含磷和釩熱軋TRIP鋼組織控制及力學(xué)性能研究

侯曉英，許云波，王業(yè)勤，吳 迪

(1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110819，E-mail:houxiaoyinghou@126.com; 2.山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)公司，山東萊蕪271104)

含磷和釩熱軋TRIP鋼組織控制及力學(xué)性能研究

侯曉英1，許云波1，王業(yè)勤2，吳 迪1

(1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110819，E-mail:houxiaoyinghou@126.com; 2.山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)公司，山東萊蕪271104)

為探討含磷和釩熱軋TRIP鋼的組織控制和力學(xué)性能，采用不同變形溫度(900和800℃)，研究其相變行為，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱軋?jiān)囼?yàn).研究表明：隨著冷速增加，變形溫度對鐵素體相變開始溫度(Ar3)的影響逐漸增大;相同冷速條件下，變形使貝氏體相變開始溫度(Bs)升高;變形對貝氏體相變的促進(jìn)作用，隨著變形溫度的降低而減弱.終軋溫度800℃，試驗(yàn)鋼組織由多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和一定量的殘余奧氏體組成，綜合力學(xué)性能優(yōu)異：RP0.2=455 MPa;Rm=930 MPa;δ=21.7%;n=0.23;r=0.84.

熱軋TRIP鋼;磷和釩;相變行為;顯微組織;力學(xué)性能

目前，汽車正向輕量化、節(jié)能和低成本方向發(fā)展，采用高強(qiáng)鋼板是適應(yīng)這種發(fā)展趨勢所采取的主要措施.在高強(qiáng)鋼中，TRIP鋼不但具有高的強(qiáng)度，還具有良好的斷后延伸率，為解決強(qiáng)度和塑性的矛盾提供了方向，而成為汽車用鋼板的一大熱點(diǎn).傳統(tǒng)TRIP鋼中元素Si的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))通常在1.5% ～2.0%［1－2］，為了改善由于較高的Si含量而引起的熱軋鋼板的表面質(zhì)量問題，本文采用低硅含磷，以及釩微合金化的成分設(shè)計(jì)思路，研究了變形溫度對該TRIP鋼在連續(xù)冷卻過程中的相變行為的影響，并在此基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)室熱軋?jiān)囼?yàn)，將低硅含釩TRIP鋼的終軋溫度降低，研究其微觀組織及力學(xué)性能.熱軋工藝省略了熱處理過程，工序簡單，成本較低，具有良好的應(yīng)用前景.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼采用低硅含磷，以及釩微合金化的成分設(shè)計(jì)思路.作為鐵素體形成元素的磷與硅相似，也能固溶強(qiáng)化鐵素體和奧氏體，在鋼中加入少量的磷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%)能有效阻止?jié)B碳體的析出，有利于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的保留［3－4］，以及彌補(bǔ)降低硅含量所引起的強(qiáng)度損失.而微合金元素釩在奧氏體中具有較大的溶解度，因而釩的碳化物在奧氏體中基本不析出，在鐵素體中溶解度較低而迅速析出［5－6］，釩的析出對鐵素體晶粒的長大有一定的抑制作用，并可提高基體強(qiáng)度.試驗(yàn)材料取自本鋼真空爐冶煉的130 kg鋼錠，首先鍛造成60 mm×60 mm×800 mm的板料，然后加工成60 mm×60 mm×80 mm的鋼板用于熱軋?jiān)囼?yàn);加工出φ8 mm×15 mm的圓柱熱模擬試樣，采用Gleeble－1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)輔以金相法，測定其各種冷速下的相變點(diǎn).試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分如表1所示.

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗(yàn)方法

用熱力學(xué)軟件計(jì)算其Ae3為837℃.熱模擬規(guī)程:將試樣加熱到1200℃保溫3 min;未變形試樣以5℃/s冷卻至900℃，保溫20 s后分別以0.5，1，2，5，10，15，20，30℃/s的冷速冷卻至200℃以下，變形試樣以5℃/s冷卻至900或800℃，保溫20 s后，以5 s－1變形速率進(jìn)行50%壓縮變形，然后分別以0.5，1，2，5，10，15，20，30℃/s的冷速冷卻至200℃以下.用得到的熱膨脹曲線結(jié)合金相法測定靜態(tài)和動態(tài)的各個相變點(diǎn).

在φ450 mm二輥可逆熱軋?jiān)囼?yàn)機(jī)組上進(jìn)行軋制.將試驗(yàn)鋼在1200℃保溫2 h，出爐后進(jìn)行8個道次的軋制，壓下分配工藝規(guī)程制定為60→36→22→15→10→7→5→4→～3 mm，其中前3個道次在奧氏體再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，后5個道次在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制.其中再結(jié)晶區(qū)終軋溫度為1020℃，未再結(jié)晶區(qū)開軋溫度980℃，未再結(jié)晶區(qū)的終軋溫度約為800℃，低于Ae3.軋制溫度通過軋制道次間的時(shí)間間隔進(jìn)行控制.隨后空冷，以生成一定量的鐵素體，空冷結(jié)束溫度約為630℃.空冷后立即淬入400℃的鹽浴爐中等溫1 h，最后空冷至室溫.

