終軋溫度對(duì)Cu合金化Fe-18Mn-0.6C TWIP鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響

張文文， 董福濤， 劉云雙， 田亞強(qiáng)， 陳連生

(華北理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山 063210)

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，汽車(chē)在城市交通運(yùn)輸中的比重越來(lái)越大，同時(shí)城市居民對(duì)汽車(chē)的需求也與日俱增。近年來(lái)汽車(chē)行業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)中的地位日益提高，并逐漸發(fā)展成為一個(gè)支撐與推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康快速增長(zhǎng)的關(guān)鍵行業(yè)之一。為了充分滿足汽車(chē)用鋼對(duì)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、高性能等的要求，國(guó)內(nèi)外研究和開(kāi)發(fā)了多種具有特殊價(jià)值的高強(qiáng)度型鋼(High strength steel, HSS)和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(Advance high strength steel, AHSS)。據(jù)國(guó)際鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)在超輕鋼車(chē)體 (Ultra light steel auto body, ULSAB)項(xiàng)目中表明，若車(chē)身90%采用高強(qiáng)度鋼(或先進(jìn)高強(qiáng)度鋼)能夠減少25%的質(zhì)量且生產(chǎn)成本也低于傳統(tǒng)鋼材[1-2]。鋼材在降低車(chē)身質(zhì)量、制造成本以及提高安全性能等方面仍然是目前最適合的汽車(chē)用材料[3]。孿晶誘發(fā)塑性(Twinning induced plasticity, TWIP)鋼具有高強(qiáng)度、高塑性、高加工硬化性和抗沖擊性等優(yōu)異的力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)成分篩選，F(xiàn)e-18Mn-0.6C TWIP鋼[4]距離市場(chǎng)應(yīng)用最為接近，其研發(fā)和實(shí)用化對(duì)汽車(chē)用鋼板產(chǎn)業(yè)和新型汽車(chē)制造產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型都起著重要作用，具有巨大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿?。本文研究了不同終軋溫度對(duì)TWIP鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化TWIP鋼的熱軋工藝參數(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用TWIP鋼為Cu合金化Fe-18Mn-0.6C鋼，采用真空感應(yīng)爐熔煉并鑄成鋼錠，隨后鍛成尺寸為(40～45) mm×80 mm×100 mm的矩形坯料，其化學(xué)成分如表1所示。將坯料隨爐加熱到1200 ℃后保溫2 h，然后在450 mm單機(jī)架二輥可逆熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制，將終軋溫度分別控制在1000 ℃和900 ℃左右(即高溫終軋和低溫終軋)，終軋厚度在13 mm左右，軋后立即水淬至室溫。從熱軋板上取金相試樣，沿軋制方向取棒狀拉伸試樣(見(jiàn)圖1)和尺寸為10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。金相試樣經(jīng)400～2000號(hào)砂紙打磨、機(jī)械拋光后，先后采用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液和100 g/L偏重亞硫酸鈉(Na2S2O5)溶液腐蝕，再用光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行組織觀察。拉伸試樣按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)使用SANS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為5 mm/min，然后使用D/MAX2500PC型X射線衍射儀對(duì)拉伸后的試樣進(jìn)行XRD分析。沖擊試樣采用AST MD7136型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，然后采用Scios掃描電鏡(SEM)分別對(duì)拉伸斷口和沖擊斷口進(jìn)行觀察。

表1 TWIP鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the TWIP steel (mass fraction, %)

圖1 拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖2為T(mén)WIP鋼拉伸變形后的X射線衍射圖譜，可以看出，不同終軋溫度下試驗(yàn)鋼在拉伸后的X射線衍射峰均屬于奧氏體，未出現(xiàn)其他相，表明該成分的TWIP鋼在變形前后均為單一的奧氏體組織，并未發(fā)生相變。

圖2 不同終軋溫度TWIP鋼在拉伸后的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of the TWIP steel with different finishing rolling temperature after tensile test

圖3為T(mén)WIP鋼熱軋態(tài)的顯微組織形貌?？梢钥闯?，低溫終軋TWIP鋼的部分晶粒內(nèi)存在形變孿晶，而高溫終軋TWIP鋼晶粒內(nèi)的形變孿晶較少。在圖3(c)標(biāo)記處可以看到一次孿晶和二次孿晶，且二次孿晶中出現(xiàn)不同方向的孿晶束相互交織的現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)軋制溫度較低時(shí)，回復(fù)和再結(jié)晶作用較弱，組織內(nèi)的位錯(cuò)密度較大，更容易形成位錯(cuò)塞積現(xiàn)象，隨著形變量的增大，在位錯(cuò)塞積的位置會(huì)產(chǎn)生形變孿晶；當(dāng)軋制溫度較高時(shí)，回復(fù)和再結(jié)晶作用較強(qiáng)，變形抗力較小，組織內(nèi)位錯(cuò)密度越小，位錯(cuò)滑動(dòng)順暢，不容易殘留形變孿晶。故較高的終軋溫度可明顯降低奧氏體晶粒內(nèi)殘留的形變孿晶。

