雙相鋼DP600的顯微組織和性能

1、DP600（雙相鋼）激光焊接接頭的顯微組織和力學性能摘要 ： 雙相鋼(DP)有更高的抗拉強度、更好的初始加工硬化以及相比傳統(tǒng)的等級的鋼有更大的伸長，同時減少燃料消耗和溫室氣體排放，廣泛應用于汽車業(yè)。在這樣的應用程序過程中焊接和連接必須參與進來,但這將導致材料的局部變形，并產(chǎn)生一系列制造潛在的安全和循環(huán)載荷下的可靠性的問題。本次研究的目的是評估DP600鋼材料在激光焊接后顯微結構改變及其對拉伸和疲勞性能的影響。激光焊接導致在融合區(qū)的硬度顯著增加,但也形成一個軟的區(qū)域熱影響區(qū)(HAZ)外側。盡管焊接后延展性降低,屈服強度增加但極限抗拉強度依然幾乎保持不變。在高應力振幅疲勞壽命幾乎相同的母材和焊接接

2、頭之間的疲勞極限在焊后盡管稍微降低，拉伸斷裂和疲勞破壞卻發(fā)生在更高的應力振幅的外層熱影響區(qū)。觀察到疲勞裂紋萌生區(qū)發(fā)生在的試樣表面而且裂紋擴展是具有特色的裂紋形成機制。在快速傳播區(qū)域也觀察到凹坑及變形帶。關鍵詞：雙相鋼(DP)鋼鐵公司激光焊接顯微結構抗拉性能疲勞強度失效機理介紹 環(huán)境保護和節(jié)約能源越來越受關注，消費市場激勵汽車制造商使用輕質(zhì)材料，并且有一個更高的抗拉強度和更好的延展性。這樣可以通過減少汽車的重量從而減少燃料消耗以及二氧化碳排放量來實現(xiàn)。在汽車行業(yè)需要考慮到安全標準,由于雙相(DP)鋼有更高的抗拉強度結合高伸長率，比類似的屈服強度鋼的更好的成績，從而獲得了很好的口碑。雙相鋼的顯微組

3、織的基體是具有良好塑性和韌性的鐵素體,并且由馬氏體相和可能存在的貝氏體相與極少數(shù)的殘余奧氏體2 - 6結合從而加強了硬度。鋼的延展性源自鐵氧體，強度源自于馬氏體。而高強度低合金鋼(低合金高強度鋼)、雙相鋼顯示出較低的屈服強度但連續(xù)移動檢測中雙相鋼的結果有較大且更加統(tǒng)一的總伸長和更高的初始加工硬化率，伴隨著相當高的極限抗拉強度，所有這些令人滿意的機械特性使雙相（DP)鋼引起了汽車的制造商的興趣。 人們常說超過一個國家的國內(nèi)生產(chǎn)總值50%的產(chǎn)品與焊接存在這樣或那樣的關聯(lián)，就車身結構來說焊接是主要的操作過程。在以前的車身設計中,最典型的材料是低碳鋼，這些汽車部件通過電阻點焊(RSW)組裝,來的實現(xiàn)汽

4、車制造商的需求過程中高速度和高產(chǎn)量的場景。但由于改變材料的方案,行業(yè)中其他焊接方法也越來越流行了。其中易于自動化和靈活性的激光焊接在金屬鏈接已經(jīng)獲得了名氣。由于焊接DP鋼加入了其他焊接過程,如電阻點焊(RSW)11、激光點焊12、氣體金屬電弧焊接(GMAW)13,攪拌摩擦焊14。所以必須分析它的機械性能。在雙相鋼的激光焊接性已經(jīng)做了部分研究，例如：鋼的拉伸性能的焊接效果和非常有限的疲勞性能的研究。在應用程序的結構激光焊接接頭在循環(huán)荷載下的條件是容易失效,因此表征焊接接頭的抗疲勞強度是必要的。 先前的研究表明在DP鋼焊接導致了在熱影響區(qū)域(HAZ)外側形成軟帶,焊接接頭的機械性能在這個地區(qū)有顯著

