退火工藝對低鋁低硅孿晶誘發(fā)塑性鋼組織及性能的影響

劉向海,劉 薇,劉嘉斌,舒康穎

(中國計量學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310008)

孿晶誘發(fā)塑性(TWIP)鋼是近幾年來汽車用鋼板研究熱點之一.Grassal和Frommery等[1-3]在研究Fe-Mn-Si-Al系相變誘發(fā)塑性(T RIP)鋼時,發(fā)現(xiàn)并最早提出孿晶誘發(fā)塑性效應(yīng)和孿晶誘發(fā)塑性鋼的概念.TWIP鋼具有塑性大、強度較高的特點,其優(yōu)異性能主要來自于形變過程中產(chǎn)生的孿晶,亦可配合采用其他強韌化(固溶、細(xì)晶、T RIP效應(yīng))方式,達(dá)到塑性和強度同步增長的效果.同時,TWIP鋼還具有能量吸收值高、加工硬化率高、無低溫韌—脆轉(zhuǎn)變[2-5]等特點.用于制作汽車鋼板可以明顯減輕汽車重量、減少汽車尾氣排放和燃油消耗,并提高汽車駕駛的安全等級,作為新一代高強度高韌汽車用鋼板,具有廣闊的應(yīng)用前景.

TWIP鋼優(yōu)異的性能要求其形變前的組織為單一奧氏體,并且晶粒內(nèi)部存在一定尺寸和數(shù)量的退火孿晶,因此 TWIP鋼的退火工藝非常關(guān)鍵[7].對于第一代Fe-25Mn-3Si-3Al TWIP鋼退火工藝的研究已經(jīng)比較深入,米振麗等[6]的工作表明,1000℃保溫30 min可以使Fe-25Mn-3Si-3Al TWIP鋼得到最佳的力學(xué)性能.但第一代TWIP鋼在澆鑄、表面質(zhì)量、焊接方面存在難以克服的弊端[4].目前TWIP鋼的研究熱點過渡到以高錳中碳和高錳低硅低鋁為典型成分的第二代TWIP鋼上,而對于第二代TWIP鋼熱處理工藝參數(shù)的研究甚少[6].同時,TWIP鋼作為汽車用鋼板,其耐腐蝕性也是值得關(guān)注的[8,9].

1 實驗方法

采用真空感應(yīng)爐熔煉TWIP鋼,成分如表1.鋼錠在1250℃保溫40 min后,熱軋成厚度5 mm的板材,再冷軋至1.4 mm.

表1 TWIP鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TWIP steel(wt%)

將冷軋態(tài)TWIP鋼在1000℃分別保溫3,15,30,60和120 min后空冷至室溫.對冷軋態(tài)和不同保溫時長的 TWIP鋼樣品經(jīng)過磨平、拋光,采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,用Leica金相顯微鏡對組織進(jìn)行觀察,截線法測量平均晶粒尺寸.同時對熱處理后的試樣采用HXS-1000AY顯微硬度計進(jìn)行硬度測量,取六次測量數(shù)據(jù)的平均值,測試載荷10 g,保壓時間10 s.

將不同保溫時長的各TWIP鋼試樣蠟封,露出10 mm×10 mm的工作面.將工作面打磨光亮放入丙酮超聲清洗,然后置于5%NaCl溶液中靜置72 h后取出用水沖并干燥.采用JSM-5610LV型掃描電鏡(SEM)及 INCA ENERGY 200型能譜儀(EDS)觀測腐蝕后銹層的形貌和并測定銹層成分.

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 退火工藝對金相組織的影響

圖1是不同保溫時長下TWIP鋼的金相照片,可以看到T WIP鋼試樣在不同保溫時間下奧氏體晶粒、退火孿晶等微觀組織的變化.

冷軋態(tài) TWIP鋼組織中存在大量的沿軋制方向被拉長的冷軋變形帶,晶粒模糊難以分辨(圖1(a)).經(jīng)過3 min保溫后,再結(jié)晶晶粒在變形帶上形核長大,逐漸取代冷變形組織,此時晶粒細(xì)小,基體中尚存在少量冷軋變形帶,TWIP鋼處于再結(jié)晶將要結(jié)束階段(圖1(b)).15 min保溫后,TWIP鋼已完成再結(jié)晶.再結(jié)晶晶粒完全代替了軋制過程中的變形晶粒,奧氏體晶粒中出現(xiàn)部分退火孿晶,平均晶粒尺寸在 10μm左右(圖1(c)).進(jìn)一步延長保溫時間,晶粒尺寸趨于均勻,平均在25～50μm左右(圖1(d)和(e)).晶粒內(nèi)部退火孿晶的數(shù)量和尺寸都有所增加.當(dāng)保溫時間延長至120 min,TWIP鋼晶粒充分長大,平均晶粒尺寸在 100μm以上,且邊界平直,呈等軸狀,退火孿晶尺寸很大,晶粒和內(nèi)部孿晶清晰可見(圖1(f)).

