熱軋變形對高碳TWIP鋼組織缺陷和力學(xué)性能的影響

易煒發(fā)，朱定一，胡真明，楊澤斌，林淑梅

(1.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州350108;2.福建省三鋼(集團(tuán))有限責(zé)任公司，三明365000)

熱軋變形對高碳TWIP鋼組織缺陷和力學(xué)性能的影響

易煒發(fā)1，朱定一1，胡真明2，楊澤斌1，林淑梅1

(1.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州350108;2.福建省三鋼(集團(tuán))有限責(zé)任公司，三明365000)

為解決高碳Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP鋼凝固組織中易形成顯微疏松、損害合金的力學(xué)性能的問題，研究了在相同熱軋溫度下，改變軋制變形總量對合金微孔缺陷的消除及拉伸力學(xué)性能的影響.研究表明：通過熱軋變形可以有效地減少Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP鋼的微孔缺陷，提高組織致密度;隨著熱軋變形量的增加，合金的綜合力學(xué)性能顯著提高，當(dāng)熱軋變形量達(dá)到91%時，該合金中的微孔面密度由固溶態(tài)的1.67%降低至0.71%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1223.7 MPa，延伸率達(dá)到86.8%，強(qiáng)塑積高達(dá)106217.2 MPa·%，比未熱軋變形處理提高了78.3%，顯示出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，表明消除微孔缺陷是充分發(fā)揮其高強(qiáng)韌性的關(guān)鍵.

TWIP鋼;微孔缺陷;熱軋變形量;顯微組織;力學(xué)性能

孿生誘發(fā)塑性(Twinning Induced Plasticity，簡稱TWIP)鋼由于形變過程中應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶的形成，顯示出優(yōu)良的強(qiáng)塑性、高的應(yīng)變硬化特性和高的能量吸收能力等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，而使其成為當(dāng)前新型鋼鐵材料研究的熱點［1-2］.目前，國內(nèi)外 TWIP鋼的研究主要集中于Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Al-C系［3-5］，F(xiàn)e-Mn-Al-Si系TWIP鋼的碳含量只有0.05%左右，甚至更低;而Fe-Mn-Al -C系和Fe-Mn-C系碳含量通常為0.5% ～0.7%.提高TWIP鋼中的碳含量，不僅可以增加室溫奧氏體的穩(wěn)定性，且可以進(jìn)一步強(qiáng)化合金，溫鴻英等［6］在研究Fe-15Ni-12Mn-2.5Si-XC系TWIP鋼時發(fā)現(xiàn)，隨著碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從0.7%增加至1.0%，合金的強(qiáng)度與韌性均提高，因此，本文探索性地將碳含量提高至1.3%.但高的碳含量會增大合金的凝固溫度區(qū)間，加劇顯微縮松缺陷的形成，降低合金的組織致密度，損害合金性能［7］.研究表明，TWIP鋼在使用前均要進(jìn)行熱加工，通過動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶消除組織缺陷提高合金致密度，同時細(xì)化晶粒，提高其加工性.然而，TWIP鋼加工工藝的研究目前多集中在冷軋變形及隨后的熱處理工藝上，且在冷軋變形量、退火溫度與時間、冷卻方式等方面已經(jīng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究［8-12］，而對于高碳TWIP鋼的熱軋工藝研究開展較少，尤其是熱軋變形消除顯微縮松缺陷的規(guī)律不明確.

本文以高碳新型 Fe-20Mn-3Cu-1.3CTWIP合金鋼為研究對象，應(yīng)用光學(xué)顯微組織觀察(OM)分析了合金組織中微觀缺陷的形成，并在相同的軋制溫度下，研究熱軋變形量對合金組織微觀缺陷的消除規(guī)律;同時利用單向拉伸實驗，探討熱軋變形對合金強(qiáng)度及韌性的影響.