5、影響(17、18)。通過形成這種軟化區(qū)(17 - 20)焊接接頭的拉伸性能和成形性的嚴重受阻。在這個研究進行了拉伸試驗也得到這樣的結果。然后問題在于軟帶是否將會導致還原抗疲勞強度。詳細研究表明關于疲勞性能的影響,以及軟帶的失效的行為是雙相鋼焊接接頭不足之處。一個全面的研究發(fā)現(xiàn) ：為有效應用DP鋼，了解他們的斷裂特點和機制在兩個單調(diào)和循環(huán)負載是至關重要的。因此,本研究的目的是在評估在兩個單調(diào)和交變載荷強調(diào)失效的DP鋼激光焊接接頭的機制的力學性能。2材料和實驗過程 2.1材料 這個DP600鋼擁有一個1.2毫米厚度與鍍鋅擴散(GA)涂層(46克/平方米頂部和47 g / m2在底部)選擇適當?shù)膮^(qū)域

6、研究。母材的化學成分金屬是表1中給出。表格1在目前的研究選定的DP600鋼中的化學成分(wt %)CMnSiAlMoCrCuS0.091.840.360.050.010.020.030.005 2.2激光焊接 激光焊接是通過使用一個二極管激光器，在目前的研究中焊接使用的參數(shù)如表2所示。這個型號為Nuvonyx ISL4000L二極管激光器頭部被安裝在松下VR6機器人手臂處。光束矩形尺寸為12毫米×0.9 毫米，焦距為90 mm。 同時,由于二極管激光的功率密度導致其局限于焊接傳導模式。以一個流速14.2 l /分鐘的超高純度氬作為保護氣體在試樣表面上焊接。在金屬模版上焊接形成一個熔透

7、焊道，焊接速度為1米/分鐘。表格2Laser machineLaser sourceLaser power (kW)Welding speed (m/min)Focal length (cm)Beam dimension (mm2)Nuvonyx ISL-4000Diode41912×0.9 2.3顯微組織和顯微硬度測試 母材為DP600鋼在三個不同的方向被切割。即在縱向、橫向和短橫方向。然后這些標本是對金相鑲嵌、研磨、拋光和有2%硝酸浸蝕液溶液腐蝕之后做成的。再檢查焊接試樣橫截面的顯微結構。一種結合Clemex圖像分析系統(tǒng)光學顯微鏡被用來觀察在焊縫的顯微結構的變化。未侵蝕樣本進行了

8、維氏顯微硬度測試。測試期間使用的負載為500gm，保壓時間為15s。所有的值都取的是三個方向系列試樣的平均值。用顯微鏡仔細觀察這個融合區(qū)的中心，確定了焊縫的幾何規(guī)格,所有的幾何凹痕是充分地為了避免任何潛在的通過鄰近的缺口應變場引起的影響。圖1：用于目前的研究的拉伸和疲勞試驗標本的幾何形狀和尺寸。 2.4抗拉試驗 ASTM-E8M代替試樣標本用于拉力測試。拉伸試樣的幾何形狀由圖1中給出。焊接樣品的加工垂直于焊接方向。所有的測試樣本沿著加載方向的儀表測試是小幅度的晃動，最后定格的數(shù)字是600。拉伸實驗在室溫下用一個完全自動萬能拉力試驗機。目前的拉伸測試的應變率是0.01 s1,0.001 s1,0

9、.0001秒1和0.00001 s1。進行的測量應變測試是用 一個長度為25毫米伸長計來測量的。進行了在每個應變速率至少兩個樣品的測試。來評測0.2%的補償屈服強度,極限抗拉強度和韌性(百分比伸長)。 2.5疲勞試驗和金相 疲勞研究采用是一個完全計算機化、在負載控制和在超過6應力振幅的8801電服液壓測試系統(tǒng)。那些拉伸試驗樣品在每個應力水平進行了兩個或更多相同的幾何形狀和尺寸樣品測試，應力比的等于0.1。所有的測試正弦波形、頻率選擇為50 Hz。疲勞試驗后的母材和焊接接頭通過JSM-6380-lv掃描電子顯微鏡配備牛津能量色散x射線光譜學系統(tǒng)和3 d顯微鏡觀察的分析檢查,來確定疲勞裂紋萌生部位

