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关于中锰钢冶金、机械性能和温冲压工艺的介绍
1引言
因其可以改善车辆的燃油经济性、废气排放与安全性，先进的高强度钢在汽车领域受到广泛关注。根据karbasian和tekkaya 的文献[1]可知，热冲压汽车结构件不仅增加了车辆的耐撞性能和尺度质量，也有助于减轻汽车质量。热冲压成形是一个复杂的工艺过程，实现金属板材零件的成形和模压淬火的一体式操作工艺，并能得到高尺寸精度、高刚度和拥有复杂几何形状的成型零件。热冲压工艺在全球汽车工业中的应用正在迅速发展及普及。
与普通高强度钢的冷冲压不一样，硼钢的热冲压过程涉及热处理和淬火的过程，并会发生相变。适宜地控制相变是热冲压工艺中的关键点。对22MnB5钢来说，目前普遍采用的热冲压工艺是：将毛坯加热到900–950°C使其完全奥氏体化，然后转移到水冷冲压模，然后在以冷却速度大于或等于30°C/s下进行淬火。
Merklein and Lechle[ 2 ]研究了22MnB5钢的随温度变化的成型性。Abbasi等[ 3 ]报道了22MnB5钢的抗拉强度可达大约1500MPa。Zhao[4]等人认为热冲压使汽车构件具有高硬度和最小回弹的优点。然而，所有这些研究发现，热冲压得到的22MnB5钢的总延伸率小于7%，并且难以进一步提高。
特制的22MnB5和其他合金的回火最近已用于在热冲压工艺中，生产具有综合强硬度性和塑韧性的汽车车身的组件。Liu等[5]通过控制空气冷却速率来实现具有特制回火性能的22MnB5钢。Rasera等[6]使用Usibor 1500P来进行直接接触加热实验，并在加热阶段中通过非均匀奥氏体化获得所需的优良性能。Marten等[7]展示了一种新型的部分硬化钢MBW1400。
作为一种很有潜力的第三代汽车钢，中强度锰钢越来越受到人们的重视。Shi等[8]实验性地证明了，具有超细晶粒以及具有大量亚稳奥氏体组织的钢拥有更强的加工硬化和综合机械性能。Wang等[9]利用淬火和分割法工艺，使低合金钢获得多相微观组织，包含初生的马氏体，新生的马氏体和残余奥氏体。
Han等[10]报告了在780到850°C之间的温度下，热冲压中强度锰钢含5％～12％质量分数的锰，具有1800MPa的抗拉伸强度和超过10%的总伸长率，然而抗屈服强度只有915MPa，比热冲压件22MnB5钢的屈服强度低约150MPa。Rana等[11]研究了含锰质量为9.67％的中强度锰钢的冷轧过程，先是在650到800°C间的连续退火，接着在650到800°C的重复加热下进行热冲压工艺。在700 °C的热冲压循环下，可以获得1330～1488MPa的抗拉强度和16.7～25.3%的总延伸率的优异性能，但其屈服强度仅为490～793MPa。Yi等[12]展示了含有质量分数为5-8%的中锰钢，在一个热冲压循环周期，经过760 °C的奥氏体化，保温10分钟，然后在250°C回火，使碳原子充分扩散。通过这两个步骤，最终获得理想的机械性能，包括1400MPa的屈服强度、1880MPa的拉伸强度和16%的总延伸率。
本文介绍的属于多相多尺度合金钢中的中锰钢，具有亚稳定状态组织，而且适合在常温和高温下进行冲压成型的钢种。前面提到的钢具有500 MPa的屈服强度和720MPa的抗拉强度，而且在室温下冲压的总伸长率可以达到45%。这种钢的最终性能在经过一个传统的热冲压循环之后，将具有1220 MPa的屈服强度，1440 MPa的拉伸强度和12%的总延伸率。现有目前所存在的热冲压生产线已经完全适用于中锰钢的成型，而且该工艺过程不需要预先退火的热处理也不需要加工过后的回火处理。
相对于传统的的热冲压温度为700°C及以上，这种中锰钢最好在500°C或更低的温度下进行冲压成型。在这里，为了强调冲压温度的降低，该工艺被称为温冲压工艺。学者们也研究了温冲压过程中其他工艺参数，比如奥氏体化温度、保温时间、初始冲压的温度和冷却速度等，对这种中锰钢的强度、塑性和硬度的影响。通过汽车B柱的冲压实验得到并验证了温冲压工艺的最佳成型参数，同时分析了该温冲压件的成型能力、显微组织和力学性能。
