（材料學(xué)專業(yè)論文）汽車用先進(jìn)高強鋼的激光焊研究.pdf

摘要 先進(jìn)高強度汽車鋼在具有高強度的同時也具有良好的塑性，這一優(yōu)點使其可以在 降低車身自重的同時，兼顧到其安全性，因此開始逐步被應(yīng)用到汽車車身設(shè)計中。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)變成馬氏體過程中誘發(fā)塑性并提高強度；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。對兩種焊縫的動態(tài)和靜態(tài)拉伸試驗 并未發(fā)現(xiàn)焊縫性能對拉伸速率表現(xiàn)出顯著的敏感性，但a l 合金焊縫的強度與塑性乘積 的下降要低于對應(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程中碳化物 的析出，但對焊接性的影響卻截然不同。 d p 鋼焊接的主要問題是焊接熱影響區(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。 時間常數(shù)，c 可以將兩種激光焊下的軟化區(qū)統(tǒng)一起來，隨著時間常數(shù)的增加，軟化越嚴(yán) 重，并最終達(dá)到一平臺，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由鐵素體和貝氏體逐漸向全馬氏體過渡 另一方面，在雙向應(yīng)力的沖頭試驗中( 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，裂紋總是不無例外地發(fā)牛在軟化區(qū)并沿軟化區(qū)擴展，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)的低合金高強鋼h s l a 具有與母材相當(dāng)?shù)某尚涡裕_裂源于焊 縫，垂直于焊縫向母材擴展。就成形性而言，d p 和h s l a 鋼對焊接加工表現(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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體， 均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(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)高強鋼的特點 第一章緒論 節(jié)省燃料和保證安全的要求成為高強度鋼在汽車工業(yè)中穩(wěn)步增k 的驅(qū)動力。與其 它材料，如輕金屬鋁、鎂、坦料以及復(fù)合材料相比，高強度鋼除了可減輕車身的重量 外，而月加上工藝類似于傳統(tǒng)的低碳鋼，因此，在減輕車身自重的同時，其制造成本 并沒青日月顯的r 升，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能。從不同種類鋼材的掙伸強度和延伸牢 ( 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 ) ，具有高強度的l 司時，f ! 王具有良好的塑性，剛此具有 良好的碰撞性能，即在碰捕過程可h 吸收大量的能量提高了汽車的安全性。圖i 一2 為鋼的強度f 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，這豐要是因為源于它們特殊的組織特征，芙丁組織 特征及奠對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 小同級別鋼的拉伸強座延伸率關(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金鋼通過兩相區(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，奧氏體會完全轉(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，鐵索體中的位錯密度分布 不均勻，在緊鄰馬氏體處的位錯密度較高，而心部則較少；而在慢冷過程中，首先奧 氏體的尺寸會因為鐵素體的形成而變小，這些鐵素體會依附在先析出的鐵素體上形成 并長大，因此稱其為外延鐵素體，隨著冷卻過程的繼續(xù)，余下的奧氏體( 更加富碳) 會 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：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，無屈服點延伸。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) 到一個很高的值：3 ) 低的屈服強度，這使沖壓件易于成形，回彈小，而且對沖壓模具 的磨損??；4 ) 高的抗拉強度，由于屈服強度低，抗拉強度高，因此屈強比高，這就使 得構(gòu)件在成形時的強度低，成形后的強度高，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度：5 ) 均勻伸長和大的總伸長率。因而，雙相鋼具有較高的綜合 力學(xué)性能( 抗拉強度與伸長率的乘積值大) 。 1 ) 連續(xù)屈服 研究表明【4 】，不連續(xù)屈服需要滿足三個準(zhǔn)則：1 ) 變形之前，可動位錯密度低；2 ) 變形過程中位錯快速增殖；3 ) 位錯運動速度顯著地依賴于施加應(yīng)力。體心立方結(jié)構(gòu)的 鐵素體滿足條件2 和3 ，所以認(rèn)為高密度的可動位錯是雙相鋼具備連續(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 脹會在鄰近的鐵素體中引進(jìn)大量的位錯；而g e r b a s e 認(rèn)為【6 】馬氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的殘 余應(yīng)力起豐要作用；s p e i c h 7 】認(rèn)為，高的可動位錯密度和殘余應(yīng)力共同促使了連續(xù)屈服 行為，s u k u m a 等人【8 j 通過試驗證實了這一結(jié)論的正確性。