10、和傳播機制。3結果與討論 3.1顯微硬度配置文件及顯微組織變化 圖2顯示了DP600鋼激光焊接接頭微壓痕硬度配置文件。觀察到在融合區(qū)(FZ)硬度值明顯高于母材,大約1.5倍。掃描電鏡檢查該階段明顯融合區(qū)（FZ）表明這個地區(qū)包括主要馬氏體(M)結合一些側板鐵素體和貝氏體(圖3(a)。在融合區(qū)（FZ）形成的馬氏體使得激光焊接過程中快速冷卻的焊縫池在熱影響區(qū)硬度值變化,由于馬氏體的形成該熔化區(qū)附近有較高的硬度比該地區(qū)接近母材。相似的結果在21提出了。該區(qū)附近觀察到具有比母材低的硬度值的金屬外熱影響區(qū),稱為軟區(qū)在圖2顯示。存在軟帶主要是由于預先存在的回火馬氏體3,18、19,在圖3(b)可以看到,回火

11、馬氏體(TM)和貝氏體鐵素體基體,再加上一些預先存在的殘留奧氏體。類似的結果也在其他等級的焊接DP鋼(17、18、20出現(xiàn)。這種軟區(qū)域會有激光焊接DP600鋼關節(jié)力學性能的不利影響,這在后面的截面將會看到。在母材觀察幾乎整個材料常數(shù)硬度值,對應母材的顯微結構包含馬氏體、鐵素體基體加上一些殘留奧氏體(圖3(c)。 圖2：典型DP600鋼激光焊接接頭剖面的顯微硬度圖3：SEM顯微圖顯示了一個DP600鋼關節(jié)激光焊接的顯微結構的變化,(a)融合區(qū),(b)外熱影響區(qū)(軟帶),(c)基本金屬,在M,F,B,和TM分別代表馬氏體、貝氏體鐵素體、,回火馬氏體。圖4.DP600鋼在不同應變利率的工程應力-應變

12、曲線測試,(a)母材(b)焊接接頭圖5. DP600鋼激光焊接接頭拉伸測試樣品的典型的故障位置 3.2拉伸性能 圖4顯示了母材和焊接接頭的兩個工程應力-應變曲線。有意思的是發(fā)現(xiàn)DP600母材的應力-應變曲線是光滑的，并且所有的應變率(圖4(a)是連續(xù)的,而焊接DP600關節(jié)在所有的應變率都顯示屈服點現(xiàn)象，見圖4(b)。在外層HAZ所有焊接樣本失敗，在圖5顯示一個例子,垂直的線標志焊接。在拉伸試驗仔細觀察表明,在軟化區(qū)發(fā)生屈服現(xiàn)象，然后在那個區(qū)域(即。在外面的熱影響區(qū))累積的是大部分塑性變形,直到最終失敗。焊接關節(jié)比母材有更高的屈服強度但焊接標本的拉伸強度,略低于母材(圖6)。盡管兩屈服強度、極

13、限抗拉強度略有增加而增加應變速率,就應變率而言(圖7)延展性并沒有表現(xiàn)出任何細微的改變。然而進行了所有的拉伸試驗樣本韌性類型的斷裂模式觀察，焊接導致減少伸長率(圖7)。圖 6.DP600鋼激光焊接接頭在不同應變率的影響下的屈服強度和拉伸強度極限的測試. 在焊接樣本存在屈服點現(xiàn)象可能是因為間質(zhì)擴散,可能發(fā)生在激光焊接過程。高溫產(chǎn)生的激光把碳(或氮氣)鐵原子擴散到別的位置的能量略低于另一個真實的刃型位錯的平面原子。彈性交互如此強勁,雜質(zhì)原子氣團變得完全飽和并沿核心的位錯凝聚成一排原子。當這樣一個示例與固定插入的位錯(即在這項研究的焊接樣品)被加載,啟動位錯運動需要更高的應力來開始的塑性變形。結果,

