錳鎳比對(duì)Fe-Mn-Ni系TWIP合金鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

王明杰，朱定一

(1.福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350116； 2.福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118)

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錳鎳比對(duì)Fe-Mn-Ni系TWIP合金鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

王明杰1,2，朱定一1

(1.福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350116； 2.福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118)

摘要：通過制備4種不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵，研究了錳鎳比對(duì)Fe-Mn-Ni系TWIP合金鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著錳鎳比從3∶2、2∶1、3∶1和4∶1逐漸增加，鑄鐵鑄態(tài)組織中的碳化物含量增加。在1 050 ℃保溫10 h后進(jìn)行水淬，就能使碳化物分解，獲得單相奧氏體基體組織。經(jīng)過熱處理后，錳鎳比為3∶2的TWIP合金鑄鐵力學(xué)性能最佳，其抗拉強(qiáng)度為885 MPa，伸長(zhǎng)率為29.7%。

關(guān)鍵詞：錳鎳比； TWIP效應(yīng)； 組織； 力學(xué)性能； 鑄鐵

鑄鐵以其價(jià)廉易用在工業(yè)領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用，但是鑄鐵屬于脆性材料，伸長(zhǎng)率幾乎為零，限制了鑄鐵材料在一些特殊領(lǐng)域里的應(yīng)用[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科技水平的提高，在不斷提高鑄鐵強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)鑄鐵的塑性也提出了很高的要求。研制出具有高強(qiáng)度高塑性的鑄鐵材料成為當(dāng)今材料科學(xué)的重要研究目標(biāo)[2]。

球墨鑄鐵因其石墨對(duì)基體組織切割作用小，故而具有較高的力學(xué)性能，但是目前普通的球墨鑄鐵的伸長(zhǎng)率仍然比較低，只能達(dá)到QT600-5、QT700-2的水平[3-5]。上世紀(jì)70年代開發(fā)出具有高強(qiáng)度高塑性的(austempered ductile iron，ADI等溫淬火)球墨鑄鐵。將優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵件進(jìn)行等溫淬火，以得到針狀鐵素體和富碳奧氏體混合組織，從而使ADI球墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度和塑性[6]。林淑梅[7]和黃芬芬[8]分別利用孿生誘發(fā)塑性(twinning induced plasticity,TWIP)效應(yīng)，制備出了Fe-Ni-Mn-C-Si系TWIP合金鑄鐵和Fe-Mn-C-Si-Cu-Ni系TWIP合金鑄鐵，研發(fā)出具有QT700-20水平的球墨鑄鐵。

本文主要在Fe-Mn-Ni系TWIP合金鑄鐵(以下簡(jiǎn)稱TWIP合金鑄鐵)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整不同的錳鎳比，探索錳鎳比對(duì)TWIP合金鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響。

1　材料制備與試驗(yàn)方法

采用南非生鐵(Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.30%，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.52%，其余為雜質(zhì))為主料，使用電解鎳、電解錳、75硅鐵和20鋼進(jìn)行成分調(diào)整。制備出錳鎳比為3∶2、2∶1、3∶1和4∶1的TWIP合金鑄鐵，其成分如表1。原鐵液碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%。使用中頻感應(yīng)爐熔煉，熔化溫度為1 520 ℃。使用稀土鎂為球化劑進(jìn)行球化處理，澆注前使用75硅鐵進(jìn)行孕育處理。將處理后的鐵液澆注成“Y”形試塊。鑄錠的熱處理工藝為：在1 050 ℃下保溫10 h后水淬。

將熱處理后的鑄錠線切割加工成標(biāo)準(zhǔn)板形拉伸試樣。在CMT6104型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，變形速率為10-3s-1。采用XJZ-6A立式金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。

表1　TWIP合金鑄鐵化學(xué)成分Tab.1　Chemical composition of TWIP alloy iron

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1金相組織分析

不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵鑄態(tài)組織如圖1。從圖中可看出，盡管各鑄鐵試樣錳鎳比不同，但其鑄態(tài)組織都是由奧氏體基體、碳化物和球狀石墨組成。隨著錳鎳比由3∶2增加到4∶1，鑄態(tài)組織中的碳化物含量不斷增加。這些碳化物以厚片狀碳化物為主，也存在部分塊狀碳化物。在錳含量相同的情況下，其碳化物的減少主要因?yàn)殒嚭刻岣咭?。因?yàn)殒嚭湾i一樣，可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，提高奧氏體的穩(wěn)定性。同時(shí)，鎳是一種非碳化物形成元素，有利于促進(jìn)鑄鐵中碳化物的分解，減少碳化物數(shù)量[9]。

圖1　不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵鑄態(tài)組織Fig.1　Casting microstructures of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni

