分享：450 MPa级汽车用高强无间隙原子钢的低温脆性

高强IF（无间隙原子）钢是在IF钢的基础上添加了P、Mn、Si等固溶强化元素和Nb、Ti等强固碳、氮化物形成元素,以固定钢中存在的碳、氮等间隙原子[1],该钢具有较高的强度和良好的成形性能。因其独特的自身优势,该钢一般用于制作车门外板、发动机盖板、横梁、纵梁等加强件和结构件,也可用于制作冲压形状较为复杂的零部件。采用冲压工艺制造汽车零部件可以使钢的厚度适当减薄,降低汽车自身质量,在保证性能的同时也可以获得良好的经济效益。 

低温脆性是指材料的冲击吸收能量随温度的降低而减小,在低于某一温度时,冲击吸收能量明显减小,材料由韧性状态转变为脆性状态[2]。由于高强IF钢的钢质纯净,晶界上缺乏固溶的C元素和N元素,晶界结合强度低,故该钢在冲压成形后的使用过程中有因低温冲击而断裂的危险,即存在二次加工脆性现象（也称冷加工脆性）[3]。 

P元素对高强IF钢的固溶强化效果最为显著,但P元素的添加易造成晶格畸变,使位错运动的阻力增大,进而使钢的强度和硬度增大；同时P元素易偏聚于晶界,引起晶界脆化,尤其在低温冲击作用下,易造成材料开裂,对车辆使用安全不利。笔者以450 MPa级高强IF钢为例,对其脆性–韧性转变温度的影响因素进行研究和分析,以期为高强IF钢的安全使用提供理论支撑。 

1.   试样制备及试验方法

1.1   试验材料

试验材料为某钢厂连退生产线生产的厚度为1.2 mm的SR250P1钢。采用直读光谱仪对试验钢板进行化学成分分析,结果如表1所示。利用拉伸试验机对试验钢板的拉伸性能进行测试,结果如表2所示。 

1.2   样杯的制备

将现场取好的试验钢板线切割成直径为66 mm的圆片（见图1）。将圆片置于成形试验机凸模的中心位置,并在圆片顶面涂上一层凡士林,启动设备,将圆片冲压成直径为33 mm的样杯。由于材料的各向异性,制取样杯边部存在不平整的制耳,需采用线切割方式将样杯边缘的制耳切除,同时保证样杯高度为22 mm（见图2）。切割后,样杯边部的粗糙度较大,需在磨样机上用400目（1目=25.4 mm）的砂纸对样杯边部进行打磨。 

图  1  圆片的外观

图  2  样杯的外观

1.3   试验方法

将制备好的样杯完全浸入装有乙醇和液氮的冷却槽中,设定不同的初始冷却温度,待样杯冷却到设定温度后,保温5 min。将样杯从冷却槽中取出,杯口朝上放置在锤头正下方的基座上（基座上有定位环）,释放锤头,使其自由落下冲击样杯。样杯从冷却槽取出至冲击样杯应在3 s内完成。 

2.   试验结果

2.1   二次加工脆化温度

首先对边部未打磨的试样1进行冲击试验,将冷却温度设定为－20 ℃,选取4个样杯进行试验,其中有1个样杯发生开裂现象。根据 GB/T 24173—2016《钢板二次加工脆化试验方法》规定,需要增加4个样杯继续试验,发现8个样杯中有2个发生开裂。将试验温度提高至－15 ℃,该温度条件下8个样杯均未开裂。 

为了验证结果的准确性,将试验温度设定为－15 ℃,重复上述冲击试验,发现4个样杯中有1个开裂,增加到8个样杯后有2个样杯开裂,但开裂样杯中有1个是因为放置位置偏离中心造成的。因此在－15 ℃条件下重复试验,发现8个样杯均未开裂,于是得出二次加工脆化温度为－15 ℃。 