2材料与实验设备
2.1材料
本文中所用到的中锰钢是中国中央钢铁研究所提出的。为了便于比较，我们也对传统的22MnB5钢进行了研究。它们的化学成分（质量分数%）如表1所示。
表1
实验钢的化学成分（质量分数%）。
|
钢种类型 |
C |
Mn |
P |
S |
AL |
Si |
Ti |
B |
Fe |
|
中锰钢 |
0.08–0.2 |
4.0–7.0 |
0.013 |
0.03 |
0.03 |
- |
- |
- |
平衡 |
|
22MnB5 |
0.22 |
1.58 |
0.064 |
0.014 |
– |
0.81 |
0.022 |
0.0024 |
平衡 |
生产中锰钢的基本工艺是经过淬火的钢首先获得的是马氏体组织。然后进行退火，淬火钢在两极区（Ac1–Ac3）通过奥氏体逆转转变获得由奥氏体、超细铁素体和析出相所组成的微观相组织。在这个工艺过程中一个关键点是要严格控制ART（奥氏体逆转转变）退火温度。退火时间则控制在2到6个小时内，这取决于碳和锰的含量，以及理想化的综合力学性能，如屈服强度，抗拉强度和总延伸率。
冷轧0.1C5Mn钢试样的显微组织可以通过扫描电子显微镜（SEM，S-4300），传输电子显微镜（TEM，H-800）现场枪扫描电镜（Quanta650 EBSD /FG-SEM）中的电子反向散射衍射（EBSD）观测。扫描的长度为0.01微米。为了便于用SEM观察微观组织，样品需经过机械研磨和抛光，再用2%硝酸酒精溶蚀刻30秒。而为了便于在TEM和EBSD中检验微观组织，则先需要将样品表面机械抛光到厚度约0.04毫米，然后在温度为minus;20°C下，在5%高氯酸和95%乙醇溶液机内进行双射流电抛光处理。
.2.2实验步骤
在真空环境1.0times;10minus;4 Pa下，我们在Gleeble 1500-D机上进行了试样的高温单向拉伸试验。用于试验的钢包含中锰钢和22MnB5钢。狗骨型试样的尺寸如图1所示。中锰钢试样的厚度为1.8毫米，而22MnB5钢试样的厚度为2.0毫米。这个样品是根据国际标准化组织6892-2设计：金属材料拉伸试验部分2中的高温试验方法[13]。同时也考虑了测试设备的空间约束和夹持机构。拉伸试样使用EDM（电火花放电设备）制备。
非等温成形实验步骤如下。将狗骨形试样以10°C/s的加热速率加热到相应的奥氏体化温度，如为了获得细小均匀的奥氏体组织，中锰钢和22MnB5钢的奥氏体温度分别为850和950°C。加热后的试样保温5分钟，再在不同高温下用0.05/s的应变率进行拉伸试验：对中锰钢，在350-700°C的温度区间内每隔50°C取值；对22MnB5钢，则在550-900 °C的温度区间内每隔50°C取值。拉伸试样最终经淬火冷却至室温。当测试过程达到稳定后，对每个场景中的三个样品进行测试和记录。所有的试样都被拉伸至断裂，并用SEM S-4300在放大率分为500、1000和1500的条件下观察断裂表面。断裂面处的横截面面积的减小可以通过电子卡尺进行测量。
2.3实验设计
通过使用实验设计（DOE）的方法，可以用少量的实验探索整个实验过程参数。Fu和Mo[14]采用DOE方法预测了高强度钢板在常温弯曲成型中的回弹量。Ying等[15]利用DOE正交法分析来评估热冲压成型下高强度钢的强度和硬度。DOE的方法也可以基于数值模拟。Cui等[16]利用有限元模拟预测了硼钢在热成形过程中的微观组织分布和力学性能。
Chang等[17]对温冲压中锰钢的关键工艺参数进行了正交试验设计。所研究的因素包括奥氏体化温度、保温时间、成型温度和冷却速率。奥氏体化温度会影响奥氏体晶粒的大小。保温时间影响奥氏体晶粒的均匀分布，并进一步影响其力学性能。成形温度则影响材料的应变硬化能力、总伸长率和马氏体微观组织。冷却速度决定了相变，最终影响材料的硬度和强度。文中对初步优化结果进行了更深的研究，包括微调工艺参数和物理解释工艺参数如何影响中锰钢工件的预期的力学性能。