金相試樣經(jīng)研磨、拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，對其顯微組織在LEICA DMIRM多功能光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察.為了能更好地區(qū)別熱軋TRIP鋼的組織，利用(Na2S2O3·H2O 10 g+ H2O 100 mL)和4%硝酸酒精復(fù)合侵蝕，經(jīng)這種方法侵蝕后，鐵素體呈淺灰色，殘余奧氏體為白色，貝氏體為黑色.利用H－800型透射電鏡觀察位錯形貌及析出.用D/max2400型X射線衍射儀測定試樣的殘余奧氏體量，根據(jù)文獻(xiàn)［7］所敘述的方法計(jì)算.鐵素體的相對含量用Image J軟件分析計(jì)算，取5張不同的金相照片進(jìn)行分析，然后求平均值.熱軋鋼板按標(biāo)準(zhǔn)制成拉伸試樣，有效標(biāo)距為50 mm×15 mm.

2 結(jié)果及分析

2.1 變形溫度對相變點(diǎn)的影響

變形可促進(jìn)γ→α相變，使奧氏體向鐵素體相變開始溫度Ar3升高，如圖1(a)所示.這可從式(1)和(2)的鐵素體臨界形核功中得到解釋.式中，σγ/α為奧氏體與鐵素體之間的界面能;ΔGD為形變儲存能;ΔGM為新相形成時(shí)的摩爾自由能變化.變形使得鐵素體的臨界形核功大大減小，從而使其形核率大幅度提高.變形溫度降低到800℃后，低溫變形使γ晶粒中的可移動位錯密度增加，在此相對較低的溫度下，僅發(fā)生部分回復(fù)，使得在γ晶粒中的應(yīng)變進(jìn)行累積，晶粒中的層錯能增加，從而增加了自由能和擴(kuò)散率，進(jìn)而使α到γ的長大速率增加，即Ar3進(jìn)一步升高.

變形溫度由900℃降低到800℃時(shí)，奧氏體處于過冷狀態(tài)，在過冷與形變的雙重作用下，相變驅(qū)動力增加，Ar3升高.當(dāng)冷速大于1℃/s時(shí)，隨著冷速的增加，變形溫度對Ar3的影響逐漸增大，在相同冷速條件下，800℃時(shí)的Ar3較900℃時(shí)增加了10～90℃.冷速大于10℃/s時(shí)，變形溫度900℃條件下，抑制了鐵素體相變;而變形溫度800℃時(shí)，冷速為20℃/s時(shí)，仍存在鐵素體相變.

在相同冷速條件下，變形使貝氏體相變開始溫度Bs升高，如圖1(b)所示.變形對貝氏體相變的促進(jìn)作用，隨著變形溫度的降低而減弱.這主要是因?yàn)樽冃螠囟鹊慕档蛯﹁F素體相變有促進(jìn)作用，冷卻過程中，鐵素體的形成量較大，從而抑制了貝氏體相變.在相同冷速條件下，800℃時(shí)的Bs比900℃降低了3～15℃.

圖1 變形溫度對相變開始溫度的影響

2.2 變形溫度對相變組織的影響

圖2給出了不同變形溫度時(shí)，各種冷速條件下的組織.冷速1℃/s時(shí)，變形溫度的降低使鐵素體量明顯增多.冷速增加到5℃/s時(shí)，變形溫度900℃時(shí)鐵素體多在γ晶界形成，晶內(nèi)形核量減少，而變形溫度800℃時(shí)鐵素體不僅在γ晶界，而且在晶內(nèi)大量形核.低溫變形時(shí)，參于形核的γ單位面積的有效晶界面積(SV)增加.SV可用式(3)表示，其中SV·gb為γ晶粒拉長引起的有效晶界面積增量，SV·db為變形帶等缺陷所帶來的有效形核面積增量.變形溫度的降低增加了有效形核位置，從而使鐵素體量增加.

冷速增加到10℃/s時(shí)，變形溫度900℃時(shí)基本觀察不到鐵素體組織.而變形溫度800℃時(shí)，冷速增至20℃/s仍能在γ晶界處形成少量鐵素體組織.

2.3 熱軋?jiān)囼?yàn)鋼的組織與力學(xué)性能

TRIP鋼的組織由鐵素體、貝氏體和少量殘余奧氏體組成.由于顯微組織中鐵素體是硬度最低、塑性較好的相，對塑性起著很大的作用，因此，為保證熱軋?jiān)囼?yàn)鋼的塑性性能，應(yīng)使熱軋組織中含有足夠量的鐵素體.而且鐵素體量對殘奧量有很大的影響，Zarei-hanzaki［8］等研究了 Si－Mn系TRIP鋼中的鐵素體形成特征，結(jié)果表明鐵素體量的變化直接影響殘留奧氏體的含量以及殘留奧氏體中的碳和合金元素的含量，并指出隨著鐵素體量的增加，殘留奧氏體量出現(xiàn)一個最大值，然后下降.

