高強IF(無間隙原子)鋼是在IF鋼的基礎上添加了P、Mn、Si等固溶強化元素和Nb、Ti等強固碳、氮化物形成元素,以固定鋼中存在的碳、氮等間隙原子,該鋼具有較高的強度和良好的成形性能。因其獨特的自身優勢,該鋼一般用于制作車門外板、發動機蓋板、橫梁、縱梁等加強件和結構件,也可用于制作沖壓形狀較為復雜的零部件。采用沖壓工藝制造汽車零部件可以使鋼的厚度適當減薄,降低汽車自身質量,在保證性能的同時也可以獲得良好的經濟效益。 低溫脆性是指材料的沖擊吸收能量隨溫度的降低而減小,在低于某一溫度時,沖擊吸收能量明顯減小,材料由韌性狀態轉變為脆性狀態。由于高強IF鋼的鋼質純凈,晶界上缺乏固溶的C元素和N元素,晶界結合強度低,故該鋼在沖壓成形后的使用過程中有因低溫沖擊而斷裂的危險,即存在二次加工脆性現象(也稱冷加工脆性)。 P元素對高強IF鋼的固溶強化效果最為顯著,但P元素的添加易造成晶格畸變,使位錯運動的阻力增大,進而使鋼的強度和硬度增大;同時P元素易偏聚于晶界,引起晶界脆化,尤其在低溫沖擊作用下,易造成材料開裂,對車輛使用安全不利。筆者以450MPa級高強IF鋼為例,對其脆性?韌性轉變溫度的影響因素進行研究和分析,以期為高強IF鋼的安全使用提供理論支撐。 01 試樣制備及試驗方法 1.1 試驗材料 試驗材料為某鋼廠連退生產線生產的厚度為1.2mm的SR250P1鋼。采用直讀光譜儀對試驗鋼板進行化學成分分析,結果如表1所示。利用拉伸試驗機對試驗鋼板的拉伸性能進行測試,結果如表2所示。 1.2 樣杯的制備 將現場取好的試驗鋼板線切割成直徑為66mm的圓片(見圖1)。將圓片置于成形試驗機凸模的中心位置,并在圓片頂面涂上一層凡士林,啟動設備,將圓片沖壓成直徑為33mm的樣杯。由于材料的各向異性,制取樣杯邊部存在不平整的制耳,需采用線切割方式將樣杯邊緣的制耳切除,同時保證樣杯高度為22mm(見圖2)。切割后,樣杯邊部的粗糙度較大,需在磨樣機上用400目(1目=25.4mm)的砂紙對樣杯邊部進行打磨。 1.3 試驗方法 將制備好的樣杯完全浸入裝有乙醇和液氮的冷卻槽中,設定不同的初始冷卻溫度,待樣杯冷卻到設定溫度后,保溫5min。將樣杯從冷卻槽中取出,杯口朝上放置在錘頭正下方的基座上(基座上有定位環),釋放錘頭,使其自由落下沖擊樣杯。樣杯從冷卻槽取出至沖擊樣杯應在3s內完成。 02 試驗結果 2.1 二次加工脆化溫度 首先對邊部未打磨的試樣1進行沖擊試驗,將冷卻溫度設定為-20℃,選取4個樣杯進行試驗,其中有1個樣杯發生開裂現象。根據 GB/T 24173—2016《鋼板二次加工脆化試驗方法》規定,需要增加4個樣杯繼續試驗,發現8個樣杯中有2個發生開裂。將試驗溫度提高至-15 ℃,該溫度條件下8個樣杯均未開裂。 為了驗證結果的準確性,將試驗溫度設定為-15℃,重復上述沖擊試驗,發現4個樣杯中有1個開裂,增加到8個樣杯后有2個樣杯開裂,但開裂樣杯中有1個是因為放置位置偏離中心造成的。因此在-15℃條件下重復試驗,發現8 個樣杯均未開裂,于是得出二次加工脆化溫度為-15℃。 對與試樣1化學成分相同且邊部打磨后的試樣2重復上述試驗步驟,得出二次加工脆化溫度為-30℃。由此可見,樣杯邊部粗糙度對二次脆化溫度有一定的影響。