Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼性能及結(jié)構(gòu)組織對(duì)比分析

楊洋，張貴杰

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼性能及結(jié)構(gòu)組織對(duì)比分析

楊洋，張貴杰

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

TWIP鋼；顯微組織；孿晶

通過對(duì)不同體系TWIP鋼的研究，實(shí)際觀察了Fe-0.4C-17Mn和Fe-17Mn-1.5Al-1Si在熱軋后其力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)組織存在明顯差別，通過夏比沖擊試驗(yàn)對(duì)2種鋼的沖擊韌性進(jìn)行了測(cè)定，通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定了抗拉強(qiáng)度與延伸率，再對(duì)沖擊斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。對(duì)與軋后狀態(tài)透射電鏡觀察其內(nèi)部位錯(cuò)孿晶及析出物狀況。通過數(shù)據(jù)比較可知，適當(dāng)加入合金元素對(duì)內(nèi)部組織有較大影響，可增強(qiáng)其力學(xué)性能。

隨著鋼鐵現(xiàn)代化的發(fā)展，尖端科技的應(yīng)用及需求的增長，對(duì)于傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的要求不再局限于高產(chǎn)量、高利潤，而轉(zhuǎn)向高水準(zhǔn)、高附加值的發(fā)展方向。自從TWIP鋼[1]出產(chǎn)之日起，就注定了其非凡的性能和用途。它是繼雙相鋼，TRIP鋼之后第2代高強(qiáng)鋼。它不但具有非常堅(jiān)硬的強(qiáng)度，更為難能可貴的是擁有了非常優(yōu)良的塑形。TWIP鋼所具有的伸長率可達(dá)94 %，抗拉強(qiáng)度可達(dá)996 MPa[2-3]。在汽車領(lǐng)域，TWIP鋼具有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在汽車制造中，它可大量地用于替換原有鋼材，不僅能夠顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提升車身硬度，而且還能極大地減輕車身的自重，從而減低實(shí)際油耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)石油這種不可再生資源的節(jié)約和利用是一種節(jié)約與保護(hù)，并有助于減少汽車尾氣排放而造成的污染[4-5]。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

該項(xiàng)試驗(yàn)所用的TWIP鋼，是通過在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，使用真空感應(yīng)爐熔煉成型的20 kg鑄錠，后通過熱軋為3 mm的鋼板，將Fe-17Mn-1.5Al-1Si與Fe-0.4C-17Mn在1 100 ℃下保溫2 h后水冷。

靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。金相通過打磨拉伸后用5 %硝酸酒精腐蝕，在電鏡下觀察拉伸前的組織。通過SEM電鏡觀察斷口形貌。在10 %硝酸酒精腐蝕下雙噴減薄，在透射電鏡下觀察孿晶與位錯(cuò)形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)后得到的Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼力學(xué)性能如表1所示，F(xiàn)e-C-Mn系TWIP鋼的力學(xué)性能如表2所示。

表1 Fe-17Mn-1.5Al-1Si拉伸數(shù)據(jù)記錄

表2 Fe-0.4C-17Mn拉伸數(shù)據(jù)記錄

2.2 顯微組織

SEM電鏡圖像如圖1所示為Fe-17Mn-1.5Al-1Si沖擊斷口掃描電鏡圖像，圖2所示為Fe-0.4C-17Mn沖擊斷口掃描電鏡圖像。

圖1 1號(hào)試驗(yàn)TWIP鋼橫向斷口形貌

在1號(hào)TWIP樣鋼的沖擊斷口圖像中，斷口比較勻稱，其斷裂方式具有韌性斷裂的特征，其中韌窩分布在斷口處相比四周較多，這些韌窩的大小各異，尺寸不均勻，由斷口中心向四周呈現(xiàn)出比較鮮明的減少態(tài)勢(shì)。

圖2 2號(hào)試驗(yàn)TWIP鋼橫向斷口形貌

在2號(hào)TWIP樣鋼的沖擊斷口圖像中，不論是在斷口中心還是四周的韌窩大小數(shù)量均比第1組的韌窩數(shù)量明顯，尺寸更加大，數(shù)量也偏多，其尺寸也較1號(hào)試樣更加勻稱，其中的斷口形貌有較為明顯的纖維狀斷裂特征。在這些SEM圖像中，通過觀察還能觀察到其中一部分形態(tài)為不規(guī)則的長條中會(huì)有第2項(xiàng)粒子存在。通過驗(yàn)證可知在中部有一個(gè)大型的長條狀韌窩，這些不規(guī)則形態(tài)中有形成空洞的現(xiàn)象這些空洞會(huì)不按照規(guī)則的方式進(jìn)行擴(kuò)張，這些帶狀或棒狀?yuàn)A雜物是造成裂紋的原因，經(jīng)能譜分析可知這些第2項(xiàng)成分基本判定為MnC和MnS。

