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高强双相钢板电f n 点焊t 艺优化及接头强韧化机理研究 高强双相钢板电阻点焊工艺优化及接头强韧化机理研究 摘要 汽车用高强双相钢板兼有高强度和良好成型性，它的开发应用无 疑是保证安全性前提下实现汽车轻量化的最有效途径。为了推广高强 双相钢这一新材料在汽车上的应用，有必要探索它对汽车生产中应用 的材料加工工艺的适应性，特别是对汽车车身装配中应用最为广泛的 电阻点焊工艺的适应性。 本文针对d p 5 9 0 和d p 7 8 0 高强度双相钢板的电阻点焊可焊性问 题，从接头形成机理、微观组织与性能、工艺优化等诸方面进行了深 入系统的研究，揭示了此类双相钢板的母材成分及性能、电阻点焊工 艺、接头微观组织及性能间的互相联系，从而得出获得优良接头的有 效途径。主要研究内容和结论描述如下： 1 基于d p 5 9 0 ( a ) 双相钢点焊接头金相分析，以及接头力学性能实验 数据的回归分析，系统研究了焊接电流、焊接时间及电极压力对 d p 5 9 0 ( a ) 双相钢电阻点焊接头几何特征和力学性能的影响规律， 优化了双相钢电阻点焊工艺，为汽车工业应用双相钢提供了科学 依据。 2 基于d p 5 9 0 ( a ) 双相钢在不同焊接输入能量下点焊接头各区域微 观组织的光学显微镜( 0 m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 及透射电子 l 海交通大学博士学位论文 显微镜( t e m ) 分析，并借助于有限元模拟软件s o r p a s 8 0 模拟 计算得出的点焊接头热循环曲线，使用金属材料相图和性能模拟 计算软件j m a t p r o 模拟计算获得的等温转变( 1 盯) 曲线和连续 冷却转变( c c t ) 曲线图，实现了电阻焊工艺条件下的组织预测， 系统分析了d p 5 9 0 ( a ) 双相钢点焊工艺参数对显微组织的影响和 接头强韧化机理。研究结果表明：双相钢点焊熔核区基本上为粗 大柱状晶；接头区域从母材、热影响区( h a z ) n 熔核中心区的组 织变化为：铁素体、条状贝氏体和残余奥氏体体积分数逐渐减少， 位错型马氏体体积分数逐渐增多；马氏体轧制带逐渐消失，使熔 核及h a z 的强度及硬度提高。同时，随着焊接输入能量的增加， 熔核区马氏体柱状晶原始枝晶条束变宽，熔核区及h a z 粗晶区晶 粒尺寸变大，马氏体板条变宽；而焊接区的铁素体及贝氏体含量 随之增加，马氏体含量则减少。模拟计算组织预测结果与实验分 析结果基本吻合。 3 通过对d p 5 9 0 ( a ) 、d p 5 9 0 ( b ) 以及d p 7 8 0 三种母材化学成分或强 度级别不同材料点焊接头正拉断口o m 、s e m 分析、接头区域的 场发射s e m 分析以及熔核区的t e m 分析，比较分析了该三种双 相钢板点焊接头强度及韧性，发现：母材的含碳量是影响此类高 强双相钢电阻点焊接头韧性的最敏感因素，其次为碳当量，其微 观机理为：由于含碳量和碳当量的增加，马氏体转变温度降低， 马氏体中碳的固溶量增加，产生了一定量的片状孪晶马氏体亚结 i l 高强双相钢板电b f i 点焊t 艺优化及接头强韧化机理研究 构，熔核及热影响粗晶区中马氏体板条宽度增加，板条中的针状 组织减少；性能上表现为接头延性比减小，其正拉断裂机制从韧 性较好的准解理断裂转变成脆性较大的沿晶断裂和解理断裂。 4 应用s o r p a s 8 0 软件的模拟计算，为d p 5 9 0 ( b ) 双相钢设计了带 缓冷和回火的两种双脉冲点焊规范，并经接头力学性能和正拉断 口s e m 扫描分析证明：这两种双脉冲规范对提高双相钢点焊接头 韧性均具有明显的作用，其中6 5 0 高温回火双脉冲规范的效果 更佳，其主要原因是双脉冲点焊工艺较单脉冲点焊工艺，使熔核 区及h a z 粗晶区板条马氏体中具有更多针状组织；其次也有效减 弱了快冷导致的马氏体组织内应力( 宏观表现为h a z 硬度显著减 小) 。同时，经t e m 分析证明：上述针状组织为b c c 结构的针状 铁素体，具有提高点焊接头韧性的作用。 关键词：双相钢，电阻点焊，工艺优化，强韧化机理，可焊性，光学 显微镜，扫描电子显微镜，透射电子显微镜 i i i 上海交通大学博士学位论文 t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o na n dm e c h a n i s m r e s e a r c ho ns t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n g j o i n to fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g d u a l p h a s es t e e l s a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n o f d u a l p h a s eh i g hs t r e n 舒h a u t o m o b i l es t e e lp l a t ei su n d o u b t e d l yt h em o s te f f e c t i v ew a yt og u a r a n t e e t h ep r o d u c t i o no ft h el i g h tw e i g h tv e h i c l e su n d e rt h ec o n s i d e r a t i o n o f s a f e t y , d u et oi t sh i g hs t r e n g t ha n dv e r yg o o df o r m