對(duì)比研究了22MnB5鋼經(jīng)890℃熱沖壓成形前后的顯微組織與拉伸性能，采用原位拉伸試驗(yàn)觀察了熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼在單向拉伸過(guò)程中微觀形貌的演變。結(jié)果表明：熱沖壓成形前試驗(yàn)鋼的顯微組織為鐵素體和珠光體，熱沖壓成形后組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和強(qiáng)塑積提高，塑性下降；在拉伸過(guò)程中，試驗(yàn)鋼先發(fā)生頸縮，隨后原奧氏體晶界破壞，微裂紋萌生，夾雜物脫黏形成孔洞型裂紋，隨著拉伸的繼續(xù)進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)大并相互連接，試驗(yàn)鋼斷裂；熱沖壓成形試驗(yàn)鋼的拉伸斷口存在大量韌窩，斷裂形式為微孔聚集型斷裂。

     試驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的汽車(chē)用22MnB5熱成形鋼。該鋼經(jīng)冶煉、連鑄、熱軋、冷軋等工序生產(chǎn)制造。在冷軋態(tài)試驗(yàn)鋼板上切取板料，在奧氏體化溫度890℃下保溫5min，轉(zhuǎn)移至2000KN四柱伺服壓力機(jī)的U形模上進(jìn)行熱沖壓成形，壓力為1065kN，保壓15s。

      在冷軋態(tài)鋼板和熱沖壓成形件上切取金相試樣，熱鑲后用砂紙依次磨至2000^# ，機(jī)械拋光至光亮后用硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織。根據(jù)GB/T 228.1—2010制取板狀拉伸試樣，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，各測(cè)3個(gè)平行試樣。

圖1 原位拉伸試樣尺寸

      在熱沖壓成形件的中心位置線切割出如圖1所示的原位拉伸試樣，在試樣中間切割出最小橫截面，寬度為2.5mm。原位拉伸試樣經(jīng)機(jī)械研磨、電解拋光、硝酸酒精溶液腐蝕后，在裝有拉伸臺(tái)的掃描電鏡中進(jìn)行拉伸。在試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)記錄載荷-位移曲線，在拉伸過(guò)程中選擇某個(gè)時(shí)間點(diǎn)暫停試驗(yàn)，觀察顯微組織和變形特征，然后繼續(xù)拉伸，直至最終斷裂。采用掃描電鏡觀察拉伸斷口附近表面形貌和拉伸斷口形貌。

     由圖2可以看出，冷軋態(tài)試驗(yàn)鋼(即熱沖壓成形前)的顯微組織為鐵素體和珠光體，熱沖壓成形后則全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體在局部范圍呈平行的板條狀，原奧氏體晶界與板條束界清晰。試驗(yàn)鋼中含有硼元素和錳元素，當(dāng)在890℃下完全奧氏體化、沖壓成形并快速冷卻時(shí)，硼元素會(huì)釘扎原奧氏體晶界阻礙鐵素體形核，防止鐵素體轉(zhuǎn)變；錳元素和適量的硼元素還能有效提高鋼的淬透性，使馬氏體轉(zhuǎn)變得更完全：因此，熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼獲得板條狀馬氏體組織。

圖2 試驗(yàn)鋼熱沖壓前后的顯微組織

     由圖3和表1可以看出：冷軋態(tài)試驗(yàn)鋼在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)輕微的屈服平臺(tái)和較寬的均勻變形區(qū)，熱沖壓成形后的試驗(yàn)鋼在拉伸過(guò)程中則發(fā)生連續(xù)屈服，無(wú)屈服平臺(tái)，均勻變形區(qū)變窄；熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度得到大幅提升，斷后伸長(zhǎng)率則降低至熱沖壓成形前的1/3左右，但強(qiáng)塑積增大，這說(shuō)明熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能較好。

圖3 試驗(yàn)鋼熱沖壓成形前后的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 試驗(yàn)鋼熱沖壓成形前后的拉伸性能

      結(jié)合組織分析可知，冷軋態(tài)試驗(yàn)鋼在熱沖壓成形過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變，馬氏體相變導(dǎo)致的體積膨脹誘發(fā)大量可動(dòng)位錯(cuò)，在較低應(yīng)力的作用下位錯(cuò)源激活，使得試驗(yàn)鋼表現(xiàn)出連續(xù)屈服現(xiàn)象；這種特性有利于避免鋼板在成形過(guò)程中發(fā)生表面起皺。此外，試驗(yàn)鋼中的碳原子能起到較好的間隙固溶強(qiáng)化作用，錳元素和適量的硼元素能提高鋼的淬透性，從而提高馬氏體的強(qiáng)化效果，因此熱沖壓成形后試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度增加。

