固溶溫度對(duì)中錳TRIP鋼組織與力學(xué)性能的影響

蔣 君，辛啟斌，薛 鑫，丁 樺，馬 勇，王莉雅，方 烽

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004）

固溶溫度對(duì)中錳TRIP鋼組織與力學(xué)性能的影響

蔣 君，辛啟斌，薛 鑫，丁 樺，馬 勇，王莉雅，方 烽

（東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004）

以w（Mn）=8%的熱軋TRIP鋼 （即相變誘導(dǎo)塑性鋼）為對(duì)象，研究了熱處理工藝對(duì)其顯微組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律.該中錳TRIP鋼在固溶溫度為800℃時(shí)，可獲得包括鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體的多相組織.與一般TRIP鋼相比，其力學(xué)性能明顯提高，在固溶加回火的條件下，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度為800～1 000 MPa，延伸率達(dá)到31% ～40%，而強(qiáng)塑積達(dá) （30～32）GPa%.

熱軋TRIP鋼;錳含量;固溶溫度;殘余奧氏體;力學(xué)性能

目前，環(huán)保的理念和對(duì)安全性、舒適性的要求促使車輛生產(chǎn)商盡可能減輕轎車車重，減少能源消耗和溫室氣體排放，因此需要提高汽車鋼板的強(qiáng)度和塑性［1］.TRIP鋼具有高的強(qiáng)度和延展性，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，優(yōu)越性明顯［2］.錳是TRIP鋼中的一種主要合金元素，在鋼中起固溶強(qiáng)化和降低Ms點(diǎn)的作用.Ms點(diǎn)下降可提高殘余奧氏體穩(wěn)定性.與鋼中其他固溶強(qiáng)化元素相比，錳對(duì)塑性、韌性和焊接性的不利影響較小［3］.鋁是鐵素體形成元素，它的添加改變了鐵碳平衡相圖的特征，使鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度提高［4］，單向奧氏體區(qū)縮小，擴(kuò)大了兩相區(qū)，加強(qiáng)了奧氏體的穩(wěn)定作用［5］.

已被廣泛研究并應(yīng)用的TRIP鋼主要是錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%的低錳TRIP鋼以及錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% ～30%的高錳TRIP/TWIP鋼，但對(duì)中錳TRIP鋼的研究還不多.國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)于中錳TRIP鋼（Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% ～10%）展開了研究，認(rèn)為中錳TRIP鋼因其優(yōu)越的性能有望成為第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼［6，7］，而隨著對(duì)汽車用鋼日益增長的輕量化和安全性需求，亟需發(fā)展第三代高強(qiáng)度用鋼（強(qiáng)塑積大于30 GPa%）［8］.為此，本文以錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Mn）=8%的中錳TRIP鋼為研究對(duì)象，研究熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的微觀組織和機(jī)械性能的影響規(guī)律.

常規(guī)TRIP鋼一般采用兩階段熱處理工藝:雙相區(qū)退火—貝氏體相變區(qū)等溫冷卻獲得鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體三相組織.針對(duì)中錳TRIP鋼的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)鋼采用固溶處理—低溫回火的熱處理工藝獲得鐵素體+馬氏體+殘余奧氏體的顯微組織，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)TRIP鋼中合金元素的作用和已有資料的分析，在中錳TRIP鋼基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鋼的成分設(shè)計(jì)，主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為C 0.21、Al 3.97、Mn 8.02、Fe余量.

實(shí)驗(yàn)鋼在感應(yīng)爐中冶煉，經(jīng)澆注、鍛造成100 mm×30 mm坯料，然后經(jīng)8道次熱軋至4 mm厚鋼板，初軋溫度1 150℃，終軋溫度850℃，熱軋工藝如圖1所示.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀等分析手段研究含w（Mn）=8%的TRIP鋼經(jīng)不同的熱處理工藝后的組織構(gòu)成及其殘余奧氏體的含量、形態(tài)，并通過拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試TRIP鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能.

熱軋鋼的熱處理工藝（見圖2）為:將熱軋后的實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行固溶處理，即將試樣分別放入加熱到700、750、800、850 和 900 ℃的高溫爐中，保溫1.0 h，水冷.將淬火后的實(shí)驗(yàn)鋼在200℃回火20 min.