a b i l i t y t op o p u l a r i z e t h ea p p l i c a t i o no ft h i sd u a l p h a s eh i g hs t r e n g t hs t e e li nt h ea u t o m o b i l e i n d u s t r y , i ti s c r i t i c a lt of i n do u ti t sa d a p t a b i l i t yt om a t e r i a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y i na u t o m o b i l ep r o d u c t i o n ，e s p e c i a l l yt h e a d a p t a b i l i t y t o r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi s t h em o s t w i d e l y u s e d t e c h n o l o g yi nv e h i c l eb o d ya s s e m b l y i nt h i sp a p e r , t h ew e l d a b i l i t yo ft w oh i g hs t r e n 氍hd u a l p h a s es t e e l s ， d p 5 9 0a n dd p 7 8 0i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ， i v 高强双相钢板电口点焊丁艺优化及接头强韧化机理研究 f r o mv a r i o u s a s p e c t s ，i n c l u d i n g m e c h a n i s mo f j o i n tf o r m a t i o n ， m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s ，t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o n e t c t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es t e e lc o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e s ，t h ew e l d i n g t e c h n o l o g i e sa n dp r o p e r t i e s ，a n dt h ej o i n tm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s w e r ee v e n t u a l l yo b t a i n e d a n da ne f f e c t i v ew a yt oo b t a i ns u p e r i o rj o i n t i sf o u n d t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h em e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so nt h ej o i n to fd p 5 9 0 ( a ) a n d t h er e g r e s s i o na n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t af r o mt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ej o i n t ，t h ei n f l u e n c e so fw e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gt i m e a n de l e c t r o d ef o r c eo nt h e g e o m e t r i ca t t r i b u t e s a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fd p 5 9 0 ( a ) a r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h et e c h n o l o g yo f r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gw a so p t i m i z e d t h e s er e s u l t sa r et h es c i e n t i f i c b a s i sf o ra p p l i c a t i o no fd u a l p h a s es t e e li na u t o m o b i l ei n d u s t r y 2 t h em i c r o s t r u c t u r e so fd i f f e r e n tr e g i o n si nt h ej o i n to fd p 5 9 0 ( a ) w e l d e du n d e rd i f f e r e n ti n p u te n e r g ya r es t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) i na d d i t i o n ，b a s e do nt h es i m u l