     圖4為熱沖壓成形后的試驗(yàn)鋼在原位拉伸過(guò)程中的載荷-位移曲線。分別在拉伸至①，②，③，④這4處時(shí)暫停加載進(jìn)行形貌觀察，這4處的變形量分別為0.316，0.681，0.875，1.225mm。

圖4 熱沖壓成形試驗(yàn)鋼在原位拉伸過(guò)程中的載荷-位移曲線

     由圖5可以看出：未拉伸試樣表面和邊部未觀察到明顯缺陷；當(dāng)拉伸變形量為0.316mm(圖4中①處)時(shí)，因所受拉應(yīng)力較小，試樣邊部和表面未發(fā)現(xiàn)明顯變化，但是中心部位(即最小橫截面處)發(fā)生輕微變形；當(dāng)拉伸變形量為0.681mm(圖4中②處)時(shí)，試樣中心部位發(fā)生明顯頸縮但無(wú)明顯裂紋；當(dāng)拉伸變形量為0.875mm(圖4中③處)時(shí)，試樣頸縮區(qū)域的邊部出現(xiàn)滑移線，表面出現(xiàn)高密度無(wú)規(guī)則的細(xì)小應(yīng)變條紋；當(dāng)拉伸變形量為1.225mm(圖4中④處)時(shí)，試樣頸縮凹陷處出現(xiàn)撕裂型毛刺，放大后可見(jiàn)許多微裂紋和密集的無(wú)規(guī)則滑移線，微裂紋主要分布在發(fā)生頸縮的表面中間部位。

圖5 未拉伸和不同拉伸變形量下試樣的微觀形貌

     由圖6可以看出：在原位拉伸斷口附近表面存在長(zhǎng)條狀微裂紋，馬氏體組織發(fā)生塑性變形，原始奧氏體晶界發(fā)生破壞；斷口附近試樣表面還存在二次裂紋和Y形孔洞狀裂紋,二次裂紋與斷裂面方向垂直，Y形裂紋的孔洞面積約為2.2μm²。原奧氏體晶界交匯處的夾雜物因受到較大拉應(yīng)力發(fā)生脫黏，從而形成了Y形孔洞狀裂紋。

圖6 試樣原位拉伸斷口附近表面的微觀形貌

     由圖7可以看出，熱沖壓成形試樣在拉伸時(shí)發(fā)生明顯的頸縮，拉伸斷口邊部與下部存在較為明顯的分層線；在分層線附近出現(xiàn)多個(gè)微孔，微孔相互排列連接；在斷口下部存在大量大小不一的韌窩，部分韌窩內(nèi)存在夾雜物；在斷口上部存在呈拉長(zhǎng)狀的韌窩，該區(qū)域相比下部區(qū)域更為平滑，呈現(xiàn)出剪切斷裂形貌。結(jié)合拉伸斷裂試樣表面和斷口特征分析，試樣發(fā)生了微孔聚集型斷裂。

圖7 試樣原位拉伸斷口形貌

     綜上所述，在熱沖壓成形試驗(yàn)鋼上取樣進(jìn)行拉伸時(shí)，隨著應(yīng)力增加，試樣先發(fā)生塑性變形產(chǎn)生頸縮；隨后原奧氏體晶界發(fā)生破壞，頸縮區(qū)域試樣表面出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)夾雜物脫黏形成孔洞型裂紋；最后，微裂紋數(shù)量增加并相互聚集連接，在與夾雜物脫黏形成孔洞型裂紋的共同作用下，試樣實(shí)際承載面積變小，當(dāng)應(yīng)力增加至其斷裂臨界值時(shí)，試樣斷裂。

•   (1) 冷軋態(tài)22MnB5鋼板的顯微組織為鐵素體和珠光體，經(jīng)熱沖壓成形后組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，強(qiáng)度得到大幅提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1558MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1218MPa，塑性下降，強(qiáng)塑積提高。
•  (2) 熱沖壓成形22MnB5鋼在拉伸過(guò)程中先發(fā)生頸縮，隨后原奧氏體晶界發(fā)生破壞，微裂紋萌生，同時(shí)夾雜物與基體脫黏形成孔洞型裂紋；隨著拉伸過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，裂紋數(shù)量增加并擴(kuò)展長(zhǎng)大，相互連接，最終導(dǎo)致斷裂；熱沖壓成形試驗(yàn)鋼的拉伸斷口存在大量韌窩，斷裂形式為微孔聚集型斷裂。