圖2 變形溫度對相變組織的影響

前述的研究中發(fā)現(xiàn)，較低溫(800℃)的變形更有益于鐵素體組織的形成，本次熱軋?jiān)囼?yàn)在前述對試驗(yàn)鋼相變組織研究的基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低精軋區(qū)間溫度，使終軋溫度降低到800℃，組織由多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和一定量的殘奧所組成，如圖3所示，鐵素體非常細(xì)小均勻，平均晶粒尺寸為4 μm.圖3(b)是利用(Na2S2O3·H2O 10 g+ H2O 100 mL)和4%硝酸酒精復(fù)合侵蝕，更好地區(qū)別熱軋TRIP鋼的三相組織;圖3(c)識別貝氏體的組織形態(tài).在透射電鏡下，觀察到鐵素體晶粒中釩的碳化物和氮化物彌散析出，且鐵素體晶粒存在高密度位錯，見圖4.

在細(xì)晶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的綜合作用下熱軋鋼的強(qiáng)度大大提高，為930 MPa，見表2.粒狀貝氏體組織中，存在大量細(xì)小的M/A島第二相組織(圖3(c))，由于M/A島為硬質(zhì)相，它們能夠與位錯發(fā)生交互作用，阻礙位錯的運(yùn)動，這也是提高含釩TRIP鋼強(qiáng)度的一個重要原因.此外，室溫組織中存在一定量的殘余奧氏體(10.1%)，在塑性變形過程中，實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變，一方面強(qiáng)化了基體，另一方面提高均勻的斷后延伸率.在本次試驗(yàn)工藝下，試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能優(yōu)異:RP0.2= 455 MPa;Rm=930 MPa;δ=21.7%;n=0.23;r =0.84，見表2.

圖3 熱軋?jiān)囼?yàn)鋼的組織

圖4 熱軋?jiān)囼?yàn)鋼的透射組織

3 結(jié)論

1)冷速大于1℃/s時(shí)，隨著冷速的增加，變形溫度對Ar3的影響逐漸增大.在相同冷速條件下，800℃時(shí)的 Ar3相比較 900℃，增加 10～90℃.冷速大于10℃/s時(shí)，變形溫度900℃條件下，抑制鐵素體相變;而變形溫度800℃時(shí)，冷速為20℃/s時(shí)，仍存在鐵素體相變.

2)相同冷速條件下，變形使貝氏體相變開始溫度Bs升高.變形對貝氏體相變的促進(jìn)作用，隨著變形溫度的降低而減弱.相同冷速條件下，800℃時(shí)的Bs比較900℃，降低3～15℃.

3)終軋溫度800℃，試驗(yàn)鋼組織由多邊形鐵素體、粒狀貝氏體和一定量的殘奧所組成，綜合力學(xué)性能優(yōu)異:RP0.2=455 MPa;Rm=930 MPa;δ =21.7%;n=0.23;r=0.84.

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能和各相含量

［1］ITAMI A，TAKAHASHI M，USHIODA K.Plastic stability of retained austenite in the cold-rolled 0.14%C－1.9%Si－1.7%Mn sheet steel［J］.ISIJ Int，1995，35 (9):1121－1127.

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Study on microstructure and mechanical properties of hot rolled TRIP steel containing phosphorus and vanadium

HOU Xiao-ying1，XU Yun-bo1，WANG Ye-qin2，WU Di1
(1.State Key Laboratory of Rolling Technology＆Automation，Northeast University，Shenyang 110819，China，E-mail:houxiaoyinghou@126.com;2.Laiwu Iron and Steel Corp.，Laiwu 271104，China)

To reveal the microstructure characteristics and mechanical properties of a low-carbon TRIP steel containing phosphorus and vanadium，hot rolling experiments had been carried out and its transformation behavior was investigated at different deformation temperatures(900 and 800℃).The results show that with an increase in cooling rate，the effect of deformation temperature on the starting transformation temperature of ferrite(Ar3)increases gradually.At same cooling rate，the deformation leads to an increase in the starting transformation temperature of bainite(Bs).As the deformation temperature decreases，the effect of deformation on the Bsweakens.When the finish rolling temperature is 800℃，a microsture mixed with ferrite，granular bainite and retained austenite can be obtained，and the tested steels have excellent mechanical properties:RP0.2= 455 MPa;Rm=930 MPa;δ=21.7%;n=0.23;r=0.84.

hot rolled TRIP steel;phosphorus and vanadium;transformation behavior;microstructure;mechanical properties

TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)05－0021－04

2010－10－15.

十一五國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAE51B07);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB606306);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(N090407001).

侯曉英(1982－)，女，博士研究生.

(編輯 呂雪梅)