選擇性復位工藝實現中錳鋼一板雙性能！
2020-09-23 來源：泥濘
近十幾年，先進高強鋼在汽車領域得到了廣泛地發展。對于汽車白車身，一個汽車零件的不同部位有時需要不同的力學性能。例如，為了確保交通事故中乘客的安全，B柱的上半部分需要確保1500MPa的強度而下半部分需要15%以上的塑性以充分吸收沖擊能量。此種不兼容的力學性能很難在同一鋼板上實現，因此一般通過拼焊板的熱沖壓成形來解決此問題。盡管熱沖壓技術可以生產出具有不兼容力學性能的汽車零件，但是拼焊和熱成形會惡化焊接區的力學性能。中錳鋼在軋制和退火后展現出優異的力學性能，可以進行冷沖壓且在成型后表現出高的強度。如果能夠恢復冷成形前的塑性，則有望在中錳鋼單個鋼板中實現不兼容的力學性能，解決拼焊板熱沖壓成形過程中的問題。
近日，韓國漢陽大學和全北國立大學的研究人員提出了一種簡單的復位（resetting）工藝，通過逆轉應變誘導的富錳馬氏體，將組織還原到中錳鋼冷軋前的組織，且恢復了冷軋中錳鋼的塑性并改善了強度。本研究提出，可以通過選擇性地對冷軋中錳鋼進行復位工藝，在同一鋼板不同部位分別實現冷軋狀態的高強度和復位處理后的高塑性的不兼容性能組合。相關成果以“Recovering the ductility of medium-Mn steel by restoring the original microstructure”為題發表在期刊Scripta Materialia，通訊作者為韓國漢陽大學教授Jeongho Han。
本工作所用中錳鋼的成分為Fe-7Mn-0.2C-3Al (wt.%)，經過均勻化和熱軋處理后，進行如圖1（a）所示的熱處理。熱軋（HW）鋼板在700℃進行1h退火后，水淬至室溫（HWA），得到富Mn奧氏體和貧Mn回火馬氏體的組織。隨后，將HWA樣品進行55%壓下量的冷軋處理以模擬冷沖壓過程（CW），此過程中大部分富Mn奧氏體轉變為新生馬氏體。最后，在膨脹儀中對CW樣品進行復位處理，具體地，將CW樣品以100℃/s的冷卻速率加熱至800℃后立即進行氣冷，此過程主要是將組織還原到中錳鋼冷軋前的HWA組織。復位溫度選擇800℃的原因是此溫度下可以確保所有的富Mn馬氏體都轉變為奧氏體。各個狀態下的相組成以及組織形貌如圖1（b）和（c）所示。XRD結果表明HWA樣品中殘余奧氏體含量為0.461，CW樣品中殘余奧氏體含量為0.16，CWA樣品中殘余奧氏體含量為0.512。SEM結果表明，CWA樣品完美重現了HWA樣品中的組織形貌，且尺寸更加細小。
圖1 （a）熱處理過程和相應的組織演變示意圖；（b）不同狀態下的XRD表征；（c）不同狀態下的組織表征。（a）中給出了用此工藝制備性能不兼容鋼板的示意圖。
相比于HWA樣品，CWA樣品中回火馬氏體和殘余奧氏體的取向更加豐富，間接驗證了冷軋可以促進再結晶動力學。TEM-EDXS結果和XRD分析表明，CWA樣品中殘余奧氏體的Mn和C含量更低，可能是由于CWA樣品中殘余奧氏體含量更高。
圖2 （a, b）HWA和CWA樣品的EBSD相組成圖和IPF圖；（c, d）HWA和CWA樣品的元素分布表征
CW樣品的抗拉強度可達1500MPa；而CWA樣品的抗拉強度為1220MPa，延伸率為38%，其強度遠遠高于HWA樣品且延伸率幾乎不變。CWA樣品中表現出不連續屈服現象，作者認為是回火馬氏體的回復和再結晶導致基體軟化引起的。通過選擇性地對CW樣品進行復位工藝處理，可以在同一鋼板的不同部位分別實現CW高強度和CWA高塑性的不兼容性能組合。
圖3 （a, b）HWA，CW和CWA樣品的工程應力應變曲線和應變硬化率;（c）0.000-0.074真應變范圍內HWA和CWA樣品中的局部應變分布
相比于HWA樣品，CWA樣品中的TRIP和TWIP效應都比較顯著，因此具有高的應變硬化率，從而表現出高強高韌的優異力學性能。
圖4 （a）XRD和Feritscope測得的HWA和CWA樣品中殘余奧氏體含量隨真應變的變化；（b）0.03應變下CWA樣品中表現出的呂德斯帶擴展現象；（c, d）0.17應變下HWA和CWA樣品組織的TEM表征
本工作中提出了一種恢復冷成型中錳鋼塑性的新工藝——復位工藝。研究人員將冷成型鋼板快速加熱到兩相區直接冷卻，成功將組織和塑性恢復到冷軋前的狀態，且強度大大提升。通過對冷成型中錳鋼進行選擇性復位處理，在不進行焊接的條件下，可以在一個汽車零件中實現不同性能的不兼容匹配。
歡迎留言，材料科學的進步，需要您的發聲！
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.022
微信公眾號：Goal Science
投稿郵箱：wechat@gs-metals.com
投稿微信：GSmaterial