0.   引言

随着社会的进步和科技的发展，汽车行业内环保和安全问题逐渐凸显。为了满足汽车车身轻量化、低碳化，提高汽车车身安全性，因此汽车车身大多采用高强度汽车板。冷冲压高强钢因为冲压过程容易发生开裂及回弹，所以限制了冷冲压高强钢在汽车车身上面的使用。

现在汽车A柱、B柱等零部件大多使用热冲压技术。热成形工艺是将板料加热到奥氏体化温度以上并保温，使得奥氏体均匀化，然后转移到模具内进行模内淬火，把奥氏体转变成马氏体，使得零件强度得到大幅度提升^[1−2]。淬火后零件虽然强度高，但是塑性较低、存在内应力，因此对零件进行回火处理是必要的。许多学者对于淬火后热成形钢回火温度以及回火时间进行研究，探究其力学性能以及组织转变规律。宋宁宏等^[3]研究了回火时间对1800 MPa级热成形钢组织和性能的影响，试验钢热处理工艺采用930 ℃保温4 min淬火，接着在200 ℃回火10~30 min，空冷至室温，经20 min回火后，马氏体亚晶粒尺寸最小；回火10 min后，组织中的小角度晶界最多，其强塑积也最高。徐德超等^[4]研究了回火温度对淬火22MnB5热成形钢组织及性能的影响，试验钢采用900 ℃保温5 min淬火，然后100~500 ℃回火10 min，空冷至室温。随回火温度的升高，试验钢抗拉强度降低，断后伸长率增加。程俊业等^[5]研究了回火温度对淬火后30MnB5热成形钢组织与性能的影响，30MnB5热成形钢经不同温度回火处理后发现在200 ℃保温2 min回火后得到的综合力学性能最佳。

某钢厂新开发1500 MPa热成形钢，相对于传统22MnB5热成形钢添加了大量合金元素，不仅提高了热成形钢淬透性，而且会在表面形成一层致密的氧化膜，提高抗氧化性能。由于材料属于新开发钢种，笔者对其进行热处理工艺探究，研究不同回火温度对淬火后组织和力学性能的影响，探究材料最佳回火工艺参数。

1.   试验材料和方法

1500 MPa热成形钢原始板材组织主要是铁素体、珠光体。采用英国阿朗科技公司直读光谱仪（型号：ARTUS8）进行化学成分检测，测试标准依据为GB/T4336-2016，主要化学成分为0.21C、1.2Mn、Si+Cr≤5、0.029Al、0.029Ti、0.0033B、0.067Nb，余量为 Fe。利用经验公式计算1500 MPa热成形钢$A_{\mathrm{C}_3} $、$A_{\mathrm{C}_1} $、M_S点，见公式（1）~（3）^[6-9]。

计算得到M_s=317 ℃，$A_{\mathrm{C}_3} $=857 ℃，$A_{\mathrm{C}_1} $=801 ℃。

试验采用如下热加工工艺：先把马弗炉升温到930 ℃，然后把材料放入保温5 min，让其达到奥氏体化温度并奥氏体均匀化，随后取出水冷，再把马弗炉降温到500、400、300、200 ℃进行回火10 min处理(为防止材料在奥氏体化阶段及回火阶段被氧化，马弗炉在加热过程中全程都通入氮气作为保护气体，为保证试验准确性，3个为一组)。

采用Instron3382型电子万能拉伸试验机进行力学性能测试，拉伸速率为3 mm/min，测试标准依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法》，采用国标A30试样进行拉伸试验，拉伸试样在轧制方向上使用线切割进行切割，试样尺寸如图1所示。硬度测试采用HV-10小负荷维氏硬度计进行，每组试验均选取五个点的硬度，然后取平均值。金相试样采用DS-300金相显微镜进行拍照。

图  1  拉伸试样尺寸（单位：mm）

Figure  1.  Dimensions of tensile specimens

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2.   试验结果和分析

2.1   热力学分析

在JMatPro通用钢模块中输入材料化学成分计算平衡相图，如图2所示。当温度降低到850 ℃左右时，$ {\gamma} $奥氏体向$ {\alpha} $铁素体开始转变，碳固溶度会快速降低，因此钢中Cr、Ti等元素会以碳化物的形式从钢基体中析出。由于Cr含量过高会抑制C的活度，导致渗碳体不能稳定存在，所以钢基体中主要的碳化物是M23C6和M7C3。M7C3大约在800 ℃析出，随着温度的降低，在400 ℃转化成M23C6，并一直保持到室温。M23C6最大含量为3.67%，M7C3最大含量为2.3%。