图1 拉伸试样件的尺寸图
3结果与讨论
3.1显微组织和CCT曲线
由1.8毫米厚的中锰钢板坯组成的金相试样，其TEM和EBSD图像如图2所示。图2(a)是一个拼图图像，包含四个快照，以提高分辨率。一个无缝的组合是非常困难的，如果不可能的话，是因为边界照明条件。CCT（连续冷却转变）曲线图见图3。脱碳层的SEM图像示于图4。通过金相检查发现，相比传统的22MnB5硼钢，中锰钢展现出一些显著的优势：
- 铁素体和亚稳奥氏体的超细化和均匀的显微组织，使其具有更加优异的力学性能；
- 宽的超冷奥氏体区降低了冷却速度的要求，并课采用替代的冷却方法；
- 低的奥氏体化温度有利于减少加热时间，节约能源；
- 低的Ms（马氏体启动）温度增加窗口冲压温度，并且降低了对冲压件速度的要求。
- 薄的脱碳层提高了毛坯的有效厚度。
为了分析中锰钢的脱碳层，使用SEM沿厚度方向从边缘扫描试样的横截面。边缘区域的图像如图4（a）显示了中锰钢中一个约20微米深的脱碳层。过渡区的图像如图4（b）和中心区的图像如图4（c）则显示了均匀分布的渗碳层，该渗碳层在加热和淬火中有助于形成超细且均匀的马氏体组织。
图2：（A）透射电子显微镜下的微观组织（奥氏体的层错和/或退火孪晶）和（B）通过EBSD表征的微观结构（白色相为奥氏体）。
3.2应力-应变曲线
不同温度下，中锰钢与22MnB5钢的工程应力应变曲线分别见图5（a）和图5（b）中。可见，这两种钢的应力-存在明显差异：
图3:中锰钢板的CCT曲线。
bull;在相同的成型温度下，中锰钢的应力均高于22MnB5钢。
bull;中锰钢的总延伸率在28和41%之间，高于22MnB5钢（23和30%之间）。
bull;中锰钢均匀伸长率是其相应的总延伸率的3 /4，而对22MnB5钢的均匀伸长率约是其相应的总的伸长率的1 / 2。
bull;由于其较高的均匀伸长率和硬化指数（曲线的斜率更大），
中锰钢的应变硬化能力的是优于22MnB5钢。传统通常，在高温条件下，钢对应变速率比较敏感。Abbasi等[ 3 ]表明，在750℃应变速率对硼钢的流动应力的影响是：应变速率从0.1提高到1.0 sminus;1时，流动应力增加50–75兆帕；当应变速率从1.0提高到10 sminus;1时，流动应力又增加50–75兆帕。
图6显示了中强度锰钢在不同成型温度如500℃和600℃，以及不同应变速率如0.05、0.5和5.0 s-1下的应力应变图。当成型温度在500℃时，应变速率几乎不影响中锰钢的应力变化。在600℃时，低应变率0.05和0.5 s-1的应变速率对中锰钢的影响也不是很明显。只有在600°C时，5 s-1的高应变速率下对其有显著的影响。
3.3断裂机理
在对中锰钢的断裂机制进行详细的检查之前，先来观察测试标本的整体断裂形式和横截面积的测量，以用于计算横截面积的减少。在中强度锰钢的试样的测量中，图7显示了在不同的成型温度下如从300℃到700℃的最终横截面面积的减少，其中蓝色点代表平均温度和红条代表在三个不同测试中的最大值和最小值。从图中可以看出，随着温度的升高，中锰钢在温度从300℃上升到500℃时，热塑性随温度的升高而增大，在650℃～500℃开始缓慢下降，650℃后急速下降。优良的延展性的温度区域是在400和650°C的区域。在500℃，横截面积减少能到95.2%。
如图8所示的断口形貌有助于解释不同成型温度下的断裂机理。超细晶的中锰钢马氏体的开始转变温度（Ms）为310℃。当试样被冷却至350℃（接近于马氏体转变温度MS），开始拉伸断裂，实际的断裂面在原来的奥氏体晶粒被替换由较小的、难以分辨的断裂面，从而得到如图8（a）所示的准分裂断裂面。在350℃的断裂方式主要是穿晶断裂。图8（b）和（c）分别表示在500℃和650℃的断裂形态。在断口表面观测到的深酒窝状，显示在断裂之前有很大的塑性变形量。在单轴载荷下形成的酒窝端口从形状和尺寸上看，彼此都很相似。然而，在成型温度为700℃时，断口
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