行研究【8 0 - 8 3 1 ，發(fā)現(xiàn)雙相鋼中 馬氏體相的回火分解產(chǎn)物與完全淬火的含碳合金鋼相似【8 1 】，即隨著熱處理溫度和保溫 時(shí)間的變化，析出的碳化物種類(lèi)也不相同。c h a n g 也對(duì)雙相鋼在等溫和等時(shí)條件下的 塑壁生鏨些墮豎主堡皇 回火組織和力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究剮?；鼗疖浕M管會(huì)明顯降低鋼的拉伸強(qiáng)度，但 對(duì)屈服強(qiáng)度的影響并不明顯，而且有助于整體回火鋼板成形性能的改善1 8 5 1 。 - _ - 電 療- r ：二一 一j - l 二i - 一 f u s i o nz o n e 8 夕 i b 阿印 l v i s o f t e n i n gl ut h a z h a z 卜。i _ _ _ _ _ _ 。= 。_ - 。- _ _ _ - - 石m m 圖l 母電阻焊雙相鋼接頭的宏觀結(jié)構(gòu)及其硬度分布”日 f i g i - 9 v i c k e