圖3 不同終軋溫度TWIP鋼熱軋態(tài)的顯微組織Fig.3 Microstructure of the as-rolled TWIP steel with different finishing rolling temperatures(a,b) 1000 ℃; (c,d) 900 ℃

在塑性變形初期，由于變形量比較小，主要通過(guò)滑移形成大量的層錯(cuò)[5]和位錯(cuò)；隨著變形量的增大，{111}面上的全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可使孿晶在層錯(cuò)的基礎(chǔ)上形成[6]，不同的滑移系相互交織，從而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，發(fā)生位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。隨著應(yīng)力的增大，在位錯(cuò)塞積的位置產(chǎn)生大量孿晶，從而緩解了該部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使滑移可以繼續(xù)進(jìn)行。由于孿晶是由位錯(cuò)滑移機(jī)制形成的，所以當(dāng)變形溫度升高時(shí)，組織內(nèi)位錯(cuò)密度降低，導(dǎo)致組織內(nèi)位錯(cuò)的滑移能夠更容易進(jìn)行，從而在一定程度上阻礙了孿晶的形成。因此，組織內(nèi)孿晶的數(shù)量隨著終軋溫度的升高而降低。

2.2 力學(xué)性能

圖4和表2為T(mén)WIP鋼室溫拉伸的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能?？梢钥闯?，高溫終軋TWIP鋼的強(qiáng)度相對(duì)較低，但伸長(zhǎng)率較高，達(dá)到77%，強(qiáng)塑積為63 GPa·%；低溫終軋TWIP鋼的強(qiáng)度較高，尤其是屈服強(qiáng)度達(dá)到501 MPa，伸長(zhǎng)率為60%，強(qiáng)塑積為54 GPa·%。高溫終軋的沖擊吸收能量比低溫終軋高72 J。

表2 不同終軋溫度TWIP鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the TWIP steel with different finishing rolling temperature

圖4 不同終軋溫度TWIP鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the TWIP steel with different finishing rolling temperatures

Bouaziz等[7]研究了TWIP鋼變形過(guò)程中的強(qiáng)韌化機(jī)制，并認(rèn)為變形過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變硬化效應(yīng)是由于奧氏體中形變孿晶的分割及與位錯(cuò)發(fā)生的交互作用產(chǎn)生的。TWIP鋼在變形過(guò)程中，孿晶一般會(huì)在局部變形量較大的區(qū)域產(chǎn)生，但孿晶的出現(xiàn)嚴(yán)重阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)逐漸堆積到孿晶晶界，從而使局部的強(qiáng)度增強(qiáng)，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，局部的變形越來(lái)越困難。隨著應(yīng)力的不斷增加，變形會(huì)逐漸向變形量較低的區(qū)域轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提高了材料的塑性。通常形變孿晶會(huì)在晶界處優(yōu)先形成，隨著應(yīng)力的增加，逐漸擴(kuò)展到奧氏體晶內(nèi)，分割?yuàn)W氏體晶粒，進(jìn)而阻礙位錯(cuò)的滑移，從而提高TWIP鋼的強(qiáng)度(相當(dāng)于細(xì)晶強(qiáng)化作用)。由于奧氏體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生變形，界面能顯著升高，阻止局部裂紋的產(chǎn)生并提高了伸長(zhǎng)率。拉伸曲線上出現(xiàn)鋸齒狀起伏(如圖4中放大部分所示)表明變形過(guò)程中不斷發(fā)生孿生變形。由于孿生常在高應(yīng)力區(qū)形核，孿晶形核所需的應(yīng)力大于孿晶生長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，所以會(huì)出現(xiàn)孿生變形時(shí)拉伸曲線會(huì)出現(xiàn)突然下降的現(xiàn)象。由于形變孿晶具有推遲“縮頸”的作用，在靜載拉伸過(guò)程中，孿晶先在高應(yīng)變區(qū)形成，這就促使了低應(yīng)變區(qū)域必須先發(fā)生位錯(cuò)滑移直至產(chǎn)生孿晶為止，這會(huì)使均勻變形的時(shí)間延長(zhǎng)，在宏觀上表現(xiàn)為高伸長(zhǎng)率且無(wú)縮頸。