a t i o no fh e a t c y c l e sc u r v e si ns p o tw e l d i n gj o i n t sb yt h es o f t w a r es o r p a s 8 0a n d t h em i c r o s t r u c t u r ep r e d i c t i o ni nd i f f e r e n tz o n eo fs p o tw e l d i n gj o i n t f r o m t e m p e r a t u r e t i m e t r a n s f o r m a t i o n ( 邢c u r v e s a n d c o n t i n u o u s l y c o o l i n g t r a n s f o r m a t i o n ( c c t ) c u r v e s ，b y s o f t w a r e v 卜海交通大学博十学位论文 j m a t p r o ，t h e i n f l u e n c eo f s p o tw e l d i n gp a r a m e t e r s o nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i s mo fs t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gi n t h ed p 5 9 0 ( a ) j o i n ta r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s p o t w e l d i n gn u g g e tb a s i c a l l yc o n s i s t so fl a r g ec y l i n d r i c a lg r a i n s f r o mj o i n tr e g i o n ，t h eb a s e dm a t e r i a l ，t h eh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) ，t o t h ec e n t r a lz o n eo fn u g g e t ，t h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e sa sf o l l o w s ：t h e v o l u m ef r a c t i o n so ff e r r i t e 1 a t hb a i n i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t e g r a d u a l l yd e c r e a s e ，w h i l et h ed i s l o c a t i o n t y p e m a r t e n s i t ei n c r e a s e s m a r t e n s i t e r o l l i n g b a n d sg r a d u a l l yd i s a p p e a r s ot h es t r e n g t ha n d h a r d n e s si nn u g g e ta n dh a zi n c r e a s e + m e a n w h i l e ，a st h ei n c r e a s eo f w e l di n p u te n e r g y , t h eo r i g i n a ld e n d r i t eo fm a r t e n s i t ec o l u m n a rg r a i n i nn u g g e tr e g i o nb e c o m e sw i d e r , t h eg r a i ns i z e si nn u g g e tr e g i o na n d h a zb e c o m el a r g e r , a n dt h em a r t e n s i t el a t h sa r ea l s ow i d e r i n a d d i t i o n ，a st h ei n c r e a s eo fw e l di n p u te n e r g y , t h ev o l u m ef r a c t i o n so f f e r r i t ea n db a i n i t ei nw e l d e dr e g i o ni n c r e a s e ，w h i l et h a to fm a r t e n s i t e d e c r e a s e s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r ew e l lc o n s i s t e n tw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 o ma n ds e ma n a l y s i sa r ep e r f o r m e do nc r o s s t e n s i l ef r a c t u r eo fs p o t w e l d i n gj o i n tf r o mt h r e ek i n d so fm a t e r i a l sd p 5 9 0 ( a ) ，d p 5 9 0 ( b ) a n d d p 78 0 ，w i t hd i f f e r e n tc h e m i c a l c o m p o s i t i o n o r s t r e n g