熱處理后，將試樣分別制成金相、X射線衍射、SEM和TEM試樣.金相試樣采用4%的硝酸乙醇溶液處理2～3 s，然后在光學(xué)顯微鏡上觀察其顯微組織.采用X－350A型X射線衍射分析儀，利用γ相和α相衍射峰的積分強(qiáng)度確定殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù).

將經(jīng)過熱處理的試樣經(jīng)線切割制備成拉伸試樣.試樣在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上以3 mm/min的速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 殘余奧氏體含量

利用XRD測(cè)得試樣的衍射譜如圖3所示，從圖3（a）可以看出，在800℃的溫度下，實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)固溶1 h并回火后得到了較多的奧氏體組織;而實(shí)驗(yàn)鋼在900℃固溶1 h回火后，沒有面心立方結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，即無奧氏體組織，如圖3（b）所示.

在固溶溫度800℃時(shí)，拉伸前后試樣中殘余奧氏體的變化量如圖3（a）所示，試樣拉伸變形之后，奧氏體的比例下降，體心立方相強(qiáng)度升高，通過計(jì)算可得，拉伸前實(shí)驗(yàn)鋼的奧氏體體積分?jǐn)?shù)φr=17.9%，拉斷后φr=6.4%.這表明在固溶溫度為800℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼中大部分殘余奧氏體在拉伸時(shí)發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生TRIP效應(yīng);這部分奧氏體的轉(zhuǎn)變不但增加了鋼的塑性，而且提高了鋼的強(qiáng)度.

2.2 顯微組織

由2.1可知，在固溶溫度800℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)鋼發(fā)生了明顯的TRIP效應(yīng)，因此選取固溶溫度為800℃時(shí)的一組試樣進(jìn)行觀察（見圖4）.

圖4（a）是實(shí)驗(yàn)鋼固溶回火后的金相照片.實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織為鐵素體，馬氏體和少量殘余奧氏體.圖4（b）、圖4（c）為實(shí)驗(yàn)鋼固溶回火后的TEM組織，從中可觀察殘余奧氏體的形貌.試樣中的殘余奧氏體主要以薄膜狀的形式分布在馬氏體板條的間隙，或馬氏體和鐵素體之間的間隙，利于TRIP效應(yīng)的發(fā)生.這是因?yàn)楸∧畹臍堄鄪W氏體含碳量遠(yuǎn)高于塊狀殘余奧氏體含碳量，穩(wěn)定性好，而塊狀?yuàn)W氏體在很小的應(yīng)變下就可以向馬氏體轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致對(duì)TRIP效應(yīng)貢獻(xiàn)小，所以薄膜狀的奧氏體對(duì)TRIP效應(yīng)的貢獻(xiàn)較大［9］.

實(shí)驗(yàn)鋼拉伸前后的掃描電鏡對(duì)比照片如圖4（d）和圖4（e）所示，經(jīng)過拉伸變形后，鐵素體沿著某一取向排列，呈細(xì)長狀，位于馬氏體和鐵素體晶界處的殘余奧氏體量有所減少.鐵素體的變形對(duì)材料的塑性有增強(qiáng)作用，故實(shí)驗(yàn)鋼拉伸后的塑性提高.

2.3 力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)鋼固溶和回火后的力學(xué)性能如圖5所示.

由圖5（a）可知，隨著固溶溫度的升高，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度先升高后降低.主要原因是隨著溫度的升高，馬氏體相變驅(qū)動(dòng)力增大，因此淬火后馬氏體體積分?jǐn)?shù)提高，奧氏體的體積分?jǐn)?shù)顯著下降，這個(gè)結(jié)論從XRD結(jié)果上得到證實(shí)（見圖3）.當(dāng)溫度過高時(shí)，馬氏體所占比例過高，材料塑性急劇下降，材料未達(dá)到抗拉強(qiáng)度即發(fā)生脆斷，材料的抗拉強(qiáng)度下降.

圖5 力學(xué)性能與固溶溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between mechanical properties and solid solution tem perature

實(shí)驗(yàn)鋼的斷后延伸率隨著溫度的升高先小幅度增大后逐漸下降（750～900℃），這是因?yàn)殡S著溫度的升高，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，奧氏體體積分?jǐn)?shù)減少，而且平均晶粒尺寸逐漸增大，因此使得材料的塑性顯著下降.