14、經(jīng)過激光焊接的屈服強度變得更高,如圖6所示。位錯線可能是在一個較低的壓力掙脫了溶質(zhì)原子的影響，發(fā)生滑移,表現(xiàn)出屈服點現(xiàn)象，見圖4(b)。這屈服點是負載下降之后發(fā)生的屈服，在文獻22-24可以看到一些詳細描述。圖 7. DP600鋼激光焊接接頭在不同應變利率的影響延展性的測試。 焊接接頭和母材在斷裂表面特征上兩個顯示基本相似。杯狀凹地破裂是斷口的主要特征,代表韌性類型斷裂的模式。圖8可以看到典型的焊接斷口SEM顯微圖的示例。斷裂表面的中心(圖8(a)主要包含晶粒凹坑顯示簡單拉伸加載引起的典型的斷裂。這個接近邊緣的斷裂表面(圖8(b)表現(xiàn)兩個等軸和剪切凹坑的結合,因為它有一個的印象晶粒外表的等軸凹

15、坑這種凹坑有一個細長的拋物線形。這意味著這個地區(qū)隨著拉伸載荷發(fā)生剪切運動。圖 8. 典型焊接接頭在應變率為1×103 s 1的拉伸測試試樣斷口SEM顯微圖表面(a)在中心和(b)表面附近。 3.3疲勞性能 控制負荷的疲勞試驗表明,當焊接關節(jié)的疲勞極限比母材稍低,在高應力幅值觀察到母材和焊接接頭之間有幾乎相同的疲勞壽命,見圖9。這個結果表明外熱影響區(qū)輕微下降硬度(圖2)在更高應力振幅下不是足夠大來減少疲勞強度。這是因為高應力振幅破壞了潛在的負面效應的軟帶。這兩類材料獲得的疲勞極限和計算疲勞比如表3所示。焊接接頭的疲勞極限低于母材12.5%,然后一個疲勞率為0.28相比與0.32的母材得

16、到了該焊接接頭。這個焊接樣本的外熱影響區(qū)出現(xiàn)隱含的負面效應軟帶使疲勞極限或疲勞比率輕微的減少,不能忽視在的疲勞極限區(qū)域附近降低壓力振幅。以下Basquin-type方程是用來符合疲勞數(shù)據(jù), 是交變應力振幅，是壓力攔截在2N=1的疲勞強度系數(shù)。N是疲勞破壞周期數(shù)，2N是逆向負載破壞系數(shù)，b是疲勞強度指數(shù)。表4給出了母材的和b的值和焊接樣本。這是看到焊接接頭較高的疲勞強度系數(shù),但疲勞強度指數(shù)的絕對值上升將會得到一個稍短疲勞壽命(因為一個小的b值對應一個更長疲勞壽命24)。結果，這是同樣難以使用和b的值來區(qū)分焊接接頭和母材的疲勞壽命之間的區(qū)別，在圖9證明了這一點。圖 9.DP600鋼母材和焊接接頭進

17、行的在R = 0.1、50 Hz、室溫下的 s - n曲線,那里的數(shù)據(jù)點箭頭標志指樣本跳動。 3.4疲勞斷裂位置和機制 關于疲勞失效的位置，觀察到所有焊接樣本在一個高于250 MPa壓力振幅下在外熱影響區(qū)失效,并且母材樣品中的測量部分失效。然而,在或低于250 mpa的壓力振幅下所有焊接樣品和母材樣品的失效遠離中間測量部分。這些結果符合良好，在焊接接頭和母材的S-N曲線圖中在一個壓力振幅約250 MPa存在一個轉折點,如圖9所示。在焊接樣品的缺陷位置可以看到應力幅值兩個不同的測試范圍如圖10?？赡艿脑蚝陀绊懯茄h(huán)強化機制涉及誘導馬氏體轉變25、26、27變形。這個DP鋼中的微觀結構含有一種少