t h l e v e l b e s i d e st h ef i e l d e m i s s i o ns e ma n a l y s i so nt h ej o i n tr e g i o na n dt e m v i 高强双相钢板电5 f l 点焊工艺优化及接头强韧化机理研究 a n a l y s i s o nt h en u g g e tr e g i o n ，t h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fs p o t w e l d i n gj o i n t sf r o mt h et h r e ek i n d so fd u a l p h a s es t e e l sa r ec o m p a r e d t h ec o m p a r i s o ni n d i c a t e st h a tt h ec a r b o nc o n t e n ti nt h em a t r i xi st h e m o s ts e n s i t i v ef a c t o ra f f e c t i n gt h et o u g h n e s so fs p o tw e l d i n gj o i n t ， a n de q u i v a l e n tw e i g h to fc a r b o ni st h en e x to n e i ti sa t t r i b u t e dt h a t t h ei n c r e a s eo fc a r b o nc o n t e n ta n de q u i v a l e n tw e i g h t ，t h em s t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s ea n dt h es o l i ds o l u t i o nc o n t e n to f c a r b o ni nt h em a r t e n s i t ei n c r e a s e ，a c c o m p a n y i n gt h ef o r m a t i o no fa c e r t a i na m o u n to ft w i nm a r t e n s i t e a tt h es a m et i m e ，t h ev o l u m e f r a c t i o no fa c i c u l a rm i c r o s t r u c t u r ei nt h em a r t e n s i t el a t h si nt h en u g g e t a n dh a zd e c r e a s e s t h e s el e a dt ot h ed e c r e a s eo ft h ed u c t i l i t yr a t i o f o rj o i n t t h ef r a c t u r ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h em e c h a n i s mo f c r o s s - t e n s i l ef r a c t u r ec h a n g e sf r o mq u a s i - c l e a v a g ec r a c kw i t hb e t t e r t o u g h n e s st oi n t e r c r y s t a l l i n ec r a c k i n g a n dc l e a v a g ef r a c t u r ew i t h 4 w i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mt h es o f t w a r es o r p a s 8 0 ，t w o t y p e so ft h ed o u b l e p u l s es p o tw e l d i n gt e c h n o l o g i e sw i t hs l o wc o o l i n g a n dt e m p e r i n ga r ed e s i g n e df o rd p 5 9 0 ( b ) d u a l p h a s es t e e l s i n a d d i t i o n ，b a s e do nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ej o i n ta n ds e m a n a l y s i s o nt h ec r o s s t e n s i l ef r a c t u r e ，i ti s a p p r o v e d t h a tt h e d o u b l e p u l s es p o tw e l d i n gt e c h n o l o g i e sa r em o r ee f f e c t i v et oi m p r o v e v i i 上海交通大学博士学位论文 t h et o u g h n e s so ft h ej o i n tc o m p a r i n gw i t hs i n g l e p u l s es p o tw e l d i n g t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y6 5 0 t e m p e r i n g t h em e c h a n i s mo ft h e t o u g h n e s si m p