當樣杯邊部未打磨時,其邊部粗糙度為6.67μm;砂紙打磨后,樣杯的粗糙度為0.3μm,兩者差距較大。樣杯表面粗糙度越大,在沖擊過程中越易發生膨脹破裂,形成微裂紋,微裂紋易萌生于外表面粗糙度相對較大的界面處,并由內向外擴展。 對B元素含量增大且邊部打磨后的試樣3重復上述試驗步驟。在-10℃條件下,4個樣杯均未開裂;將試驗溫度降至-20℃,4個樣杯均未開裂;將試驗溫度降至-30℃,4個樣杯均未開裂;按上述順序,每次試驗溫度均在前一次試驗溫度的基礎上降低10℃,依此類推,直至試驗溫度為-60℃,4個樣杯依舊未開裂。試樣3的沖擊試驗結果如表3所示。由表3可知:試樣3的二次加工脆化溫度小于-60℃,滿足GB/T 24173—2016的要求。 沖擊試驗后試樣3 的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知:樣杯邊部出現較明顯的塑性擴張,且試驗溫度越高,塑性擴張現象越明顯。 綜上所述,對于化學成分相同的樣杯,邊部粗糙度越大,其二次加工脆化溫度越高。適當增大B元素含量,可有效降低二次加工脆化溫度,提高材料的抗低溫沖擊性能。 2.2 斷口分析 2.2.1 宏觀觀察 沖擊試驗后樣杯斷口及切割小片的宏觀形貌如圖4所示。由圖4可知:斷口呈直線狀,從杯沿開裂至杯底,且斷口平齊,無毛刺等異物。 2.2.2 掃描電鏡(SEM)及能譜分析 在樣杯斷裂部位截取試樣,再用超聲波溶液清洗干凈,對試樣進行SEM 分析,結果如圖5所示。由圖5可知:斷口呈現分層狀,樣杯外側可見典型韌性斷裂形貌;斷口心部呈河流花樣,斷裂表面清潔光滑,棱角清晰,符合脆性斷裂特征。 對斷口試樣進行能譜分析,發現試樣中主要含有Fe元素,斷口上無異常夾雜物。 在沖擊力的作用下,樣杯內側首先發生脆性斷裂,與之相連的外側隨后斷裂,斷裂前存在一定的塑性變形;斷口有韌窩,呈韌性斷裂特征;從杯沿到杯 底,斷口塑性變形的程度逐漸變大,樣杯外側斷口處的韌窩形貌逐漸明顯。 綜合上述分析可知,臨界溫度下,樣杯斷口具有脆性斷裂和韌性斷裂特征,且脆性區域和韌性區域之間被一條明顯的臺階隔開。 03 綜合分析 在低溫沖擊作用下樣杯發生開裂的原因為:隨著溫度的降低,沖擊吸收能量減小,當樣杯受到的沖擊圓周應力達到材料極限時,便會發生開裂現象。開裂的本質是位錯在晶界處塞積,形成裂紋源,由于高強IF鋼的鋼質純凈,晶界上缺乏固溶的C、N元素,導致晶界結合強度低。此外,高強IF鋼中的P元素含量較高,P元素容易以FeTiP沉淀相的形式析出,并在晶界偏聚,引起鋼的晶界脆性。在成品零件受到外力后,裂紋源會沿著結合強度低的晶界擴展,最終導致材料斷裂。在高強IF鋼中適當加入B元素,使鋼中有效B元素的質量分數不小于0.0007%,可以提高材料的抗低溫沖擊性能。 04 結論 (1)樣杯邊部粗糙度對二次加工脆化溫度的影響較大,粗糙度越大,二次加工脆化溫度越高。 (2)對于450MPa級高強IF鋼,適當增大B元素含量,可抑制P元素在晶界上偏析,增強晶界結合力,從而降低二次加工脆化溫度,提高鋼板的抗低溫沖擊性能。 【END】 作者:馮帆 單位:山東鋼鐵集團日照有限公司 來源:《理化檢驗-物理分冊》2024年第11期
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