图  2  试验钢平衡相图

Figure  2.  Equilibrium phase diagram of the experimental steel

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2.2   力学性能

材料经过930 ℃完全奥氏体化并水淬后，再经过不同回火温度(200、300、400、500 ℃)保温10 min后的力学性能如图3(a)(b)所示，回火温度200～400 ℃时，马氏体中的碳随着回火温度的升高逐渐从基体中扩散出去，而马氏体的强度是由马氏体中的碳含量决定的，所以抗拉强度、屈服强度和硬度随着回火温度的升高而缓慢降低，且下降趋势呈现一致，当回火温度超过400 ℃时，由于马氏体组织中碳扩散速率增大、碳含量下降，导致马氏体组织出现分解情况，所以抗拉强度、屈服强度和硬度均快速降低；回火温度从0 ℃到500 ℃，延伸率与回火温度成正比，但强塑积先随着回火温度的升高而升高，达到400 ℃以后，强塑积随着回火温度的升高而下降。此时因为回火温度较高，同时还存在塑性的作用，导致位错增殖和攀移的阻力较小，在变形过程中，应力增加幅度较小，加工硬化率急剧下降，裂纹扩展导致断裂^[5]。因此综合对比不同回火温度下的力学性能可以发现，当回火温度为400 ℃时，材料力学性能最优。

图  3  试样回火后力学性能

(a)抗拉强度、屈服强度和延伸率；(b)硬度和强塑积

Figure  3.  Mechanical properties of the samples after tempering

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2.3   显微组织

图4、5为淬火后金相和SEM照片，淬火态的马氏体组织主要呈板条状，基体中存在大量第二相粒子，这是材料相较于普通22MnB5钢力学性能提升的原因。图6、7为回火处理后金相和SEM照片，随着回火温度的升高，位错、滑移逐渐剧烈，马氏体从饱和亚稳态向平衡态转化，而且马氏体中碳含量降低，碳化物大量析出长大，从而表现出强度降低、塑性提高的情况。

图  4  淬火后金相组织形貌

Figure  4.  Metallographic diagram after quenching

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图  5  淬火后SEM形貌

Figure  5.  SEM image after quenching

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图  6  不同回火温度金相图

Figure  6.  Metallographic diagrams of different tempering temperatures

(a)200 ℃；(b)300 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃

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图  7  不同回火温度SEM形貌

Figure  7.  SEM images of different tempering temperatures

(a)200 ℃；(b)300 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃

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如图7(a)所示，经200 ℃回火后的显微组织为回火马氏体，马氏体内部主要发生碳的扩散、聚集和重新分布，淬火内应力得到部分消除，位错密度降低^[10]。因为是较低温度回火处理，所以马氏体板条形态仍被保留，但是位错密度略有降低，存在碳化物粒子的析出行为，导致基体内固溶碳的减少。基体中固溶碳的扩散和位错密度的降低会使得强度降低，而位错周围析出的碳化物容易和位错发生钉扎作用^[11]，使得位错减少。如图7(c)所示，随着回火温度的升高，板条马氏体回复程度增加，部分马氏体板条边界消失，随着基体中碳的扩散，碳化物逐渐长大粗化，固溶强化作用降低^[12]。如图7(d)所示，500 ℃回火后大部分马氏体板条消失，基体中出现铁素体，这是经500 ℃回火后强度显著下降的主要原因，碳化物则进一步长大、球化。

2.4   讨论

如图5、7所示，材料通过淬火和回火处理后，强度随着回火温度的升高而降低，延伸率随着回火温度的升高而增加，马氏体板条中碳含量下降，而且有部分马氏体板条的边界消失，碳化物也会逐渐粗化、球化。这种情况是基于显微组织变化的结果，主要表现为板条马氏体的回复和再结晶、基体固溶碳和位错等缺陷的减少、残余奥氏体分解以及第二相粒子的形核、长大和粗化^[13]。而且由于合金含量较高会抑制渗碳体的形成，因此基体中主要存在的碳化物为M23C6和M7C3类。如图8所示，回火温度小于400 ℃时，主要碳化物为M23C6类，而且碳化物尺寸几乎没有发生长大，基体中存在一定碳化物扩散，所以强度有所下降；当回火温度大于400 ℃时，主要碳化物由M23C6类转化为M7C3类，而且总碳化物含量由3.67%降低到2.3%，碳化物尺寸也增大2～3倍，所以此时钢的强度迅速下降。

图  8  不同回火温度下碳化物尺寸

Figure  8.  Carbide sizes at different tempering temperatures

(a)200 ℃；(b)300 ℃；(c)400 ℃；(d)500 ℃

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3.   结论

1）Cr含量过高会降低C的活度，抑制渗碳体的形成，因此主要碳化物为M23C6和M7C3类，随着回火温度提高到400 ℃左右时，碳化物会由M23C6类转化为M7C3类。

2）随回火温度的升高，抗拉强度和屈服强度降低，延伸率增加，强塑积则呈现先升高后下降趋势。综合对比各个回火温度下力学性能，当回火温度为400 ℃时，抗拉强度和屈服强度为1495 MPa和1377 MPa，对比淬火试样变化幅度不大，而塑性得到明显改善，延伸率为7.2%，强塑积为10.764 GPa·%，是不同回火温度下最高的强塑积。

3）材料淬火组织主要为板条马氏体，随着回火温度的升高，板条马氏体中存在的高密度位错会随着回火温度的升高而下降，此外碳化物也会析出并长大。