吴 腾， 张桂淋， 尹利成， 柯德庆， 李思杰， 答国宇， 孙兆康

(1. 武汉科技大学 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室， 湖北 武汉 430080;2. 武汉科技大学 材料与冶金学院， 湖北 武汉 430080)

随着经济与科技的发展，汽车作为重要的交通工具被广泛使用，但汽车工业带来的高排放和高能耗对环境保护和可持续发展造成巨大挑战，汽车轻量化有利于节能减排和提高车辆的碰撞安全性能，是相关科研人员关注的重点和热点，也是汽车工业实现碳达峰与碳中和的发展方向[1-2]。近年来，先进高强钢在车身制造上被大量使用，相比于传统汽车用钢，其主要通过相变实现强化，并拥有较好的强度与塑韧性匹配。双相钢是由铁素体(F)和马氏体(M)组成的先进高强钢，具有低的屈强比和高的加工硬化率，主要用于汽车的结构件和防撞件等[3-5]。

超高强钢(Rm≥980 MPa)，特别是超高强双相钢在汽车生产制造上应用越来越广泛。而超高强双相钢在生产上以冷轧为主且添加了较多的合金元素以提高强度，既增加了工艺流程和生产成本，也不利于节能减排[6-7]。本文基于轻量化和合金减量化原则，采用低成本的C-Si-Mn系进行成分设计，未添加其他合金元素，通过热轧大压下率(TMCP)和超快冷(UFC)获得大量形变亚结构[8]，探究这些形变亚结构对超高强双相钢中的相变行为及组织形成的影响，接着将超快冷后的试验钢在两相区进行不同时间弛豫热处理，利用万能材料试验机、扫描电镜和透射电镜等设备研究弛豫时间对超高强热轧双相钢的组织与性能的影响，以期为工业化生产提供参考。

试验钢通过50 kg中频真空感应炉进行冶炼，化学成分如表1所示，其中一定量的Si有利于抑制碳化物析出和促进铁素体形成，一定量的Mn可扩大奥氏体相区和提高淬透性，也起到固溶强化的作用。经JMatPro软件计算可知，试验钢的Ac3为835 ℃，在630 ℃附近发生铁素体转变的孕育期较短，由此可将试验钢的终轧温度取为840 ℃，将弛豫温度取为630 ℃。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

铸坯经锻造后得到40 mm厚坯料，在1200 ℃的加热炉中保温1 h，再通过二辊可逆热轧机进行两阶段的控制轧制，第一阶段为再结晶区粗轧(40 mm→24 mm→11 mm→6.5 mm，压下率为83.8%)，第二阶段为未再结晶区精轧(6.5 mm→4.5 mm→3.8 mm，压下率为41.5%)，其中开轧温度为1140 ℃，终轧温度为840 ℃，轧后厚度为3.8 mm。接着将其置于630 ℃的盐浴炉中模拟超快冷并进行等温弛豫，弛豫时间为4、7和10 s，弛豫过程中析出铁素体，最后水淬至室温发生马氏体相变，得到马氏体+铁素体的双相钢钢板[9]。

沿热轧板纵向切取试样进行组织观察和性能检测。试样经磨制和抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，用ZEISSAxioplan2型光学显微镜(OM)和Nova nano 400型扫描电镜(SEM)观察显微组织和定量分析，将试样进一步磨至50～60 μm薄片后经冲孔器得到φ3 mm的圆片，在Struers TenuPol-5型双喷减薄仪上进行减薄，电解液为体积分数为8%的高氯酸酒精溶液，最后将制得的试样在JEM-2100F型透射电镜(TEM)上观察精细结构。用WAW-500C型万能材料试验机进行拉伸试验，试样按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》制成标准拉伸试样，标距为50 mm，拉伸速度为2 mm/min。

2.1 显微组织

试验钢在两阶段控轧后超快冷至两相区经4、7和10 s弛豫热处理，然后淬火至室温得到的显微组织如图1所示。通过光学显微镜观察可知，试验钢在不同弛豫时间下的组织均为白亮的铁素体和暗黑的马氏体，如图1(a～c)所示。其中，有大量的马氏体和铁素体呈条带状分布，而且随着弛豫时间的增加，条带状分布越明显，这是由于试验钢在第一阶段大压下率粗轧时积累了大量畸变能并使奥氏体发生动态再结晶，细化了原奥氏体晶粒，接着在第二阶段的未再结晶区精轧，晶粒变得扁平，得到具有高位错密度的形变亚结构，随后的超快冷至弛豫温度使大量形变亚结构保留至相变区域，铁素体易从奥氏体晶界处形核长大，长时间的弛豫使铁素体析出更充分并易呈带状分布[10]。采用IPP软件对组织进行定量测量，得出弛豫时间为4、7和10 s时的铁素体平均晶粒尺寸分别为3.4、3.6和3.9 μm，铁素体体积分数分别为56.2%、59.6%、65.3%。因此，随着弛豫时间增加，铁素体的平均晶粒尺寸和体积分数均逐渐增加，铁素体的等轴化程度也越高。

通过扫描电镜观察可知，试验钢经弛豫后水淬至室温发生马氏体相变，得到较多的块状马氏体，也有部分长条马氏体和岛状马氏体，如图1(d～f)所示。可以看出，随着弛豫时间的增加，马氏体的体积分数减小，并且条状马氏体和岛状马氏体逐渐增多，这是由于在弛豫过程中有碳向未转变的奥氏体中扩散，而大量的形变亚结构为扩散提供快速通道，随着弛豫时间的增加，未转变奥氏体中的碳含量增加，奥氏体稳定性增加且马氏体相变点降低，使淬火后得到的马氏体体积分数随之减少，也更易形成条状马氏体与岛状马氏体。故而，弛豫时间对相变组织的体积分数和形貌产生重要影响。