r o v e m e n tb y t h e d o u b l e p u l s es p o t w e l d i n g t e c h n o l o g i e sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , c o m p a r e dt os i n g l e p u l s et e c h n o l o g y , t h ed o u b l e p u l s et e c h n o l o g i e sc a np r o d u c em o r ea c i c u l a rs t r u c t u r ei n m a r t e n s i t el a t hi nn u g g e ta n dh a z ；s e c o n d l y , t h e s et e c h n o l o g i e sc a n r e d u c et h ei n t e m a ls t r e s si nt h em a r t e n s i t es t r u c t u r e w h i c hi sv e r i f i e d b yt h ed e c r e a s ei nt h eh a r d n e s si nh a z i ti sc o n f i r m e db yt e m a n a l y s i st h a tt h ea c i c u l a rs t r u c t u r em e n t i o n e da b o v eb e l o n g st ot h e a c i c u l a rf e r r i t ew i t hb c cs t r u c t u r e ，w h i c hi sf a v o r a b l ef o rt h e i m p r o v e m e n to ft h ej o i n tt o u g h n e s s k e y w o r d s ：d u a l p h a s es t e e l ，r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，t e c h n o l o g y o p t i m i z a t i o n ，s t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gm e c h a n i s m ，w e l d a b i l i t y , o p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互叙 日期：2 0 0 8 年9 月3 0 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叼，在望年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ：( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：互数 日期：o 。硝1 年罗月3pe t 指导教师签名劳毛印一厂 1 日期：姗年罗肜。日 第一章绪论 1 1 立题意义及背景 第一章绪论 自2 0 世纪7 0 年代的第一次石油危机后，美国和其他发达同家就开始致力于 汽车轻量化研究工作，并已取得了很大的成绩，进入2 0 世纪9 0 年代，汽车轻量 化进程得到了进一步加速，具有代表性的汽车轻量化项目有美国的p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ) 、欧洲的s u p e r l i g h t c a r ( s u s t a i n a b l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e so fe m i s s i o nr e d u c e dl i g h t w e i g h tc a rc o n c e p t s ) 、国际钢铁协会组织的u l s a b a v c ( u l t r a - l i g h ts t e e la u t o b o d y a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t s ) 、阿赛洛钢厂的a b c ( a r c e l o rb o d yc o n c e p t ) 和蒂森钢厂组织的n s c ( n e ws t e e lc o n c e p t ) 等项目 1 - - 3 项目的共同点是降低汽 车质量，以减少汽车能耗。这些计划的最终目标是：使汽车重量降低2 0 4 0 。这些项目的研究结果表明：尽管近年来随着汽车轻量化的要求，钢铁材料在 整车中的使用比例有所下降，但从成本、环保、节能和安全等诸方面综合考虑， 钢铁将仍然是今后汽车制造的主导材料，而采用高强度钢板是钢铁业应对其它轻 质材料挑战的主要技术措施。高强钢的强度可达到低碳钢的5 倍，当使用高强钢 板后，可使钢板厚度分别减少0 0 5 m m 、0 1 0 m m 、0 1 5 m m 时，车身减重分别可达 6 、1 2 和1 8 “3 。据统计汽车自重每降低1 0 ，在其它条件不变的情况下， 则可使汽车油耗降低6 8 嘲。由此可见，高强钢板用于汽车制造，其车身轻 量化导致的节能减排效果是巨大的。 目前，在国外生产的汽车中，车身应用高强度钢板也已相当普遍哺3 ，日本1 9 9 3 年高强度钢板的使用率约占车身用钢板总重量的2 5 4 ，2 0 0 0 年的平均使用率为 3 6 3 。