2000MPa级热成形钢的强韧化机制及应用技术研究

【摘要】：热成形钢作为目前汽车板中强度级别最高的钢板之一,主要应用在车身前后保险杠和B柱等关键的安全部件,目前应用最广泛的热成形钢为22MnB5钢,热成形后的抗拉强度可达到1500～1600 MPa,总伸长率为5～6%,在应用过程中,面临塑性太低、氢致延迟开裂和更高强度的需求等问题,本研究通过材料的成分优化,多种强韧化机制共同作用,在实现高强度的同时保持足够的塑性,改善氢致延迟开裂,开发一种抗拉强度≥2000 MPa,总伸长率在6～9%之间,具有优异吸能性能的超高强热成形钢,主要的工作如下:(1)在传统22MnB5的基础上,通过成分优化,开发强韧兼具的2000 MPa级热成形钢。设计合理的C元素范围,保证组织中足够的固溶碳含量,提升Si元素的含量,抑制碳化物析出,保证最终得到的组织中获得一定比例的残留奥氏体,Nb元素的加入起到了细化晶粒的作用。在含Nb元素的38MnBNb中,当冷却速度大于临界冷速2℃/s后,组织的维氏硬度≥640 HV,与22MnB5的临界冷速27 ℃/s相比,38MnBNb的临界冷速明显降低,实验钢的非马氏体相变被显著地抑制,低的Ms和Mf有利于在最终组织中得到一定量的残留奥氏体。(2)通过Thermal-Calc计算实验钢析出粒子的析出规律,制定了 870～1150 ℃的热轧温度区间,实验钢中的析出物显著多于1500 MPa级热成形钢。Nb元素加入后可以细化热轧后的组织,同时提高实验钢的强度和延伸率。罩式退火在700 ℃保温5 h得到最大的总伸长率22.88%,在连续退火工艺中,在740 ℃退火后得到最小的抗拉强度918 MPa,最大的总伸长率15.64%,罩式退火具有更低的强度和更高的延伸率。实验钢淬火后的组织为马氏体(新生马氏体和回火马氏体)、3～5%残留奥氏体和碳化物析出的复合组织,随着奥氏体保温温度的升高和奥氏体保温时间的延长,晶粒呈现增大的趋势,相对于奥氏体化保温时间,奥氏体化温度对实验钢的力学性能影响更大。随着淬火温度的降低,实验钢的总伸长率显著降低,这与全马氏体组织中过高的内应力有关。(3)淬火-回火工艺,可以显著提高实验钢的屈服强度,减小组织的内应力,提升实验钢的韧性。在淬火-配分工艺中,随着配分时间的延长,实验钢中的残留奥氏体体积分数和残留奥氏体中的碳含量显著增加,大幅度提高实验钢的塑性。通过和商用35MnB5防撞梁对比,在2000 MPa级热成形钢中引入回火马氏体和一定比例的残留奥氏体可以提升实验钢的塑性,Nb和Ti等微合金化元素加入后,可以起到细化晶粒的效果。(4)在慢速拉伸实验中,含Nb元素的2000 MPa级热成形钢38MnBNb呈现出最低的强度损失和塑性损失,Nb和Ti等元素加入后,可以显著降低钢中的氢扩散系数,38MnBNb的氢扩散系数在目前的汽车板中处于一个较低的水平,Nb元素加入后提高了组织小角度晶界的比例,提高了材料中可逆氢陷阱的数量。充氢前后的断口都由心部断裂区和边部的瞬时断裂区构成,充氢后心部断裂区面积增大,商用35MnB5充氢后的心部断裂区出现大的裂纹,而38MnB和38MnBNb的充氢后断口没有。充氢后的微裂纹主要沿着轧制方向扩张,这与轧制后低硬度夹杂物的拉长有关,并且38MnBNb的微裂纹宽度要小于35MnB5和38MnB。35MnB5和38MnB的裂纹以沿晶界扩张为主,而38MnBNb的裂纹以晶内扩张为主,38MnBNb组织中低比例的∑3晶界也对改善氢致开裂做出贡献。通过细化晶粒、引入第二相析出、引入残留奥氏体和改善马氏体形态等手段综合作用,降低了 2000 MPa级热成形钢的氢致开裂敏感性。(5)实验钢在动态拉伸时体现出积极的应变速率敏感性,从整体上看,随应变速率的增大,实验钢的屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率、颈缩后延伸率、应变硬化率和断口处位错密度都呈现增大的趋势。在高应变速率阶段(100～103 s-1)拉伸时,在断口附近产生的绝热温升可以造成软化现象,提升颈缩后延伸率。随着应变速率的升高宏观断口由“V”形转变成45°方向的断口。通过和目前商用的DP590、DP780和30MnB5三种汽车钢对比,在颈缩位置,本研究开发的2000 MPa级热成形钢在不同应变速率下吸收能量的能力均优于三种对比钢,本实验钢在应变速率为103s-1时,吸收的能量达到了 21721 MPa·%,体现了良好的吸能效果。