根據(jù)金相組織觀察的結(jié)果可以把上述過程分為兩個階段,第一階段是TWIP鋼回復(fù)及再結(jié)晶階段(0～15 min).第二階段是T WIP鋼奧氏體晶粒長大階段(15～120 min).

第一階段,TWIP鋼中新形成的帶孿晶的等軸奧氏體晶粒逐漸取代軋制過程中產(chǎn)生的狹長變形帶,冷軋后的變形晶粒逐漸被再結(jié)晶晶粒取代.TWIP鋼為典型奧氏體(面心立方)組織,通常認(rèn)為[10,11],面心立方金屬因具有較多的滑移系且層錯能高,通常不易產(chǎn)生孿晶.但TWIP鋼中錳元素的加入使層錯能降低至約25～80 mJ/m2[1],孿晶界面能低,易于產(chǎn)生大量的孿晶.由于孿晶界大多為共格晶界,其界面能量僅是大角度晶界能量的百分之幾[11],生成的大量退火孿晶可以明顯降低總的界面能,使TWIP鋼組織的形成和長大都是穩(wěn)定的.

圖1 1000℃下不同保溫時長的TWIP鋼金相組織(a)0 min,(b)3 min,(c)15min,(d)30 min,(e)60 min and(f)120 minFigure 1 Microstructures of TWIP annealed at 1000℃for different holding time

第二階段,TWIP鋼已完成再結(jié)晶過程,金相組織表現(xiàn)為奧氏體晶粒帶有大量退火孿晶.保溫時間的延長,使奧氏體晶界在形變儲能的驅(qū)動下不斷遷移和擴展,退火孿晶隨奧氏體晶粒的長大而長大.因而保溫時間越長,奧氏體晶粒和退火孿晶均增大.

綜上所述,1000℃下超過15 min的保溫處理,可使實驗成分的TWIP鋼完成再結(jié)晶過程,得到帶有退火孿晶的單一奧氏體組織,可通過控制不同保溫時長來調(diào)控晶粒尺寸以及退火孿晶的數(shù)量.

2.2 退火工藝對顯微硬度的影響

圖2為不同保溫時長的TWIP鋼的顯微硬度曲線.總體而言,TWIP鋼的顯微硬度隨保溫時間的增加而降低.冷軋態(tài)TWIP鋼硬度很高,可以達(dá)到440 HV,而保溫3 min后,硬度明顯下降至264 HV,降幅接近200 HV,這是因為在冷變形儲能的驅(qū)動下,TWIP鋼組織發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶,材料組織和性能有了相應(yīng)的變化,基體明顯軟化.而后續(xù)的保溫(15～120 min)使顯微硬度平緩下降,從234 HV下降至200 HV左右.這是因為隨著奧氏體再結(jié)晶晶粒的長大,固溶合金元素(Si、C、N等)的擴散距離隨之增加,固溶強化效果減弱,在不同試樣中表現(xiàn)為其顯微硬度的變化.

圖2 不同保溫時長的TWIP鋼顯微硬度Figure 2 Microhardness of the specimens annealed for different time

顯微硬度可以反映材料的綜合的力學(xué)性能,硬度值越高,表明金屬抵制塑性變形能力越大,材料產(chǎn)生塑性變形就越困難.TWIP鋼在保溫初期(0～3 min)顯微硬度下降明顯,說明TWIP鋼在再結(jié)晶過程中力學(xué)性能變化明顯,而15～120 min保溫的硬度曲線平緩,無明顯變化的趨勢,說明TWIP鋼在晶粒長大階段中力學(xué)性能的變化不是很劇烈.

2.3 退火工藝對腐蝕性能的影響

將TWIP鋼試樣分別浸泡于5%NaCl溶液中靜置72 h后,不同保溫時間的TWIP鋼試樣均發(fā)生明顯腐蝕,表面生成暗紅棕色的均勻銹層.