圖5為T(mén)WIP鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化率曲線[8]。TWIP鋼在拉伸變形過(guò)程中，由于TWIP效應(yīng)產(chǎn)生了大量的孿晶，出現(xiàn)持續(xù)明顯的加工硬化現(xiàn)象，即動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效[9]現(xiàn)象，提高了強(qiáng)度，維持均勻塑性變形，推遲材料進(jìn)入不穩(wěn)定塑性變形階段，即延遲頸縮，在拉伸斷裂后的試樣上出現(xiàn)無(wú)明顯頸縮的現(xiàn)象。不同終軋溫度TWIP鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)大致相同，在彈性變形區(qū)，高溫終軋TWIP鋼率先達(dá)到屈服點(diǎn)，隨著真應(yīng)力的增大，應(yīng)變硬化現(xiàn)象更為明顯。且高溫終軋TWIP鋼先達(dá)到應(yīng)變硬化率峰值，然后先下降再上升再下降進(jìn)入塑性變形階段。應(yīng)變硬化率曲線的平臺(tái)區(qū)域越長(zhǎng)，越能推遲材料失穩(wěn)，伸長(zhǎng)率也越高，所以拉伸時(shí)體現(xiàn)出更高的伸長(zhǎng)率和更好的塑性[6]。而在真應(yīng)變?yōu)?.4～0.6的階段，應(yīng)變硬化率出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明在變形過(guò)程中有軟化現(xiàn)象。Cu的合金化會(huì)降低孿生的臨界應(yīng)力，促進(jìn)形變孿晶的產(chǎn)生，維持塑性變形，提高塑性。

圖5 不同終軋溫度TWIP鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(a)及應(yīng)變硬化率曲線(b)Fig.5 True stress-true strain curves(a) and strain hardening rate curves(b) of the TWIP steel with different finishing rolling temperatures

2.3 斷口形貌

圖6為T(mén)WIP鋼室溫拉伸斷口和沖擊斷口形貌。可見(jiàn)，斷口處有大量的韌窩，為典型的韌性斷裂[10]。由拉伸斷口的SEM形貌可以看出，高溫軋制TWIP鋼有許多大而深的韌窩，在大韌窩內(nèi)壁上出現(xiàn)波紋狀的紋路，且在大韌窩的周?chē)性S多等軸的小韌窩，說(shuō)明其塑性較好，如圖6(a)所示。高溫軋制TWIP鋼的韌窩數(shù)量明顯較少，而且韌窩也相對(duì)較淺，但在韌窩的周?chē)性S多等軸韌窩，如圖6(d)所示，說(shuō)明高溫終軋與低溫終軋均具有優(yōu)異的塑性，但高溫終軋TWIP鋼拉伸斷口韌窩更大更深，表明其塑性優(yōu)于低溫終軋TWIP鋼。

圖6 不同終軋溫度TWIP鋼的拉伸斷口(a, d)與沖擊斷口(b, c, e, f)形貌Fig.6 Morphologies of tensile fracture(a, d) and impact fracture(b, c, e, f) of the TWIP steel with different finishing rolling temperatures(a-c) 1000 ℃; (d-f) 900 ℃

由沖擊斷口的SEM形貌可以看出，TWIP鋼的斷口中出現(xiàn)比較小的韌窩，在韌窩的邊緣出現(xiàn)類(lèi)似等軸的小韌窩，如圖6(b, e)所示。在沖擊過(guò)程中，較大的應(yīng)力使TWIP鋼斷裂時(shí)首先產(chǎn)生較大的韌窩，阻礙其斷裂，然后在大韌窩的邊緣產(chǎn)生的一些小韌窩同樣起到阻礙其斷裂的作用(如圖6(c, f)所示)。但沖擊斷口的韌窩比拉伸斷口的韌窩相對(duì)較淺，尺寸更小。表明動(dòng)載荷條件下TWIP鋼產(chǎn)生的形變量較小。

圖7為低溫終軋TWIP鋼沖擊斷口韌窩底部的夾雜物形貌及EDS分析，可以確定為MnS和MnSe結(jié)合的夾雜物。硫化物和硒化物等大型夾雜物往往并不是單一存在的，而是混合存在的。由于塑性低，夾雜物很容易從基體中分離出來(lái)。在變形過(guò)程中產(chǎn)生大面積微孔隙，微孔隙演化為斷裂源。夾雜物周?chē)捻g窩又大又深，表明夾雜物周?chē)幕w仍具有較高的塑性。

圖7 低溫終軋TWIP鋼沖擊斷口韌窩底部的夾雜物形貌(a)及EDS分析(b)Fig.7 SEM image(a) and EDS analysis(b) of the inclusion at bottom of the dimples on the fracture of the TWIP steel with low finishing rolling temperature

3 結(jié)論

1) TWIP鋼在熱軋和拉伸變形后的組織均為單一的奧氏體，變形后沒(méi)有產(chǎn)生其他相。

2) 終軋溫度越高，TWIP鋼的晶粒尺寸越大。低溫終軋時(shí)具有更高的強(qiáng)度，高溫終軋時(shí)具有更高的伸長(zhǎng)率和強(qiáng)塑積，表現(xiàn)出更好的塑性和沖擊性能。

3) TWIP鋼在拉伸變形過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。拉伸斷口處有大量韌窩，高溫終軋斷口處的韌窩更大更深，表現(xiàn)出更好的塑性。

4) TWIP鋼的沖擊斷口表現(xiàn)為韌性斷裂，較大較深的韌窩底部存在MnS和MnSe結(jié)合的夾雜物，表現(xiàn)出較高的塑性和韌性。