热冲压成形后22MnB5钢的组织与拉伸性能以及拉伸时的微观形貌演变

b机械工程材料
MATERIALS FO R M ECHANICAL ENGINEERING
202 丨年 5 月第 45 卷第 5 期V"l. IS No. 5 May 2021 D O I：10.11973/jx g c c l202105008
热冲压成形后22MnB5钢的组织与拉伸性能
以及拉伸时的微观形貌演变
袁昌望，黄加进，钟辉隆,李声慈
(江西理工大学材料冶金化学学部，赣州341000)
摘要：对比研究了 22MnB5钢经890 °C热冲压成形前后的显微组织与拉伸性能，采用原位拉 伸试验观察了热冲压成形后试验钢在单向拉伸过程中微观形貌的演变。

结果表明：热冲压成形前 试验钢的显微组织为铁素体和珠光体，热冲压成形后组织转变为马氏体，试验钢的强度和强塑积提 高，塑性下降；在拉伸过程中，试验钢先发生颈缩，随后原奥氏体晶界破坏，微裂纹萌生，夹杂物脱黏 形成孔洞型裂纹，随着拉伸的继续进行，裂纹扩展长大并相互连接，试验钢断裂；热冲压成形试验钢 的拉伸断口存在大量初窝，断裂形式为微孔聚集型断裂。

关键词：热成形钢；原位拉伸；裂纹扩展；马氏体
中图分类号：TG142.1 文献标志码： A 文章编号：1000-3738(2021)05-0045-05
M icrostructure, Tensile Properties and Micromorphology Evolution
During Tensile of 22MnB5 Steel after Hot Stamping
YUAN Changwang. HUANG Jiajin. ZHONG Huilong, LI Shengci
(Faculty of M aterials M etallurgy and C hem istry, Jiangxi U niversity of Science and Technology, Ganzhou 341000, China) Abstract ：T he m icrostructure and tensile properties of 22MnB5 steel before and after hot stam ping at 890 °C were studied and compared. T he m icrom orphology evolution during uniaxial tensile of the test steel after hot stam ping was investigated by in-situ tensile te^sts. T he results show that the m icrostructure of the test steel before hot stam ping was composed of ferrite and pearlite. A fter hot stam ping, the m icrostructure changed to m artensite♦and the strength and the volume of strength and plasticity of the steel increased»while the plasticity decreased.
During tensile, the test steel first underwent necking, then the original austenite grain boundaries were destroyed, leading to the initiation of m icrocracks, and the hole-type cracks were formed by debonding of inclusions. As the tensile continued, the cracks propagated and connected to each other, resulting in the fracture of the steel. A large num ber of dim ples w ere observed on the tensile fracture surface of the hot stam ped test steel, and the fracture form was microvoid coalescence fracture.
Key words：hot stam ping steel；in-situ tensile；crack propagation；m artensite
(>引言
热成形钢具有强度高、密度小、成型时回弹小等 特点，主要应用于汽车加强件.如车门防撞梁、保险
收稿日期：2020-06-15;修订日期：2021-04~02
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51804137):中国博士后科学 基金资助项S (2020T130556);江西省博士后择优资助项
目（2019KY55);江西省教薄厅科技项目（GJJ170551)
作者简介：袁昌望（1995 —），男，江西宜春人，硕士研究生
导师（通信作者 >:李声慈讲师杠梁、侧边梁、A柱B柱加强件和腰轨加强件等[1<。

目前，有关热成形钢热冲压成形工艺参数、膨胀变形、高温成形极限等方面的研究报道较多[48]，这些研究成果对热成形钢的发展起到了一定 的指导作用，但是关于热成形钢断裂行为的研究较 为缺乏。

断裂是热成形钢构件在汽车服役过程中的 失效方式之一，具有较大危害性，而微裂纹的形成和 扩展与材料显微组织密切相关。

常规的拉伸试验方 法无法直观地判断材料在断裂过程中组织变化与裂 纹发展的规律。

原位拉伸试验能够实时地观察拉伸
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袁昌望，等：热冲压成形后22MnB5钢的组织与拉伸性能以及拉伸时的微观形貌演变MATERIALS M ECHANICAL ENGINEERING
过程中材料表面组织演变和材料变形断裂过程。

但 是，目前关于热成形钢的原位拉伸研究较为缺乏。

为此，作者通过原位拉伸试验研究了 22MnB5热成形钢 的组织与拉伸性能，以及拉伸时的微观形貌演变。

1试样制备与试验方法
试验材料为国内某钢厂生产的汽车用22MnB5 热成形钢，主要化学成分见表1。

该钢经冶炼、连铸、热轧、冷轧等工序生产制造，热轧工艺参数为加热温 度1 230 °C、开乳温度1 150 °C、精轧温度1 050 °C、终轧温度860 °C、卷取温度600 °C;冷轧后钢板厚 度为1.2 mm。