不論是基于何種機制，連續(xù) 屈服行為是雙相鋼區(qū)別于其它低合金高強鋼的一個明顯的力學(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程十分復(fù)雜，可以分為三個應(yīng)變區(qū)域。c r i b b 和r i g s b e e 9 1 試 驗中觀察到加工硬化的三個階段，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圍強硬的且不易產(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 ) ：位錯胞組織形成、動態(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程中應(yīng)變分布的均勻性，成 形時，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 度可以表示為： o = o m f m + 盯f ( 1 一厶) ( 1 - 1 ) 仃：拉伸強度，厶：馬氏體含量，仃m 和仃f 分別為馬氏體和鐵素體的強度。 馬氏體的強度主要取決于兩個因素：1 ) 精細(xì)亞機構(gòu)；2 ) 位錯與間隙碳原子應(yīng)變場 之間的交互作用。鐵素體的強度取決于其晶粒尺寸、置換和間隙原子的含量以及位錯 密度和排列，鐵素體的晶粒尺寸對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)成分的變化對鐵素體的強度影響很小。鐵素 體中的位錯密度和分布主要與馬氏體轉(zhuǎn)變時造成的應(yīng)力有關(guān)，因此，臨界退火溫度的 不同所引起的鐵素體強度的變化主要是源于位錯亞結(jié)構(gòu)的變化，然而，與馬氏體的強 度變化相比，鐵素體的強度變化很小。 關(guān)于馬氏體的體積分?jǐn)?shù)( v m ) 對雙相鋼力學(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度和極限拉伸強度；b a g 等人【l9 】指出，當(dāng)馬氏體 含量在5 5 的范圍內(nèi)，強度會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，造成了馬氏體的軟化，最終導(dǎo)致 強度下降。 s h e n 等人【2 3 】通過s e m 觀察發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行拉伸試驗時，應(yīng)變在兩相上的分布并不 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，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，載荷會通過馬氏體鐵素體 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，雙相鋼的拉伸強度與馬氏體含量呈線性關(guān)系，而j e n a 等人【2 5 】對 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度之間的關(guān)系，同時又考慮了鐵素體對強度貢 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，雙相鋼的屈服強度和拉伸強度也遵循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。對于屈服強 度，c r 0 不受馬氏體含量的影響；對于拉伸強度，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屈服強度的影響可以用推廣的位錯塞積模型進(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塞積模型，可推導(dǎo)出一個用來解釋雙相鋼流變 應(yīng)力和組織參數(shù)的更加一般的關(guān)系式，流變應(yīng)力對鐵素體晶粒尺寸的依賴遵循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，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，流變應(yīng)力與d ；“2 也遵循近似的線性關(guān)系，但k 1 要比第一種情況時大。而且，這個模型與基于修改的混合率模型和沉淀強化理論的關(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雙相鋼拉伸力學(xué)性能 影響的試驗研究還有很多【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)變過程中，溶質(zhì)原子( 碳) 不擴散，而轉(zhuǎn)變只有在低于一特 定溫度時才能發(fā)生，這個溫度稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度，即m 。，隨著過冷度的增 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)變時的溫度，與m 。不同，m f 沒有多大的意義。 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)力可以彌補馬氏體轉(zhuǎn)變時驅(qū)動力的不足【4 0 1 ，溫度越高，需要的外加應(yīng)力就越大，但 是高溫奧氏體強度低，當(dāng)誘導(dǎo)馬氏體相變的應(yīng)力超過了奧氏體的屈服強度時，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)開發(fā)了具有高伸長率的t 剛p 鋼，然而鋼中貴重 金屬n i 的含量很大，限制了這類鋼的應(yīng)用。在上個世紀(jì)8 0 年代，在低合金高強鋼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t r i p 鋼不含有貴重 金屬，因此具有一定的經(jīng)濟性。 