經(jīng)過低溫回火后，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高先增大后減小，斷后延伸率始終增大，如圖5（a）所示.分析得知，回火后馬氏體基體的碳含量略有降低，滲碳體析出起彌散強(qiáng)化作用.實(shí)驗(yàn)鋼（850～900℃淬火）中馬氏體的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者（700～800℃淬火），而馬氏體的強(qiáng)度主要來自過飽和碳的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，低溫回火后，碳化物的析出比較多，雖然能起到彌散強(qiáng)化作用，但是卻使得固溶強(qiáng)化效應(yīng)大大降低了，因此材料的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了下降.同時(shí)，回火后材料的淬火內(nèi)應(yīng)力得到部分消除，從而使材料的塑性明顯提高.

低溫回火后，材料的強(qiáng)塑積得到明顯的提高，這主要?dú)w功于材料塑性的提高.材料在750～800℃固溶并回火后，綜合性能較好，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度為800～1 000 MPa，斷后延伸率達(dá)到31%～40%，強(qiáng)塑積為（30～32）GPa%，遠(yuǎn)高于同等強(qiáng)度級(jí)別的傳統(tǒng)TRIP鋼.因此，可以通過實(shí)際生產(chǎn)中控制熱處理工藝得到具有不同力學(xué)性能的中錳TRIP鋼.

TRIP鋼的力學(xué)性能與微觀組織有著密切的關(guān)系.本實(shí)驗(yàn)鋼固溶回火后最終獲得由鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體組成的三相組織.鋼的強(qiáng)度與淬火溫度有關(guān)，隨著淬火溫度的提高，Ms點(diǎn)升高，利于發(fā)生馬氏體相變，導(dǎo)致馬氏體含量增多，強(qiáng)度因此提高.鋼的塑性主要取決于顯微組織中鐵素體和殘余奧氏體的相變誘發(fā)塑性，馬氏體相的存在提高抗拉強(qiáng)度［10］，而殘余奧氏體的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的特性，在提高強(qiáng)度的同時(shí)可以顯著地增強(qiáng)塑性，鐵素體作為軟相對(duì)塑性有貢獻(xiàn).因此，實(shí)驗(yàn)鋼良好的力學(xué)性能源于其各相微觀組織的合理配比.

3 結(jié)論

（1）對(duì)w（Mn）=8%的實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行了固溶加低溫回火的熱處理工藝，在變形過程中可獲得明顯的TRIP效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)鋼具有良好的強(qiáng)度和塑性.

（2）本實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織為鐵素體、馬氏體和少量的殘余奧氏體.在固溶溫度為800℃并經(jīng)過低溫回火后，其殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)為17.9%，高于一般TRIP鋼的殘余奧氏體含量，拉斷后殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)為6.4%，TRIP效應(yīng)明顯.

（3）力學(xué)性能分析結(jié)果表明:在750～800℃的固溶處理和200℃的回火處理下，實(shí)驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度為800～1 000 MPa，延伸率達(dá)到31% ～40%，強(qiáng)塑積高達(dá)（30～32）GPa%，綜合性能優(yōu)越.該中錳TRIP鋼在組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上表現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)撃?，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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Influence of the solid solution tem perature on m icrostructure and mechanical properties of M n TRIP steel

JIANG Jun，XIN Qi-bin，XUE Xin，DING Hua，MA Yong，WANG Li-ya，F(xiàn)ANG Feng
（School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shengyang110004，China）

Based on the hot rolled TRIP steel（transformation induced plasticity steel）with 8%Mn，the influence of the heating processing on the microstructure and mechanical properties of the steel was studied.When the solid solution temperature is 800 ℃，it can get polyphase structure including ferrite、martensite and remaining austenite.Comparied with the common steel，mechanical property of the TRIP steel has a notable improvement.Under the condition of the solid solution and tempering temperature，the tensile strength of the experimental steels is 800～1 000 MPa，the specific elongation is up to 31% ～40%，and the productof tensile strength and elongation（TS×T.EL）is up to（30～32）GPa%.

heat rolled TRIP steel;Mn content;solution temperature;retained austenite;mechanical properties

TG 142.1

A

1671-6620（2012）03-0188-04

2012-05-07.

國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 （110132）.

蔣君 （1988—），女，東北大學(xué)碩士研究生，E－mail:jj2220222@126.com;丁樺 （1958—），女，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.