在冷轧态试验钢板上切取尺寸为260 m m X180 m m X1.2 mm(轧向）的板料，在奥 氏体化温度890 °C下保温5 min,转移至2000KN 四柱伺服压力机的U形模上进行热冲压成形，压 力为1 065 kN，保压15 s。

表1试验钢的主要化学成分(质量分数）
Table 1M ain chem ical com position o f test steel
(m ass fraction)
C Si Mn Cr Ti A1B P S
0.22 0.26 1.280.160.0250.0310.002 90.0080.002
在冷轧态钢板和热冲压成形件上切取金相试 样，热镶后用砂纸依次磨至2000#，机械抛光至光亮 后用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀10 s，在 Axio Acope.A1 型光学显微镜（OM)和 MLA650 型扫描电镜（SEM)上观察显微组织。

根据GB/T 228.1 —2010制取板状拉伸试样，标距段尺寸为25 mmX10 mmX1.2 mm,采用 UTM5105 型拉伸 试验机在拉伸速度4 mm«min M下进行拉伸试验，各测3个平行试样。

在热冲压成形件的中心位置线切割出如图1所 示的原位拉伸试样，在试样中间切割出最小横截面，宽度为2.5 mm。

原位拉伸试样经机械研磨、电解抛 光、体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在装有拉伸 台的_JM^6510型扫描电镜中进行拉伸，拉伸速度 为0.2 mn^r1。

在试验过程中自动记录载荷-位移 曲线，在拉伸过程中选择某个时间点暂停试验，观察
Fig. 1Size of in-situ tensile specimen 显微组织和变形特征，然后继续拉伸.直至最终断 裂。

采用MLA650型扫描电镜观察拉伸断口附近 表面形貌和拉伸断口形貌。

2试验结果与讨论
2.1热冲压成形前后的显微组织
由图2可以看出，冷轧态试验钢（即热冲压成形 前)的显微组织为铁素体和珠光体，热冲压成形后则 全部转变为马氏体，马氏体在局部范围呈平行的板条 状，原奥氏体晶界与板条束界清晰。

试验钢中含有质 量分数为〇.〇〇2 9%的硼元素和质量分数为1.28%的锰元素，当在890 °C下完全奥氏体化、冲压成形并快 速冷却时，硼元素会钉原奥氏体晶界阻碍铁素体形 核，防止铁素体转变;锰元素和适量的硼元素还能有 效提高钢的淬透性，使马氏体转变得更完全:因此，热 冲压成形后试验钢获得板条状马氏体组织。

(b)热冲压后，SEM形貌
图2试验钢热冲压前后的显微组织
Fig.2 Microstructure of test steel before (a) and after (b)
hot stamping
2.2热冲压成形前后的拉伸性能
由图3和表2可以看出：冷轧态试验钢在拉伸 过程中出现轻微的屈服平台和较宽的均匀变形区，热冲压成形后的试验钢在拉伸过程中则发生连续屈 服，无屈服平台，均匀变形区变窄；热冲压成形后试 验钢的强度得到大幅提升，断后伸长率则降低至热 冲压成形前的1/3左右，但强塑积增大，这说明热冲 压成形后试验钢的综合力学性能较好[9]。

结合组织分析可知，冷轧态试验钢在热冲压成
46
试验钢的强度增加。

2.3拉伸过程中微观形貌演变
图4为热冲压成形后的试验钢在原位拉伸过程 中的载荷-位移曲线。

分别在拉伸至①，②，③，④这 4处时暂停加载进行形貌观察，这4处的变形量分
〇 316,0.681,0.875,1.225 mm 0
位移/mm
热冲压成形试验钢在原位拉伸过程中的载荷-位移曲线 ^
4 Load-displacement curve during in-situ tensile of hot-stamped test steel
图5可以看出：
未拉伸试样表面和边部未观 显缺陷；当拉伸变形量为0.316 m m (图4中 t ，因所受拉应力较小，试样边部和表面未发 变化，但是中心部位（即最小横截面处）发生 形；当拉伸变形量为0.681 mm (图4中②处) 有中心部位发生明显颈缩但无明显裂纹；当拉 量为0.875 mm (图4中③处)时，试样颈缩区 部出现滑移线，
表面出现高密度无规则的细(f )变形置1.225 mm ,高倍
i P r u A M i r A i
P K in iK ic c o iK ir ：
袁昌望，等：热冲压成形后22MnB 5钢的组织与拉伸性能以及拉伸时的微观形貌演变
热冲压前
0.1
0.2
0.3
工程应变
0.4
图3
试验钢热冲压成形前后的工程应力-应变曲线
Fig. 3 Engineering stress-strain curves of test steel before and
after hot stamping
表2试验钢热冲压成形前后的拉伸性能
Table 2 Tensile properties of test steel before and
after hot stamping
抗拉强度/
屈服强度/断后伸长率/
强塑积/
求什
MPa MPa %(MPa*%)热冲压前42626529.512 567热冲压后
1 558
1 218
10.5
16 359
形过程中发生马氏体相变，马氏体相变导致的体积 膨胀诱发大量可动位错，在较低应力的作用下位错 源激活，使得试验钢表现出连续屈服现象;这种特性 有利于避免钢板在成形过程中发生表面起皱[1°]。