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 體可以無擴散牛長，但在貝氏體形成過程中，碳會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 程中，富碳奧氏體很穩(wěn)定，不會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，便會一直保持到室溫i 。隨著貝氏 體轉(zhuǎn)變進(jìn)行，奧氏體的碳含量不斷增加，變得越來越穩(wěn)定，在隨后的冷卻過程中不會 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，也不會寢牛分解。如果奧氏 體的碳含量不足時，部分奧氏體可能會轉(zhuǎn)變成馬氏體，另一方面，隨著貝氏體轉(zhuǎn)變溫 度區(qū)問等溫時間的延長，就會形成更多的貝氏體，從而未完成轉(zhuǎn)變的奧氏體數(shù)量就會 減少。所以，在貝氏體溫度區(qū)問的等溫時間居于中等時，町以得到最大量的殘余奧氏 體。因此，叭氏體轉(zhuǎn)變對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)計過程中會加入一些合金元素，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 可以強化鐵素體，提高強度；抑制貝氏體轉(zhuǎn)變過程中碳化物析出，獲得富 碳奧氏體；當(dāng)碳含量一定時，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 】，但不會強化鐵素體，因此，采用a l 合金化 的t r i p 鋼強度要低于對應(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 含量要高于對應(yīng)的s i 合金化鋼，因為前者在較高溫度時就開始由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn) 變，而且具有較快的轉(zhuǎn)變動力學(xué)。p 可以強化鐵素體，p 和s i 在一起使用時，對殘余 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 與其它同強度的鋼相比，t r i p 鋼具有更優(yōu)異的均勻伸長和優(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，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)自由位錯的形成1 6 1 | 。 t r i p 鋼優(yōu)異的均勻伸長源于亞穩(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程中，由于馬氏體轉(zhuǎn)變時引起的體積膨脹，原始?xì)堄鄪W氏 體周邊的鐵素體會衍生出大量的位錯，j a c q u e s 等人通過t e m 觀察到了這種現(xiàn)象【6 2 1 ， 而這些新產(chǎn)生的位錯會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 點低于室溫，因此，在室溫下仍然會保 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)動力。除 了固溶的碳含量，晶粒尺寸也會影響奧氏體的穩(wěn)定性，一般而言，細(xì)晶?？梢蕴岣咂?穩(wěn)定性。通過單個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，第三項反映了m s 對奧氏體晶 粒尺寸的依賴關(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)定機制，分別是 馬氏體無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劇烈地影響 其穩(wěn)定性，等溫退火冷卻過程中形成的馬氏體以及鐵素體的強化都將對外加應(yīng)力起到 一個屏蔽作用，或者說，鐵素體硬度的增加將會明顯地延遲應(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【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發(fā)牛馬氏體相變，應(yīng)變誘導(dǎo) 馬氏體相變過程可以用圖1 8 解釋。在開始階段，快速轉(zhuǎn)變是源于變形過程中引進(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)變作用下的動力學(xué)過程用下面方程描述【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，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應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的動力學(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，下面將對這兩種鋼的焊接問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)變處理等均會影響軟化區(qū)的硬度變化，例如，在對貧合金元素的雙相鋼 研究中發(fā)現(xiàn)，增加熱輸入和預(yù)變形都會加大熱影響區(qū)的軟化【7 8 】。 熱影響區(qū)的軟化會降低焊接接頭的整體強度，成為整個接頭的薄弱區(qū)域，在接頭 拉伸時，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 時間的變化，析出的碳化物種類也不相同。c h a n g 也對雙相鋼在等溫和等時條件下的 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。回火軟化盡管會明顯降低鋼的拉伸強度，但 對屈服強度的影響并不明顯，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