1 實驗

以純度為99.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的工業(yè)純鐵、電解錳，純度為99.95%的高純銅，以及工業(yè)生鐵(1.0%Si，4.0%C，余為Fe)為原料，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制出 Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金，并在GDJ500C-2型真空熔煉爐中進(jìn)行熔煉.為降低合金中S、P等雜質(zhì)含量，添加0.23%的稀土Ce進(jìn)行脫渣處理.

在SX2-5-12型箱式電阻爐中將鑄錠加熱到1050℃保溫4.5 h，然后熱軋，開軋溫度1050℃，由于熱軋過程中試樣溫度下降過快，因此，當(dāng)試樣溫度下降至700～800℃，回爐加熱至1050℃后再進(jìn)行熱軋，最終熱軋成約為1.0 mm厚的板材，而后在1050℃保溫2～3 min，水淬處理，在熱處理過程中為防止氧化脫碳，試樣用木炭粉覆蓋保護(hù).拉伸試樣沿軋制方向切取，試樣尺寸為30 mm×6 mm× 1.0 mm，標(biāo)距段長度為25 mm.在CMT6104型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速率為1.5 mm/min.采用光學(xué)顯微鏡觀察拉伸前后合金的組織(取斷口處樣品觀察拉伸后的組織).其中光學(xué)顯微組織用氯化鐵鹽酸酒精溶液(10 g氯化鐵+20 mL鹽酸+50 mL酒精)侵蝕.基體與微孔成分測定:選取深度腐蝕金相樣品，利用EDS分別測出5個不同的微孔與基體點成分，然后求其平均值.微孔形態(tài)評定方法:將試樣表面磨光拋平，利用光學(xué)顯微鏡拍照，觀察微孔形態(tài)，利用顯微分析軟件將微孔區(qū)域標(biāo)定為暗黑色，其余奧氏體部分為白色，計算出暗黑色區(qū)域的面積百分比，即微孔面密度;同時利用顯微分析軟件測定所有觀察到的微孔直徑，并求出平均值.每種試樣測定10張照片，用10個測定參量的平均值評定組織的微孔分布形態(tài).

2 結(jié)果與分析

2.1 合金組織缺陷的形成

圖1為Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金的基體組織缺陷形貌.

圖1 Fe－20Mn－3Cu－1.3C合金的組織缺陷形貌

從圖1(a)可以看到，未經(jīng)腐蝕的鑄態(tài)組織中存在大量的顯微疏松(如圖中箭頭B所指)，即微孔缺陷，微孔與基體成分的能譜分析結(jié)果如表1所示，可見微孔中的碳含量明顯高于合金基體中碳的平均含量，由于合金中的高錳含量促進(jìn)組織中粗大樹枝晶的形成，同時伴隨著枝晶間碳原子富集的顯微疏松的出現(xiàn).鑄態(tài)組織的腐蝕形貌如圖1(b)所示，合金的鑄態(tài)組織由粗大的樹枝晶與枝晶間的魚骨狀碳化物所組成，魚骨狀碳化物的中心是富含碳原子的疏松缺陷(如圖中箭頭C所指).經(jīng)1050℃固溶處理后，碳化物全部溶入基體形成單一的奧氏體組織，如圖1(c)所示.對比圖1(b)和圖1(c)可以觀察到，合金經(jīng)固溶處理后，基體中出現(xiàn)許多細(xì)小的微孔.由于所研制合金碳含量較高(1.3%)，凝固析出大量碳化物，固溶時碳化物分解，碳原子擴(kuò)散溶入奧氏體基體，所占位置以空位方式聚集形成超顯微疏松，從而使基體的微孔尺寸和數(shù)量進(jìn)一步增加，降低合金組織致密度.