此外，试验钢中的碳原子能起到较好的间隙固溶强 化作用，锰元素和适量的硼元素能提高钢的淬透性， 从而提高马氏体的强化效果[2]，因此热冲压成形后
图■»Fig 由察到明
①处)日、 现明显 轻微变
时，试牟
伸变形
域的边(a )未拉伸(b )变形量0.316 1
Him
(d )变形置0.875 ]
(e )变形置1.225 mm ，低倍
颈缩
材料
00
0000x )0§)00008
642
0(8642
图5
未拉伸和不同拉伸变形置下试样的微观形貌
Fig. 5 Vlicromorphologj of specimens without tensile (a) and with different tensile deformations (b—f ):
(e) at low magnification and (f) at high magnification
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小应变条纹Dl:;当拉伸变形量为1.225 mm (图4中 ④处)时，试样颈缩凹陷处出现撕裂型毛刺，放大后 可见许多微裂纹和密集的无规则滑移线，微裂纹主 要分布在发生颈缩的表面中间部位。

由图6可以看出：在原位拉伸断口附近表面存 在长条状微裂纹，马氏体组织发生塑性变形，原始奥 氏体晶界发生破坏；断口附近试样表面还存在二次 裂纹和Y 形孔洞状裂纹，二次裂纹与断裂面方向垂 直，Y 形裂纹的孔洞面积约为2.2 pm 2。

原奥氏体 晶界交汇处的夹杂物因受到较大拉应力发生脱黏, 从而形成了 Y 形孔洞状裂纹[12131»
由图7可以看出，热冲压成形试样在拉伸时发 生明显的颈缩，拉伸断口边部与下部存在较为明显
微裂纹
的分层线;在分层线附近出现多个微孔.微孔相互排 列连接;在断口下部存在大量大小不一的韧窝，部分 韧窝内存在夹杂物；在断口上部存在呈拉长状的韧 窝，该区域相比下部区域更为平滑.呈现出剪切断裂 形貌。

结合拉伸断裂试样表面和断口特征分析，试 样发生了微孔聚集型断裂1U15]。

综上所述•在热冲压成形试验钢上取样进行拉 伸时.随着应力增加，试样先发生塑性变形产生颈 缩;随后原奥氏体晶界发生破坏，颈缩区域试样表面 出现微裂纹，同时夹杂物脱黏形成孔洞型裂纹；最 后，微裂纹数量增加并相互聚集连接，在与夹杂物脱 黏形成孔洞型裂纹的共同作用下，试样实际承载面 积变小，当应力增加至其断裂临界值时，试样断裂。

(b )视场2
图6
试样原位拉伸断口附近表面的微观形貌
Fig.6 Micromorphology of surface near in-situ tensile fracture of specimen: (a) view 1 and (b) view 2
(c )下部放大
（d )边部放大
图7
试样原位拉伸断口形貌
Fig.7 In-situ tensile fracture nwrpholojyr of specimen: (a) macroscopic fracture ； (b) enlargement of block b;
(c) enlargement of lower part and (d) enlargement of edge
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3结论
(1)
冷轧态22MnB 5钢板的显微组织为铁素体
和珠光体，经热冲压成形后组织完全转变为马氏体，
强度得到大幅提高，抗拉强度达到1 558 MPa ，屈服 强度达到1 218 MPa ，塑性下降，强塑积提高。

(2)
热冲压成形22MnB 5钢在拉伸过程中先发
生颈缩，随后原奥氏体晶界发生破坏，微裂纹萌生， 同时夹杂物与基体脱黏形成孔洞型裂纹；随着拉伸 过程的继续进行，裂纹数量增加并扩展长大，相互连 接，最终导致断裂;热冲压成形试验钢的拉伸断口存 在大量初窝.断裂形式为微孔聚集型断裂。

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