圖3所示為Fe-17Mn-1.5Al-1Si拉伸后內(nèi)部位錯(cuò)和孿晶情況的圖像，圖4為Fe-0.4C-17Mn拉伸后內(nèi)部位錯(cuò)和孿晶情況的圖像。

圖3 1號(hào)樣鋼透射電鏡觀察的位錯(cuò)和孿晶圖像

在圖3中可看出1號(hào)試樣的位錯(cuò)情況，在試樣中發(fā)現(xiàn)了明顯的晶格晶界存在，在晶界邊緣會(huì)有大量的位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象，這些位錯(cuò)縱橫交錯(cuò)相互交織在一起阻礙了晶格運(yùn)動(dòng)，并在部分區(qū)域出現(xiàn)了孿晶；在孿晶周圍還伴隨著位錯(cuò)的相互交割。這種微觀組織形態(tài)有助于提升TWIP鋼本身的優(yōu)異力學(xué)性能。這些位錯(cuò)和孿晶大體上呈現(xiàn)出60 °左右位相偏差。這些大量取向不同位錯(cuò)的釘扎，可以有效地強(qiáng)化抗變形強(qiáng)度。

圖4 2號(hào)樣鋼透射電鏡觀察的位錯(cuò)和孿晶圖像

在圖4可看得出2號(hào)試樣中的位錯(cuò)數(shù)量很多，位錯(cuò)線的尺寸比較細(xì)密，位錯(cuò)與位錯(cuò)之間的間距不大，有些位錯(cuò)形成了團(tuán)狀，有些則成一定的角度并互相影響作用。在2號(hào)試樣中發(fā)現(xiàn)了取向差大體上為60 °左右的T1與T2兩組孿晶。2號(hào)鋼與1號(hào)鋼比較，其在位錯(cuò)與孿晶的相互位置關(guān)系上不及1號(hào)鋼緊密。且局部分布沒有互相明顯交錯(cuò)的形態(tài)。

3 結(jié)論

(1)無論Fe-17Mn-1.5Al-1Si還是Fe-0.4C-17Mn都具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度可達(dá)856 MPa，延伸率可達(dá)49.85 %，強(qiáng)塑積可達(dá)42 671 MPa·%。

(2)軋后的組織均為奧氏體，其中包含了退火孿晶和形變孿晶。Fe-17Mn-1.5Al-1Si對(duì)比Fe-0.4C-17Mn而言，韌窩深且細(xì)小，分布均勻，而韌窩中的夾雜物尺寸相應(yīng)較小。

(3)Fe-17Mn-1.5Al-1Si與Fe-0.4C-17Mn在相同的Mn含量狀態(tài)下，前者因?yàn)閷\生現(xiàn)象更加明顯，在電鏡下能看到更多的位錯(cuò)纏結(jié)和形變孿晶，故加入適量的合金元素，可提升TWIP鋼的綜合性能。

[1] GRASSEL O, L. KRUGER, G. FROMMEYER, et al. High strength Fe-Mn-Al-Si TRIP/TWIP steels development properties-applica tion[J]. International Journal of Plasticity, 2000, 16(00):1391-1409.

[2] 周小芬, 符仁鈺, 蘇鈺, 等. Fe-Mn-C系TWIP鋼的拉伸應(yīng)變硬化行為研究[J]. 鋼鐵, 2009, 44(3):71-74.

[3] 秦小梅, 邸洪雙, 陳禮清, 等. TWIP鋼Fe-23Mn-2Al-0.2C的組織及拉伸變形機(jī)制材料熱處理學(xué)報(bào)[J]. 2012, 33(1):94-98.

[4] 李開鋒, 李春福, 張鳳春, 等. 回復(fù)與再結(jié)晶退火對(duì)TWIP鋼組織及性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2015, 40(2):77-80.

[5] 魏行翔, 汪宗科. TWIP鋼拉伸過程中微觀組織行為及力學(xué)性能分析[J]. 鑄造技術(shù), 2014(1):45-47.

Comparative Analysis of Properties and Microstructure TWIP Steel in Fe-C-Mn and Fe-Mn-Al-Si Systems

YANG Yang, ZHANG Gui-jie

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

TWIP steel; microstructure; twin crystal

A study of different systems of TWIP steel found that there are significant differences between the mechanical properties and microstructure of the hot-rolled Fe-0.4C-17Mn and Fe-17Mn-1.5Al-1Si, the impact toughness of those two kinds of steel were determined by Charpy impact test, the tensile strength and the elongation of them were determined by tensile experiment, after that, the impact fracture was observed by scanning electron microscopy. With the rolling state transmission electron microscope after them wrong twin and deposition conditions. Through a comparative analysis of the data, it is showed that addition of appropriate alloy elements has a great effect on the internal structure, which can even enhance the mechanical properties of the alloy.

2095-2716(2016)02-0006-04

TG142.1

A