表1 微孔與基體成分能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2 熱軋變形量對消除合金組織缺陷的影響

圖2分別為合金經(jīng)0、56%、70%、91%熱軋變形后的金相組織.從圖2(a)可以看到，無熱軋變形合金晶粒由粗大的有方向的樹枝晶，即柱狀晶所組成，晶粒尺寸長度方向約為309.5 μm，寬度方向約為193.4 μm，晶粒邊緣及其內(nèi)部存在許多大小不一的微孔缺陷.觀察圖2(b)、(c)、(d)可見，在熱軋變形條件下，經(jīng)過動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶，合金基體組織得到細(xì)化，為等軸奧氏體晶粒，部分晶粒內(nèi)部分布有退火孿晶.由于終軋溫度基本相同，合金的晶粒尺寸隨熱軋變形量的增加變化不大，平均晶粒尺寸約為18.8～22.1 μm(圖3(a));而合金基體組織的微孔缺陷隨熱軋變形量的增加明顯減少.

圖2 熱軋變形對合金組織微孔缺陷的影響

為進(jìn)一步探討熱軋變形消除微孔缺陷的規(guī)律，對不同熱軋變形量合金的基體微孔面密度及微孔平均直徑進(jìn)行了統(tǒng)計，如圖3所示.從圖3可以看到，合金微孔平均直徑由無熱軋變形的3.90 μm急劇下降到56%變形量的2.19 μm，降幅達(dá)到43.84%，而隨著熱軋變形由70%增加至91%，微孔平均直徑由1.74 μm降低至1.53 μm，降幅僅為12%，可見，微孔平均直徑的減小速率隨熱軋變形量的增加呈下降趨勢.微孔面密度是衡量微孔缺陷的重要指標(biāo)之一，無熱軋變形時，合金的微孔面密度最大，達(dá)到1.665%，而在熱軋條件下，合金的微孔面密度由56%變形的1.28%下降至70%變形的0.91%，進(jìn)而降低至91%變形的0.71%，其面密度僅為無變形時的38.4%，表明合金微孔面密度在劇烈熱軋變形下急速降低.研究表明［13］，孔洞缺陷的消除包含兩個階段，即孔洞的閉合階段和焊合階段，在外壓力的作用下，孔洞首先被壓扁，形成孔隙，其凸起部分首先接觸并焊合，促使微孔平均直徑急劇減小而其面密度下降緩慢，隨著變形量的進(jìn)一步增加，孔隙兩自由面相接觸，自由面上的原子通過遷移擴(kuò)散形成金屬鍵，合金的細(xì)小孔隙在熱壓力作用下逐漸焊合，使合金的微孔平均直徑和面密度均隨熱軋變形量的增加而減小.

圖3 熱軋變形量與晶粒尺寸(a)及微孔面密度(b)之間的關(guān)系

圖4分別為熱軋變形0%、56%、70%、91%的合金經(jīng)拉伸變形后的金相組織.由圖4可見，4種合金經(jīng)拉伸變形后，晶粒沿拉伸方向均發(fā)生劇烈變形，晶粒內(nèi)部由于形變孿晶的產(chǎn)生，出現(xiàn)大量應(yīng)變條痕.對比圖4(a)、(b)、(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，無熱軋變形合金形變組織中應(yīng)變條痕密集程度相對較低，應(yīng)變條痕寬大，由于該合金中微孔缺陷的大量存在，斷裂裂紋于微孔應(yīng)力集中處萌生并擴(kuò)展，促使合金在孿生未充分進(jìn)行的早期變形階段就已斷裂.而在熱軋變形條件下，合金形變組織隨熱軋變形量的增加，應(yīng)變條痕越來越密集，當(dāng)形變量達(dá)到70%時，部分晶粒在一次孿晶的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二次孿生，形成交叉孿晶，而隨著變形量增至91%，幾乎所有的晶粒均被細(xì)小而密集的交叉孿晶劇烈地分割.熱軋變形量的增加可有效地消除微孔缺陷，提高合金的組織致密度，減弱變形中微孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)，同時增大試樣的拉伸有效承載面積，使合金的孿生變形充分進(jìn)行，形成細(xì)密的交叉孿晶，這對提高合金的力學(xué)性能具有重要意義.