表2是TWIP鋼試驗前后增重的情況,表明保溫時間的不同并沒有對 TWIP鋼腐蝕后增重產(chǎn)生明顯影響.可以認(rèn)為TWIP鋼晶粒尺寸的變化對其耐腐蝕性能的影響不大.

表2 TWIP鋼腐蝕增重情況Table 2 Weight gain of TWIP steels in NaCl solution

通過SEM觀察TWIP鋼腐蝕后的銹層形貌,并采用EDS對銹層進(jìn)行成分確定,發(fā)現(xiàn)各腐蝕試樣的表面形貌及腐蝕產(chǎn)物成分均相似.

圖3 TWIP鋼浸泡腐蝕后表面形貌Figure 3 SEM image of TWIP steel after corrosion

以保溫30 min的TWIP鋼試樣為例,圖(3)顯示銹層的形貌為團(tuán)簇狀,均勻分布于整個腐蝕面,由表3中的腐蝕產(chǎn)物的 EDS測定結(jié)果可推斷,TWIP鋼在5%NaCl溶液中的腐蝕產(chǎn)物多為Fe2O3.

表3 TWIP鋼腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Table 3 EDS for the corrosion surface of annealing sample(At%)

從腐蝕產(chǎn)物來看,TWIP鋼的腐蝕主要吸氧腐蝕,5%NaCl溶液在試驗中起到了提供電解質(zhì)從而使溶液成為電解質(zhì)溶液的作用.TWIP鋼浸泡過程中,發(fā)生了以下的電化學(xué)反應(yīng):

陽極:O2+4e-+2H2O4OH-；

因Fe(OH)2還原能力強,繼續(xù)被氧化,最終得到4Fe(OH)2+O2

3 結(jié) 語

本文對1000℃不同保溫時長的TWIP鋼顯微組織、硬度以及耐腐蝕性能進(jìn)行分析比較,得到以下結(jié)論:

1)低Si低Al成分T WIP鋼在1000℃保溫15 min已可以完成再結(jié)晶.時間越長,晶粒尺寸越大,其內(nèi)部的孿晶生長也逐漸充分.120 min的保溫處理,可以使TWIP鋼得到內(nèi)部存在大量退火孿晶的平均晶粒尺寸大于100μm的奧氏體組織.

2)隨保溫時間的增加,低Si低Al成分 TWIP鋼的顯微硬度則呈現(xiàn)下降趨勢.保溫3 min以內(nèi),顯微硬度急劇下降,保溫15 min后則緩慢下降.

3)不同保溫時間對T WIP鋼耐腐蝕性的影響不大.TWIP鋼在NaCl溶液中的腐蝕為均勻吸氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3.

[1] FROMMEYER G,BRUX U,NEUMAN N P.Supra-duc-tile and high-strength manganese TRIP/T WIP steels for high energy absorption purposes[J].ISIJ International,2003,43:438-446.

[2] G RASSEL O,KRUEGER L,F ROM MEYER G,et al.High strength Fe-Mn-(Al,Si)T RIP/TWIP steels development properties application[J].International Journal of Plasticity,2006,16(3):1391-1409.

[3] GR?SSEL O,FROMMEYER G,DERDER C.Phase transformations and mechanical properties of Fe-M n-Si-Al T RIP-steels[J].J Phy s France,1997,7(C5):383-393.

[4] 代永娟,米振莉,唐 荻,等.Fe-Mn-C系TWIP鋼的組織和性能[J].上海金屬,2007,25(9):132-137.

[5] 黎 倩,李 麟,熊榮剛,等.Fe-Mn-Si-Al系 TWlP鋼顯微組織與力學(xué)性能的研究[J].上海金屬,2008,30(1):8-13.

[6] ZHEN L M,T ANG D,JIANG H T,et al.Effects of annealing temperature on the microstructure and properties of the 25Mn-3Si-3Al TWIP steel[J].International Journal of Minerals,M etallurgy an Materials,2009,16(2):154-159.

[7] 吳小娟.T10鋼快速球化退火工藝的研究[J].中國計量學(xué)院學(xué)報,2005,16(2):140-142.

[8] 平 磊.鋼鐵除銹除油磷化液的研制[J].中國計量學(xué)院學(xué)報,2001,12(1):50-53.

[9] 黃健中,汽車腐蝕與防護(hù)技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:78-95.

[10] LU L,SHEN Y F,CHEN X H,et al.Ultrahigh streng th and high electrical conductivity in copper[J].Science,2004,5669(304):422-426.

[11] 余永寧.金屬學(xué)原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007,393-300.