碳化物的存在會(huì)提高鑄鐵的脆性，降低鑄鐵的塑性，對(duì)鑄鐵力學(xué)性能造成不良影響。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢韵蓟飳?duì)鑄鐵力學(xué)性能的不良影響。把試樣在1 050 ℃下保溫10 h后進(jìn)行水淬，其金相組織如圖2。鑄態(tài)組織中的碳化物經(jīng)過熱處理已經(jīng)完全分解。碳化物分解產(chǎn)生的碳原子部分固溶于奧氏體基體，對(duì)奧氏體基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。還有一部分?jǐn)U散到球狀石墨表面，成為球狀石墨的一部分[10]。熱處理后的奧氏體基體中產(chǎn)生了一部分退火孿晶。此時(shí)，鑄鐵的組織為奧氏體和球狀石墨。這也是鑄鐵基體組織在受力變形過程中穩(wěn)定發(fā)生TWIP效應(yīng)的基礎(chǔ)[11]。

圖2　不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵熱處理后的組織Fig.2　Microstructures of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni after heat treatment

2.2力學(xué)性能分析

表2是熱處理后，不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵試樣在室溫環(huán)境、變形速率為10-3s-1下進(jìn)行單向拉伸的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。由表2可以得出，錳鎳比為3:2時(shí)，TWIP合金鑄鐵抗拉強(qiáng)度為885 MPa，伸長(zhǎng)率為29.7%，具有最佳力學(xué)性能。隨著錳鎳比從3∶2增加到4∶1，TWIP合金鑄鐵抗拉強(qiáng)度從885 MPa降低到640 MPa，伸長(zhǎng)率從29.7%減少為16.2%。即隨著錳鎳比的增加，TWIP合金鑄鐵力學(xué)性能降低。

表2不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵力學(xué)性能

Tab.2Mechanical properties of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni

錳鎳比抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長(zhǎng)率δ/%3∶288529.72∶184827.23∶173321.84∶164016.2

圖3　不同錳鎳比的TWIP合金鑄鐵的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線Fig.3　Engineering strain-engineering stress curves of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni

圖3是不同錳鎳比TWIP合金鑄鐵的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線。從工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線可以看出，TWIP合金鑄鐵都存在明顯的屈服現(xiàn)象。而且當(dāng)越過屈服階段后，隨著變形過程的進(jìn)行，位錯(cuò)開始在晶界處聚集。當(dāng)位錯(cuò)聚集到一定程度，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械孿晶。機(jī)械孿晶的產(chǎn)生改變了晶粒滑移面法線、滑移方向與拉伸力的位向關(guān)系，使得原先晶粒中處于硬位向的滑移體系轉(zhuǎn)變成為軟位向的滑移體系。與未發(fā)生孿晶的情況相比，顯著增加了軟位向滑移體系的數(shù)量，從而表現(xiàn)出良好的塑性，這就是TWIP效應(yīng)。同時(shí)，由于鎳能夠擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織。奧氏體中可以溶解更多的碳原子，產(chǎn)生更好的固溶強(qiáng)化作用，提高奧氏體基體的強(qiáng)度。此外，機(jī)械孿晶晶界本身也相當(dāng)于亞晶界，能夠起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。在這幾方面綜合作用下，TWIP合金鑄鐵表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和塑性。圖4是TWIP合金鑄鐵拉斷后的金相組織圖(在斷口附近取樣)。從圖中可以看出，隨著錳鎳比增加，TWIP合金鑄鐵變形組織中的機(jī)械孿晶數(shù)量減少。

3　結(jié)論

1)Fe-Mn-Ni系TWIP合金鑄鐵的力學(xué)性能隨著錳鎳比的提高而降低，在錳鎳比為3∶2時(shí)，力學(xué)性能最好。此時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度為885 MPa，伸長(zhǎng)率為29.7%。

2)隨著錳鎳比的提高，鑄態(tài)組織中碳化物的含量逐漸增加。

3)通過熱處理(1 050 ℃保溫10 h后進(jìn)行水淬)可以使TWIP合金鑄鐵鑄態(tài)組織中的碳化物分解，得到單相奧氏體基體組織。

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(責(zé)任編輯： 陳雯)

Effects of Mn and Ni ratios on microstructures and mechanical properties of Fe-Mn-Ni TWIP alloy iron

Wang Mingjie1,2，Zhu Dingyi1

(1.College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;2.College of Materials Science and Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Abstract：The Fe-Mn-Ni twinning induced plasticity(TWIP) alloy iron samples of four different Mn and Ni ratios were produced.The effects of Mn and Ni ratios on the microstructures and mechanical properties of TWIP alloy iron were studied.Experimental results show that with the increase of Mn and Ni ratios from 3∶2 to 4∶1, the carbides in the iron increase.The samples were water-quenched after heating 10 hours at 1,050 ℃ to decompose the carbides completely to obtain single austenite structure.The TWIP alloy iron with Mn and Ni ratio of 3∶2 has the best mechanical properties after heat-treatment with a tensile strength of 885MPa and an elongation of 29.7%.

Key words：Mn to Ni ratio; twinning induced plasticity(TWIP) effect; microstructure; mechanical property; iron

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.008

收稿日期:2016-06-29

基金項(xiàng)目：福建省科技廳工業(yè)引導(dǎo)性重點(diǎn)項(xiàng)目(2011H0001)；福建工程學(xué)院科研發(fā)展基金(GY-Z10069)

第一作者簡(jiǎn)介：王明杰(1972- )，男，山西萬榮人，副教授，碩士，研究方向：高性能金屬材料。

中圖分類號(hào)：TG143.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-4348(2016)04-0352-04