退火溫度對(duì)鐵素體基輕質(zhì)鋼組織與力學(xué)性能的影響

董 超 許礽翀 錢(qián)靈鋒 朱旭東 何燕霖 李 麟

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

退火溫度對(duì)鐵素體基輕質(zhì)鋼組織與力學(xué)性能的影響

董 超 許礽翀 錢(qián)靈鋒 朱旭東 何燕霖 李 麟

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

為了滿足汽車輕量化的要求，研制輕質(zhì)鋼迫在眉睫。設(shè)計(jì)了一種成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為Fe- 0.25C- 3.5Mn- 8Al的鐵素體基輕質(zhì)鋼，研究了在不同熱處理?xiàng)l件下，試驗(yàn)鋼的顯微組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，冷軋?jiān)囼?yàn)鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，但斷后伸長(zhǎng)率較低。退火處理后冷軋?jiān)囼?yàn)鋼的性能有大幅改善，經(jīng)過(guò)950 ℃×50 s+400 ℃×3 min處理后，其強(qiáng)塑積可達(dá)22 451 MPa·%。隨著退火溫度的升高，鋼中奧氏體含量逐漸增多，κ- 碳化物逐漸溶解直至消失。拉伸變形后部分奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，奧氏體穩(wěn)定性參數(shù)與強(qiáng)塑積成正比。

鐵素體基輕質(zhì)鋼 退火溫度 κ碳化物 顯微組織 力學(xué)性能

在現(xiàn)在和未來(lái)的汽車上，汽車的減重成為減少CO2排放和降低燃油消耗的關(guān)鍵手段。降低車身重量，即汽車輕量化，是降低燃油消耗的重要途徑(約占50%以上)[1]。鐵素體基輕質(zhì)鋼中鋁含量較高(通常Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5%)，其密度較低，且具有良好的力學(xué)性能，是較為理想的汽車輕量化材料。鐵素體基輕質(zhì)鋼的相組成主要為鐵素體基體上分布著奧氏體和κ- 碳化物[2]。為提高鋼材的力學(xué)性能，需保證鋼中具有一定含量的奧氏體[3]。通過(guò)合理的熱處理，可以調(diào)控鋼中的組織組成，使鋼中κ- 碳化物溶解，同時(shí)具有較高含量的奧氏體。研究表明[4- 8]，退火處理對(duì)于輕質(zhì)鋼組織的改善及性能的提升有關(guān)鍵的作用。基于此，本文研究了退火溫度對(duì)含8%Al輕質(zhì)鋼的組織和力學(xué)性能的影響，并探討了組織演變與力學(xué)性能之間的關(guān)系，從而為鐵素體基輕質(zhì)鋼的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼在真空感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行冶煉，冶煉過(guò)程中充氬氣保護(hù)，然后進(jìn)行模鑄獲得100 kg的鑄錠。其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.24 C，3.57 Mn，8 Al，F(xiàn)e余量。將鑄錠熱軋至3 mm厚，初軋溫度為1 050 ℃，終軋溫度為900 ℃，然后將熱軋板酸洗再冷軋至1.2 mm厚。利用鹽浴爐將試樣分別加熱至820、850、910和950 ℃，并保溫50 s，而后快冷至400 ℃保溫3 min，隨后空冷至室溫。按GB/T 228.1—2010沿軋制方向切取標(biāo)距為30 mm的非比例標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用ETM504C型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量力學(xué)性能，變形速率為10-3s-1。試樣經(jīng)打磨拋光后用4%硝酸酒精侵蝕，利用掃描電子顯微鏡Hitachi S- 570進(jìn)行組織觀察。試樣經(jīng)打磨后，進(jìn)行電解拋光，電解液為高氯酸/冰醋酸的混合溶液，拋光電壓為30 V。利用X射線衍射儀Dmax- 2200分析鋼中的奧氏體體積分?jǐn)?shù)[9]，奧氏體中含碳量根據(jù)式(1)計(jì)算得出[10]。