图1 不同弛豫时间下试验钢的显微组织Fig.1 Microstructure of the tested steel under different relaxation time(a,d) 4 s；

(b,e) 7 s；

(c,f) 10 s

2.2 力学性能

表2为不同弛豫时间下试验钢经室温拉伸后得到的力学性能。当弛豫时间由4 s增加至10 s时，屈服强度由544 MPa减小至492 MPa，抗拉强度先增加后减小且均在1000 MPa以上，伸长率由9.0%增加至17.5%，屈强比均较低，由0.51减小至0.48；
加工硬化率n值较高，由0.11增加至0.13，强塑积由9.59 GPa·%增加至17.94 GPa·%。因此，试验钢在获得1000 MPa的超高强度时，还具有良好的塑韧性，表现出较好的强塑性匹配。

表2 不同弛豫时间下试验钢的力学性能

不同弛豫时间下试验钢的组织均由软相铁素体和硬相马氏体组成，在拉伸变形过程中，铁素体会先发生塑性变形并承担主要变形，故其屈服强度主要与铁素体相关。弛豫时间为4 s时(时间最短)，试验钢中铁素体的等轴化程度最低，还有较多的晶粒未充分长大，得到的铁素体平均晶粒尺寸最小，为3.4 μm、体积分数最少，为56.2%，而且还能通过透射电镜在铁素体内部观察到较多亚晶和位错胞，晶界处呈现高密度位错(如图2(a)所示)，这是由于大压下率热轧和超快冷后形成了大量的形变亚结构，这些形变亚结构保留至铁素体相变区域，为铁素体的形核提供了大量的形核点，细化了晶粒，得到的屈服强度最高，为544 MPa。另外，弛豫时间为4 s时形成的马氏体体积分数最高，为43.8%，而伸长率和强塑积均最低，分别为9.0%和9.59 GPa·%，抗拉强度较弛豫时间为7 s时要低，这应该是由于试验钢在弛豫过程中析出铁素体的同时，也会向未转变的过冷奥氏体中排碳，从而使后续相变得到马氏体中的碳含量不一样，弛豫时间为4 s时排碳少，形成的马氏体中碳含量也少，抗拉强度也略低，为1066 MPa，故抗拉强度是马氏体的体积分数和马氏体中的碳含量综合作用的结果。

图2 不同弛豫时间下试验钢的显微组织特征(a)4 s，铁素体亚晶;(b)10 s，析出物;(c)10 s，马氏体板条;(d)10 s，岛状马氏体Fig.2 Microstructure characteristics of the tested steel under different relaxation time(a) 4 s, subgrain of ferrite; (b) 10 s, precipitate; (c) 10 s, martensitic lath; (d) 10 s, island martensite

弛豫时间为10 s时(时间最长)，试验钢中铁素体的等轴化程度最高，得到的铁素体平均晶粒尺寸最大，体积分数最多，其屈服强度也最低，为492 MPa，试验钢中形成的马氏体体积分数最少，为34.7%，伸长率和强塑积均最高，分别为17.5%和17.94 GPa·%。长时间的弛豫会有较多的碳扩散至未转变奥氏体中，也有较多的碳化物在形成的铁素体和马氏体中析出(如图2(b)所示)，而且马氏体体积分数最少，使得抗拉强度最低，为1025 MPa。弛豫时间为10 s时试验钢的内部结构存在较多细长的马氏体板条(如图2(c)所示)，板条宽度在0.2～0.4 μm，通过扫描电镜也观察到较多的条状马氏体和岛状马氏体(如图2(d)所示)，这些微观结构有利于马氏体相变膨胀挤压周围组织产生高密度的可动位错，从而提高了钢的n值，有利于提高冲压成形性能，试验钢表现出最优的综合力学性能[11-12]。弛豫时间为4 s时，试验钢的屈强比最高，n值和强塑积均最低，冷加工成形性能较差。弛豫时间为7 s时，试验钢的抗拉强度最高，为1078 MPa，表现出较好的综合力学性能。而弛豫时间越短，生产效率越高。故综合考虑力学性能和生产效率，试验钢在该工艺技术条件下合适的弛豫时间为7～10 s。

1) 通过TMCP-UFC工艺技术，综合运用相变强化和亚结构强化等手段得到1000 MPa级热轧双相钢，其显微组织由马氏体与铁素体两相组成。

2) 当弛豫时间由4 s增加至10 s时，组织中马氏体与铁素体呈带状分布越明显，铁素体的平均晶粒尺寸及体积分数均增加，马氏体以块状为主，也有部分长条马氏体和岛状马氏体。试验钢的屈服强度由544 MPa 减小至492 MPa，抗拉强度先增加后减小且均在1000 MPa以上，伸长率由9.0%增加至17.5%，屈强比较低，在0.5左右，n值由0.11增加至0.13，强塑积由9.59 GPa·%增加至17.94 GPa·%，表现出较好的强塑性匹配。

3) 弛豫时间为10 s时，试验钢可获得抗拉强度为1025 MPa、伸长率17.5%、屈强比0.48、n值0.13、强塑积17.94 GPa·%的最优综合力学性能；
综合考虑力学性能和生产效率，试验钢在该工艺技术条件下合适的弛豫时间为7～10 s。

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