圖4 不同熱軋變形量后合金拉伸斷裂后的金相組織

2.4 熱軋變形量對合金的拉伸力學(xué)性能影響

表2所示為不同熱軋變形量合金的拉伸力學(xué)性能.由表2可見，熱軋變形量為0時，合金的屈服強(qiáng)度(σ0.2)和抗拉強(qiáng)度(σb)均呈較低值，分別為470.7、960.7 MPa;隨著熱軋變形量由56%增至70%，合金的屈服強(qiáng)度由538.2 MPa降至5 10.9MPa，而抗拉強(qiáng)度由1167.8MPa提高至1284.1 MPa，隨著變形量進(jìn)一步增至91%，屈服強(qiáng)度變化不大，而抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值1223.7 MPa，是無熱軋變形時的1.27倍.斷后延伸率在小熱軋變形量時稍有下降，而大的熱軋變形條件下，合金的延伸率顯著增大，由56%時的61.0%提高至91%時的86.8%，比無熱軋變形時提高了約40%.可見，熱軋變形可明顯強(qiáng)韌化合金，使合金強(qiáng)度和塑性同步提高.這主要是由于熱軋變形量的增加，合金微孔缺陷的減少，促使其拉伸過程中孿生充分進(jìn)行，基體組織被大量細(xì)密的形變孿晶所分割，這種作用類似于晶粒的細(xì)化，促進(jìn)了合金強(qiáng)度的提高;同時，由于形變過程中孿晶的連續(xù)形成有效地延緩了頸縮的產(chǎn)生，使塑性變形得以持續(xù)進(jìn)行，致使合金具有高的延伸率，

強(qiáng)塑積是衡量材料抵抗撞擊吸收能量效果的重要指標(biāo)之一，其大小反映了材料抗拉強(qiáng)度和延伸率匹配性的優(yōu)劣.由表2數(shù)據(jù)可以看到，不同熱扎變形量的合金均具有較高的強(qiáng)塑積，由無熱軋變形的59563.4 MPa·%提高至熱軋變形量為91%時的106217.2 MPa·%，比未經(jīng)軋制提高了近 78.3%，符仁鈺等［4］在研究Fe-24Mn-0.5CTWIP鋼的顯微組織和力學(xué)性能時，發(fā)現(xiàn)拉伸速率為2 mm/min時，試驗鋼的屈服強(qiáng)度為282 MPa，抗拉強(qiáng)度為906 MPa，斷后延伸率達(dá)到97.0%，強(qiáng)塑積高達(dá)87882 MPa·%.與本實驗研究的Fe-20Mn-3Cu-1.3C合金對比，表明提高TWIP鋼中的碳含量可以在不損失高塑性的同時大幅度提高合金的強(qiáng)度，使綜合力學(xué)性能提高.