αγ=3.578+0.033 0XC+0.005 6XAl+

0.000 95XMn

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷軋板的組織和性能

圖1為試驗(yàn)鋼冷軋后的SEM形貌和XRD圖譜，可以看出，冷軋后鋼中的組織為鐵素體基體上分布著大量點(diǎn)狀或細(xì)條狀的κ- 碳化物及少量的奧氏體。沿軋向取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其抗拉強(qiáng)度為1 067 MPa，屈服強(qiáng)度為1 048 MPa，斷后伸長(zhǎng)率僅3.5%，表現(xiàn)出明顯的加工硬化。

圖1 冷軋鋼板的SEM形貌(a)及XRD圖譜(b)Fig.1 SEM morphology (a) and XRD pattern(b) of the cold rolled steel sheet

2.2 退火溫度對(duì)組織及力學(xué)性能的影響

圖2是利用熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo- Calc計(jì)算的試驗(yàn)鋼的垂直截面相圖及相分?jǐn)?shù)隨溫度變化圖。由于鋁的加入，鋼中奧氏體相區(qū)縮小，兩相區(qū)擴(kuò)大，根據(jù)相分?jǐn)?shù)隨溫度變化圖，奧氏體析出溫度為820 ℃，κ- 碳化物溶解溫度為873 ℃。

圖3為不同溫度退火處理后試驗(yàn)鋼顯微組織的變化，可見(jiàn)退火后鋼中κ- 碳化物數(shù)量明顯減少。隨著退火溫度的升高，奧氏體含量逐漸增多，且?jiàn)W氏體晶粒尺寸逐漸增大。

進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)退火溫度高于850 ℃時(shí)，鋼中檢測(cè)不到κ- 碳化物，這表明在高于850 ℃退火后，鋼中κ- 碳化物的含量很少或已完全溶解，這與Thermo- Calc計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖5為試驗(yàn)鋼不同溫度退火后的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，表1為試驗(yàn)鋼冷軋態(tài)及經(jīng)不同溫度退火后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)退火處理后，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均明顯降低，但斷后伸長(zhǎng)率大幅提高。隨著退火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均呈逐漸升高趨勢(shì)，經(jīng)950 ℃退火后，強(qiáng)塑積達(dá)到最大值22 451 MPa·>%。

對(duì)比不含κ- 碳化物試驗(yàn)鋼(910和950 ℃退火)和含有少量κ- 碳化物試驗(yàn)鋼(820和850 ℃退火)的力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn),含有κ- 碳化物試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度要高于不含κ- 碳化物的試驗(yàn)鋼，但其斷后伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度低于不含κ- 碳化物的試驗(yàn)鋼。當(dāng)退火溫度低于850 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線有明顯的屈服平臺(tái)，但當(dāng)溫度高于850 ℃時(shí)，則無(wú)明顯的屈服平臺(tái)。這主要是由于當(dāng)退火溫度高于850 ℃時(shí)，沒(méi)有κ- 碳化物存在，基體組織由鐵素體和奧氏體組成，因此沒(méi)有形成屈服平臺(tái)的條件。但當(dāng)退火溫度低于850 ℃時(shí)，κ- 碳化物可能會(huì)與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，從而形成“柯氏氣團(tuán)”，對(duì)位錯(cuò)起到釘扎作用，從而具備了形成屈服平臺(tái)的條件。

圖2 試驗(yàn)鋼的垂直截面相圖(a)及相分?jǐn)?shù)隨溫度變化圖(b)Fig.2 Vertical section phase diagram (a) and the phase fraction changes with temperature (b) for the test steel

圖3 在(a)820、(b)850、(c)910和(d)950 ℃退火后試驗(yàn)鋼的SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of the test steels after annealing at (a) 820，(b) 850，(c) 910，and (d) 950 ℃