以通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司为代表的北美汽车用高强度钢板 也表现出同样的发展趋势，图1 - 1 显示了北美汽车用钢板现状和2 0 1 0 年用材预 测情况口哪3 。从中可看出，现在大量采用的以i f 钢为主的软钢系列将逐步被高强 上海交通大学博士学位论文 度铜板系列替代，高强度低合金钢将被取相钢( d p 钢) 及超高强度钢板替代 图卜1 北美汽车用铜板现状和2 0 1 0 年用材预刹” r g l 一1 p r o s e n ts m t u sa n d f o r e c a s t i n2 0 1 0 0 fs t e e lu s a g e i n n o r t h a m e r i c a 相比之下，我围的汽车用高强度钒板不论在生产还是在使用方面同国外均存 在较大差距。目前我国汽车车身用高强度钢板比牢仅为8 一1 0 或更低，而国外 同类汽车高强度钢板的使用比率在2 0 - 6 0 之间。近年来随着我国汽车工业的飞 速发展，现己成为继美、口之后的世界第三大汽车生产和消费国，节能减排已成 为汽车生产中的关键问题，因此，采用高强度钢实现汽车轻量化成为汽车工业进 一步发展的迫切任务。 根据国内外对高强钢、超高强钢的开发研究及应用情况统计，汽车用高强度 或超高强度钢主要有低合金钢、双相钢、t r i p 钢、t w i p 钢和马氏体钢等。图卜2 显示了i j l s a b a v c 车采用的钢种情况“1 。很显然，在这一概念车中，1 0 0 采用 高强度钢板，其中7 4 是双相钢，这一用材策略代表了今后汽车用高强度钢板 的发展方向。 圈卜2u l s a b 一 v c 概念车采用的铜种情况 f i gl 一2 s t e e lu s e d i n t h ec o n c e p tc u l s a b - a v c 2 第一章绪论 从图l l 及图l 一2 发现，d p 钢是目前及今后几年汽车生产中需求增加最 大的高强度钢。双相钢一般用于制造高强度、高的抗碰撞能量吸收且成型要求也 较严格的汽车零件，如车轮、保险杠、悬杆系统及其加强件等，例如：通用及福 特汽车公司用双相钢制造汽车车轮后，不仪整车重量降低，而且疲劳寿命比普通 钢提高一倍阳1 ；福特汽车公司用d p 钢制造轿车发动机罩壳，使板厚由原来的1 8 m m 减薄到0 7 m m n 们。随着钢种性能和成型技术的进步，双相钢也被用在汽车的内外 板等零件上，例如：新型d p 5 0 0 钢应用于汽车车门可以提高车门总体抗凹陷性约 3 5 ，减重达1 5 - 3 0 m 1 。 我国双相钢的研发工作刚刚起步，现已成功开发了抗拉强度分别为5 4 0 、5 9 0 和6 4 0 即a 等级别的双相钢h 羽，并开始在汽车工业中推广使用。 由于电阻点焊方法具有小面积局部加热，且加热和冷却速度极快等特点，焊 接变形小，生产效率高，所以在汽车车身等薄板结构的装配制造中，大量采用电 阻点焊方法，据统计每辆轿车车身上平均有3 0 0 0 - - 5 0 0 0 个电阻点焊焊点。但是 电阻点焊焊接热循环对双相钢原有组织及性能将产生较大的影响，因此，系统地 研究双相钢电阻点焊接头强韧化机理、探索和优化其点焊工艺，将有助于推进双 相钢在汽车工业中的应用。 1 2 高强双相钢的特点及性能 1 2 1 高强双相钢的开发和生产 双相钢是指由低碳钢或低合金钢经临界区处理或控制轧制而得到的，具有铁 素体( f ) 和马氏体( m ) 混合组织的钢n 3 - 1 4 1 。 双相钢的第一个专利是1 9 6 8 年在美国提出的n 引，当时对其并无详细介绍。直 到1 9 7 5 年h a y a m i 和f u r u k a w a 对这类钢的显微组织、化学成分、机械性能和成 形性作了完整的描述后，双相钢的巨大潜力才开始被人们所认识n 制。 在双相钢的早期开发中，由于受到连续退火设备的限制，只能采用在钢中加 入v 、m o 合金元素提高淬透性n 卜1 8 3 ，使其经临界区加热后，空冷到室温形成具有 双相组织的钢。最具代表性的有含m o 双相钢和含v 双相钢。从2 0 世纪7 0 年代 中期开始，以美同、加拿大为代表的北美，对双相钢进行了深入研究，在物理冶 上海交通大学博士学位论文 金原理、生产工艺和应用技术等方面取得了巨大的进展，使得双相钢的生产规模 不断扩大。 1 9 7 8 年，c o l d r e n 和t i t h e r 研制了新的双相钢，这种双相钢是通过控制终 轧温度和盘卷前的冷却速率而获得双相组织的，不需要进行临界区退火处理n 引。 此类热轧双相钢以美国c l i m a x 公司开发的c s i 地一c r _ m o 系中温卷取双相钢 a r d p 最具代表性。 日本在双相钢方面的研究和应用一直处于世界领先地位。由于日本有先进的 连续退火生产线，多以热处理双相钢生产为主，采用c - m n 或c - s i - m n 系，在生 产成本上非常占优势。随后日本也开展了热轧双相钢的研究，但其成分与美国不 同，合金含量很少，多为低碳s i - m n 钢或m n - c r 钢，其成形性好，疲劳寿命也大 幅提高。代表产品有川崎制铁研发的h h l y ，日本钢管开发的n k h a ，新日铁研发的 s a f h 、h 6 s a f h ，以及住友金属的s h x d 热轧双相钢心0 - 2 。 西欧双相钢生产与北美类似，主要以热轧双相钢为主，代表产品有意大利特 柯赛德钢公司的妇一s i c r m o 系、m n _ v 系；法国尤西诺钢公司的u s i l i g h t 8 0 等 n 射。英国钢公司及剑桥大学b a l l i g e r 和g l a d m a n 研究了微量合金元素n b 、t i 、 v 等对热处理双相钢性能的影响法1 。 我国从1 9 7 8 年起对双相钢的变形特性、轧制变形模式、强化原理及断裂特 性等进行了研究，“七五”期间将双相钢的开发与应用研究列入了国家科委重点 攻关项目。