表2 熱軋變形量對合金的拉伸力學(xué)性能的影響

圖5為不同熱軋變形量合金拉伸變形的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖5可以看到，無熱軋變形合金的曲線較為平緩且在圖中位置較低，而在熱軋變形條件下的3條曲線上升趨勢趨于重合且在圖中位置較高，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系［14］，σ=σ0+ ktd1/2(σ為形變應(yīng)力;σ0為材料常數(shù);kt為Hall -Petch關(guān)系斜率;d為晶粒尺寸)，可見晶粒尺寸越大(d越大)，形變應(yīng)力就越低.無熱軋變形合金晶粒呈粗大的樹枝晶，而3種熱軋合金的晶粒呈等軸晶且晶粒尺寸相差不大，平均約為18.8～22.1 μm，故無熱軋變形合金曲線整體水平偏低.在熱軋條件下，合金的微孔缺陷隨熱軋變形量的增加逐漸減少，使合金的孿生變形充分進(jìn)行，在圖中表現(xiàn)為合金的拉伸曲線隨熱軋變形量的增加進(jìn)一步延伸.對圖5的深入分析表明，4條曲線在達(dá)到某一臨界應(yīng)變量εc后均出現(xiàn)鋸齒狀應(yīng)力起伏，并隨著應(yīng)變量的增加，鋸齒狀起伏越來越明顯.曲線上鋸齒狀起伏的產(chǎn)生是孿生變形開始的反映，孿生作為塑性變形的另一種機(jī)制，經(jīng)常在高應(yīng)力集中處形核，孿生“形核”所需要的應(yīng)力遠(yuǎn)比使孿生長大(位錯的滑動)的大，因而出現(xiàn)孿生時應(yīng)力-應(yīng)變曲線會有突然下降，曲線上的鋸齒狀起伏是孿晶的形成所造成［15］，同時，在91%的熱軋變形條件下，由于拉伸變形后期大量形變孿晶界的形成，強(qiáng)烈地抑制位錯的滑移，塑性延展完全依靠孿生［16］，在拉伸后期曲線上表現(xiàn)為細(xì)密的鋸齒狀，如圖5箭頭A所示.

圖5 不同熱軋變形量合金的工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

1)高碳Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP鋼凝固時在枝晶間區(qū)域形成富含碳原子的縮松缺陷，經(jīng)高溫固溶處理后，由于碳原子向奧氏體基體中擴(kuò)散以及周圍碳化物的溶解使組織中的微孔數(shù)量和尺寸進(jìn)一步增加.

2)隨著熱軋變形量的增加，基體組織微孔缺陷的面密度降低，微孔平均直徑也相應(yīng)減小，從而減弱了形變過程中在微孔缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)，使合金的孿生變形及TWIP效應(yīng)得以充分發(fā)揮.

3)合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨熱軋變形量的增加而大幅度提高，而屈服強(qiáng)度變化不大.變形量為91%的合金，其屈服強(qiáng)度為513.7 MPa，抗拉強(qiáng)度為1223.7 MPa，延伸率達(dá)到86.8%，強(qiáng)塑積高達(dá)106217.2 MPa·%，比未熱軋變形處理提高了78.3%.

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Effect of hot rolling deformation on microstructure defects and mechanical properties of high carbon TWIP steell

YI Wei-fa1，ZHU Ding-yi1，HU Zhen-ming2，YANG Ze-bin1，LIN Shu-mei1
(1.School of Materials Science and Engineering of Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China; 2.Sansteel MinGuang Co.，LTD.，Sanming 356000，China)

To eliminate the easily formed micropore in the solidification structure，which severely deteriorates the mechanical properties of high carbon Fe-20Mn-3Cu-1.3C TWIP steel，the effect of different hot rolling reduction at the same deformation temperature on micropore elimination and tensile mechanical properties was studied.The results indicate that hot rolling deformation can remove micropore effectively and make the microstructure much denser.The comprehensive mechanical properties are greatly enhanced with the increasing of hot rolling reduction.When the hot rolling reduction comes to 91%，the area density of micropore in solution state decreases from 1.67%to 0.71%，the tensile strength and elongation rate reaches 1223.7 MPa and 86.8%，respectively，and the strength-plasticity product achieves 106217.2 MPa·%which is about 78. 3%higher than that of non-hot rolled steel.This shows that micropore elimination is the key factor to improve high strength and toughness of Fe-20Mn-3.0Cu-1.3C TWIP steel.

TWIP steel;micropore;hot rolling reduction;microstructure;mechanical properties

TG335.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-0299(2011)05-0045-07

2010-10-24.

福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項目(2011H6012);福建省自然科學(xué)基金資助項目(2011J01292).

易煒發(fā)(1985-)，男，碩士;

朱定一(1958-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

朱定一，E-mail:zdy7081@163.com.

(編輯 呂雪梅)