對(duì)不同溫度退火后試驗(yàn)鋼拉伸前與斷裂后的奧氏體含量進(jìn)行XRD定量分析，結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)在820 ℃退火后沒(méi)有奧氏體存在，而退火溫度高于850 ℃時(shí)均有奧氏體存在，且溫度越高，奧氏體含量越高，在950 ℃退火時(shí)達(dá)到15.2%。拉伸斷裂后鋼中奧氏體含量減少，隨著退火溫度的升高，奧氏體含量減少的幅度逐漸增大，在950 ℃退火時(shí)達(dá)到最大為7.1%，這是由于在變形過(guò)程中鋼中部分奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體所致。

圖4 不同溫度退火后試驗(yàn)鋼的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the test steels after annealing at different temperatures

圖5 不同溫度退火后試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程 應(yīng)變曲線Fig.5 Engineering stress- engineering strain curves of the test steels after annealing at different temperatures

表1 不同溫度退火后試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the test steels after annealing at different temperatures

Chiro等[11]以?shī)W氏體含量與奧氏體中碳含量的乘積作為奧氏體的穩(wěn)定性參數(shù)(Vγ×Cγ)，計(jì)算結(jié)果如表2所示，將其與強(qiáng)塑積作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)奧氏體的穩(wěn)定性參數(shù)與強(qiáng)塑積成正比關(guān)系，如圖7所示。

圖6 拉伸前與斷裂后試驗(yàn)鋼中奧氏體含量對(duì)比Fig.6 Comparison of volume fraction of austenite in the test steel before and after tensile test

表2 不同溫度退火后試驗(yàn)鋼的奧氏體含量及奧氏體中碳含量Table 2 Volume fraction of austenite and the content of carbon in the austenite of the test steels after annealing at different temperatures

圖7 試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積與奧氏體穩(wěn)定性 參數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between the product of elongation and strength and the austenitic stability parameter

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能主要受鋼中奧氏體的影響。當(dāng)拉伸變形過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變量較多、穩(wěn)定性參數(shù)較大時(shí)，獲得的力學(xué)性能較好。

3 結(jié)論

(1)鐵素體基輕質(zhì)鋼冷軋后的組織由鐵素體基體、κ- 碳化物和少量奧氏體組成，其抗拉強(qiáng)度為1 067 MPa，斷后伸長(zhǎng)率僅3.5%。

(2)退火處理后試驗(yàn)鋼的組織和力學(xué)性能均得到改善。隨著退火溫度的升高，鋼中κ- 碳化物逐漸溶解直至消失，奧氏體含量逐漸增多，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均呈逐漸增加的趨勢(shì)，經(jīng)950 ℃×50 s+400 ℃×3 min處理后，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)塑積達(dá)到最大值22 451 MPa·%。

(3)試驗(yàn)鋼在拉伸過(guò)程中部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其強(qiáng)塑積與奧氏體穩(wěn)定性參數(shù)成正比。

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收修改稿日期：2016- 06- 05

EffectofAnnealingTemperatureonMicrostructureandMechanicalPropertiesofAFerriticLightweightSteel

Dong ChaoXu Rengchong Qian Lingfeng Zhu Xudong He Yanlin Li Lin

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

To satisfy the requirement of lightweight vehicles, the research of lightweight steel is urgent. A ferritic lightweight steel having a composition of Fe- 0.25C- 3.5Mn- 8Al(mass fraction,%)was designed. Then the relationship between microstructure and mechanical properties of the test steel in different heat treatment conditions was investigated. The results showed that the cold- rolled steel had both high tensile strength and yield strength, but low elongation. After annealing treatment, the mechanical properties of cold rolled test steel were greatly improved. i.e., after annealing at 950 ℃ for 50 s, then rapidly cooling to 400 ℃ and holding for 3 min, the product of strength and elongation of the test steel could reach up to 22 451 MPa·%. With the increase of annealing temperature, the amount of austenite in the test steel increased, the κ- carbides resolved and disappeared gradually. Partial austenite transformed during tensile deformation, and the austenite stability parameter was directly proportional to the product of strength and elongation.

ferritic lightweight steel，annealing temperature，κ- carbide，microstructure，mechanical property

973資助項(xiàng)目(No.2010CB630802)

董超，男，主要從事汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研究，Email: sdcjdc@126.com