18、量的殘余奧氏體;在循環(huán)加載下殘余奧氏體轉化為馬氏體從而給了鋼額外的加固效果。這些馬氏體粒子被認為促使位錯產(chǎn)生和主導循環(huán)變形28。在更高的應力振幅下樣品測試的LCF區(qū)域中位錯可以克服馬氏體的應力大小的障礙，即超過了由馬氏體產(chǎn)生的阻力,在測試樣本測量部分產(chǎn)生更多的累積損傷。在母材和焊接接頭兩個上的缺陷部分出現(xiàn)的更高層次的應力幅值是這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。由于低硬度，焊接樣品更具體疲勞失效發(fā)生在外層熱影響區(qū)(圖2)。但在一個較低水平的壓力振幅下HCF區(qū)域此現(xiàn)象持續(xù)了很長一段時間,應力不能與由克服混亂的馬氏體的阻塞力相互作用。由于潛在的應力集中導致的缺口效應使得測量部分附近區(qū)域成為最薄弱的地區(qū)。通常,切口

19、效應表明HCF區(qū)域相比LCF區(qū)域(29)較短的壽命來說更為長期。圖10.典型焊接樣品的疲勞斷裂位置的壓力測試(a)幅度高于250 MPa和(b)低于250 MPa。 圖11：焊接接頭典型的疲勞斷口SEM顯微圖的進行了應力幅225 MPa,(a)斷裂表面處于低水平的總體視圖放大,(b)放大的視圖的虛線框(a)顯示裂紋萌生區(qū)域和裂紋擴展區(qū)在中間放大,CP表示裂紋擴展區(qū)和箭頭說明了裂紋擴展方向,(c)裂紋擴展面積在接近裂紋萌生區(qū)域放大,(d)裂紋擴展面積約2毫米的裂紋萌生區(qū)域在更高的放大和二次裂紋,(e)表面中心和邊緣附近的斷裂(f)表面斷裂區(qū) 這個疲勞斷裂表面的顯微鏡觀察表明,裂紋萌生發(fā)生標本的表

20、面。在這母材和焊接接頭兩者之中,或低于250 MPa顯示應力幅值樣品測試裂縫起始位點和裂紋擴展的斷裂表面區(qū)域很明顯。一個典型的例子：圖11(a)顯示斷裂面的總體視圖，所示測試樣品的焊接應力幅值是在225 MPa。標本表面發(fā)生裂紋萌生(圖11(b)。表面晶粒通常比內(nèi)部的晶粒有更少的壓力,以便在試樣表面靠近疲勞區(qū)域的幾個晶粒發(fā)生滑動30可能相對更容易。在可以產(chǎn)生刻凹痕或帶鋼單向皺紋的疲勞表面來回的滑移運動,也被稱為作為入侵和擠出24。這種切口與一個原子尺寸根的缺口充當了應力集中器和疲勞裂紋可能的核心24。表面粗糙度和突出物還可以充當一個應力集中點,在此導致疲勞裂紋的萌生。在表面可以看到疲勞裂紋擴展

21、階段，圖11(b)。疲勞裂紋II期裂紋擴展的主要特點是疲勞光條紋(圖11(c)和(d),它通常都是垂直的傳播方向。間隔的條紋標志著附近的小裂紋萌生區(qū)域反映對裂紋較慢擴展速率(圖11(c),而在隨后增加條紋間距、裂紋擴展的階段(圖11(d)代表裂紋在前沿更快的傳播。疲勞光條紋的形成基本上是被認為是由于在塑性帶重復塑性變鈍刃磨過程中由于要么錯位或成對滑動3132,33形成疲勞裂紋。在II期裂紋擴展觀察二次裂紋，同時,見圖11(d)。在斷口中心的更快的裂紋擴展的典型的韌性斷裂模式主要特征是杯狀波紋斷裂，(圖11(e)。邊緣斷裂表面主要的特征是由于剪切運動的伸長的橢圓形的凹坑,(圖11(f)顯示最終的

22、快速失敗的示例。母材和焊接樣本兩者都有基本相似斷裂表面特征。然而,在或低于一個應力幅250 MPa樣品測試顯示一些變形帶位于遠離裂紋萌生的區(qū)域，如圖12(a)和(b)所示。主要是由于不均勻變形形成了變形帶,從而引起在軋制鋼板存在的晶體結構(34,35)。進一步研究了DP600鋼焊接接頭的疲勞斷裂紋理的影響機制是必要的。圖12：焊接樣品表面疲勞斷裂測試壓力振幅250 MPa(a)兩試樣表面附近變形帶,(b)一個放大了視圖的方形區(qū)域(a)。4. 總結 1.由于焊接時快速冷卻時導致在溶合區(qū)（FZ)形成大量的馬氏體結構,導致一硬度增加相當大。然而,由于預先存在的回火馬氏體，在DP600鋼外熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)