对与试样1化学成分相同且边部打磨后的试样2重复上述试验步骤,得出二次加工脆化温度为－30 ℃。由此可见,样杯边部粗糙度对二次脆化温度有一定的影响。当样杯边部未打磨时,其边部粗糙度为6.67 μm；砂纸打磨后,样杯的粗糙度为0.3 μm,两者差距较大。样杯表面粗糙度越大,在冲击过程中越易发生膨胀破裂,形成微裂纹,微裂纹易萌生于外表面粗糙度相对较大的界面处,并由内向外扩展[4]。 

对B元素含量增大且边部打磨后的试样3重复上述试验步骤。在－10 ℃条件下,4个样杯均未开裂；将试验温度降至－20 ℃,4个样杯均未开裂；将试验温度降至－30 ℃,4个样杯均未开裂；按上述顺序,每次试验温度均在前一次试验温度的基础上降低10 ℃,依此类推,直至试验温度为－60 ℃,4个样杯依旧未开裂。试样3的冲击试验结果如表3所示。由表3可知：试样3的二次加工脆化温度小于－60 ℃,满足GB/T 24173—2016的要求。 

冲击试验后试样3的宏观形貌如图3所示。由图3可知：样杯边部出现较明显的塑性扩张,且试验温度越高,塑性扩张现象越明显。 

图  3  冲击试验后试样3的宏观形貌

综上所述,对于化学成分相同的样杯,边部粗糙度越大,其二次加工脆化温度越高。适当增大B元素含量,可有效降低二次加工脆化温度,提高材料的抗低温冲击性能。 

2.2   断口分析

2.2.1   宏观观察

冲击试验后样杯断口及切割小片的宏观形貌如图4所示。由图4可知：断口呈直线状,从杯沿开裂至杯底,且断口平齐,无毛刺等异物。 

图  4  冲击试验后样杯断口及切割小片的宏观形象

2.2.2   扫描电镜（SEM）及能谱分析

在样杯断裂部位截取试样,再用超声波溶液清洗干净,对试样进行SEM分析,结果如图5所示。由图5可知：断口呈现分层状,样杯外侧可见典型韧性断裂形貌；断口心部呈河流花样,断裂表面清洁光滑,棱角清晰,符合脆性断裂特征。 

图  5  样杯断口SEM形貌

对断口试样进行能谱分析,发现试样中主要含有Fe元素,断口上无异常夹杂物。 

在冲击力的作用下,样杯内侧首先发生脆性断裂,与之相连的外侧随后断裂,断裂前存在一定的塑性变形；断口有韧窝,呈韧性断裂特征；从杯沿到杯底,断口塑性变形的程度逐渐变大,样杯外侧断口处的韧窝形貌逐渐明显。 

综合上述分析可知,临界温度下,样杯断口具有脆性断裂和韧性断裂特征,且脆性区域和韧性区域之间被一条明显的台阶隔开[5]。 

3.   综合分析

在低温冲击作用下样杯发生开裂的原因为：随着温度的降低,冲击吸收能量减小,当样杯受到的冲击圆周应力达到材料极限时,便会发生开裂现象。开裂的本质是位错在晶界处塞积,形成裂纹源,由于高强IF钢的钢质纯净,晶界上缺乏固溶的C、N元素,导致晶界结合强度低[6]。此外,高强IF钢中的P元素含量较高,P元素容易以FeTiP沉淀相的形式析出,并在晶界偏聚,引起钢的晶界脆性。在成品零件受到外力后,裂纹源会沿着结合强度低的晶界扩展,最终导致材料断裂。在高强IF钢中适当加入B元素,使钢中有效B元素的质量分数不小于0.000 7%[7],可以提高材料的抗低温冲击性能。 

4.   结论

（1）样杯边部粗糙度对二次加工脆化温度的影响较大,粗糙度越大,二次加工脆化温度越高。 

（2）对于450 MPa级高强IF钢,适当增大B元素含量,可抑制P元素在晶界上偏析,增强晶界结合力,从而降低二次加工脆化温度,提高钢板的抗低温冲击性能。 

文章来源——材料与测试网