鞍钢承担并完成了6 4 0 肝a 级热轧双相钢的开发与应用研究项目，本 钢完成了5 9 0 m p a 热轧双相钢的研制，武钢完成了5 4 0 m p a 级热轧双相钢的研制嘲1 。 宝钢在1 9 9 2 年采用2 0 5 0 热连轧机试轧了一炉双相钢，1 0 多年来，宝钢在 双相钢开发上取得长足的进展，成功开发了d p 5 0 0 、d p 5 9 0 等，2 0 0 4 年又在全国 率先开发出6 0 0 m p a 级热镀锌双相钢( 包括纯锌和合金化镀锌产品) 嘲1 。要进一 步提高双相钢的强度级别，其技术难点是快速冷却技术，为此，宝钢从2 0 0 6 年 开始实施连续退火快冷技术和先进高强度钢板的开发和使用项目，目前己生 产出d p 5 9 0 及d p 7 8 0 级别的双相钢，并将进一步开发超高强度双相钢。 4 第一章绪论 1 2 2 高强双相钢的显微组织及性能 1 2 2 1 双相钢的显微组织特征 自双相钢产生以来，国内外学者对双相钢的显微组织进行了大量的研究，以 期建立组织与性能的关系。 1 9 6 8 年，m c f a l a n d 在u s 3 3 7 8 3 6 0 专利引中将双相钢的光学显微组织描述为 在连续的铁素体母相中孤立分布着岛状马氏体。h a y a m i 汹1 等人于1 9 7 5 年对双相 钢的显微组织特征和性能作了研究。随后r a s h i d 、k o o 和t h o m a s n6 瓣别对双相钢 的显微组织、马氏体岛的精细结构、铁素体中的位错组态及其影响因素作了细致 的探讨。 大量研究结果揭示：f + m 双相钢的显微组织随其化学成分和获得双相组织的 方式而变化，已开发的双相钢组织分为无序组织和定向排列纤维组织两大类。无 序组织又可分为弥散分布型( 塑性良好的铁素体上弥散分布着高强度岛状马氏 体) 、纤维状双相混合型( 平行针状马氏体与铁素体相交错而呈纤维状) ! 高位错 亚晶结构型组织( 具有高密度位错的亚晶结构马氏体呈网状或群落状位于铁素体 晶界) 三种情况。目前开发的双相钢基本上都是无序组织，其显微组织与普 通高强钢不同，普通的高强钢( 如图1 3 ( a ) ) 是通过控制轧制以细化晶粒，并 且通过微合金元素的碳氮化物析出强化基体，而双相钢( 如图1 3 ( b ) ) 是在纯 净的铁素体晶界或晶内弥散分布着较硬的马氏体相，其比例一般不超过2 0 n 刭。 图1 3 普通高强钢与双相钢的显微模型对比n 2 1 ( a ) 普通高强钢( b ) 双相钢 f i g 1 3c o m p a r i s o no fm i c r o s t r u c t u r em o d e lb e t w e e nn o r m a lh i g hs t r e n g t hs t e e l a n dd u a l - p h a s es t e e l ( a ) n o r m a lh i g hs t r e n g t hs t e e l ( b ) d u a l p h a s es t e e l 气 i 二海交通大学博十学位论文 设双相组织的二组分相分别为i 相和j 相，双相钢组织具有某些典型特征： ( 1 ) 单位体积的j 相晶粒数与i 相晶粒数相等，并且与每相的体积百分数无关； 平均晶譬直径的立方比等于二相体舭即鲁= 阿，j 相被i 相 分开；( 4 ) j 相的所有晶粒都分布于i 相的晶界上；( 5 ) j 相的体积分数 乃= 寸1 2 。3 。 。 1 2 2 2 影响双相钢组织特征的因素 双相钢的显微组织可以通过临界区处理或控制轧制而形成。钢中合金元素和 原始组织的变化，不同的热处理工艺或控轧工艺，都会明显影响和改变双相钢的 组织形态汹1 。 合金元素c r 、s i 、p 和a 1 对双相钢显微组织的影响主要表现在它们对双相 钢中马氏体形态及分布的影响，例如：在0 0 7 c - - 4 c r 双相钢中，马氏体为球状， 在o 0 7 c 一0 5 c r 双相钢中，马氏体呈类针状( 纤维状) ；s i 和p 的加入，有利 于获得细小均匀分布的马氏体，s i 还可扩大临界区范围，对铁素体中的固溶碳 有“清除 和“净化 作用，p 又能提高a 相的形成温度，扩大形成c 【相的温度 范围，从而影响退火后铁素体和马氏体的相对量啪1 。 、v 、t i 等微量合金化元素会增加双相钢的铁素体中沉淀相的析出量，在 适当的冷却速率和加热温度下，会出现取向附生铁素体。 置换固溶合金元素如、m 0 、s i 及c r 等主要增加临界区加热时形成的奥氏 体岛的淬透性，使得到给定马氏体体积分数的冷却速率下降，因而降低铁素体中 的间隙固溶量。 热处理时临界区加热温度对双相钢组织形态有较大的影响，其影响还与钢种 及随后的冷却速率有关。一般情况下，如冷却速率足以使临界区加热形成的奥氏 体全部转变为马氏体，则临界区加热温度升高，会使加热后双相钢中马氏体的体 积分数增加。同时，临界区加热温度升高，奥氏体中碳含最减少，会使淬火后马 氏体的形态从孪晶马氏体向板条马氏体转化。若临界区加热后的冷却速率不能保 6 第一章绪论 证奥氏体全部转变成马氏体，则不同的临界区加热温度就会得到不同的组织形 态。 临界区加热后的冷却速度对双相钢显微组织的影响与钢中的合金元素、临界 区加热温度有关，例如：对于经8 1 0 和7 6 0 加热后的c m s 2 钢 ( 0 0 6 3 c - 1 2 9 m n - o 2 4 s i - 0 0 9 p - o 0 1 9 s ) ，随着冷却速度增加，马氏体体积分数 增加，取向附生铁素体和珠光体最减少n 利；临界区加热后的冷却速度还会影响到 铁素体中沉淀相的形成和数量，冷却速度越快，析出沉淀物越多，因此，在保证 得到所需要的马氏体体积分数下，尽量采用较低的冷却速率是合适的。 热轧工艺中，终轧温度对c - m n 钢和c