23、一個軟帶。 2.盡管在某種程度上熱影響區(qū)（HAZ）外側軟化減少了延展性,激光焊接后極限抗拉強度幾乎沒有改變。另一方面,DP600鋼焊接接頭相比母材具有更高的屈服強度和稍顯屈服點現(xiàn)象,。 3.觀察到依賴拉伸性能的應變速率是很弱,因為屈服強度、極限拉伸強度增加在母材和焊接關節(jié)僅略微增加應變率（從1×105 s1到1×102 s1）。 4.盡管焊接接頭的疲勞極限和疲勞率略低于母材，母材和焊接接頭存在的軟帶之間實驗性的散播使得疲勞壽命和更高層次的應力振幅幾乎相同的。 5.在所有焊接樣品在不同應變利率測試情況下的拉伸斷口發(fā)生在軟區(qū),但拉伸斷裂表面仍然表現(xiàn)出凹坑、韌性斷裂特性。在在母材

24、和焊接接頭這兩個試樣表面觀察到疲勞裂紋,斷裂表面是以疲勞光條紋為特征。在快速傳播地區(qū)也觀察到凹坑和一些變形帶。鳴謝 作者要感謝加拿大自然科學和工程研究委員會(NSERC),和汽車創(chuàng)新行動(安大略省卓越研究基金會)提供金融支持。謝謝瑞爾森學校的研究生SGS獎學金。也感激總理的杰出研究獎(PREA)、加拿大創(chuàng)新基金會(CFI),和瑞爾盛研究椅(RRC)項目的金融支持。作者還想謝謝各位先生（A. Machin,Q. Li,j . Amankrah,d .奧斯特羅姆和r . Churaman）在實驗中的幫助,S.D-Bhole教授提供有用的討論。個人總結 雙相鋼(DP)有更高的抗拉強度、更好的初始加工

25、硬化以及相比傳統(tǒng)的等級的鋼有更大的伸長，同時減少燃料消耗和溫室氣體排放，廣泛應用于汽車業(yè)。本次研究的目的是評估DP600鋼材料在激光焊接后顯微結構改變及其對拉伸和疲勞性能的影響。由于焊接DP鋼加入了其他焊接過程,如電阻點焊(RSW)、激光點焊、氣體金屬電弧焊接(GMAW),攪拌摩擦焊。所以必須分析它的機械性能。在雙相鋼的激光焊接性已經(jīng)做了部分研究，例如：鋼的拉伸性能的焊接效果和非常有限的疲勞性能的研究。在應用程序的結構激光焊接接頭在循環(huán)荷載下的條件是容易失效,因此表征焊接接頭的抗疲勞強度是必要的。先前的研究表明在DP鋼焊接導致了在熱影響區(qū)域(HAZ)外側形成軟帶,焊接接頭的機械性能在這個地區(qū)有顯著影響。通過形成這種軟化區(qū)焊接接頭的拉伸性能和成形性的嚴重受阻。一個全面的研究發(fā)現(xiàn) ：為有效應用DP鋼，了解他們的斷裂特點和機制在兩個單調(diào)和循環(huán)負載是至關重要的。因此,本研究的目的是在評估在兩個單調(diào)和交變載荷強調(diào)失效的DP鋼激光焊接接頭的機制的力學性能。 母材為DP600鋼在三個不同的方向被切割。即在縱向、橫向和短橫方向。然后這些標本是對金相鑲嵌、研磨、拋光和有2%硝酸浸蝕液溶液腐蝕之后做成的。再檢查焊接試樣橫截面的顯微結構。 疲勞研究采用是一個完全計算機化、在負載控制和在超過6應力振幅的8801電服液壓測試系統(tǒng)。那些拉伸試驗樣品在每個應力水平進行了兩個或更多相同的幾何形狀和尺寸樣品測試，