劉向海,劉 薇,劉嘉斌,舒康穎

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310008)

孿晶誘發(fā)塑性(TWIP)鋼是近幾年來汽車用鋼板研究熱點(diǎn)之一.Grassal和Frommery等[1-3]在研究Fe-Mn-Si-Al系相變誘發(fā)塑性(T RIP)鋼時(shí),發(fā)現(xiàn)并最早提出孿晶誘發(fā)塑性效應(yīng)和孿晶誘發(fā)塑性鋼的概念.TWIP鋼具有塑性大、強(qiáng)度較高的特點(diǎn),其優(yōu)異性能主要來自于形變過程中產(chǎn)生的孿晶,亦可配合采用其他強(qiáng)韌化(固溶、細(xì)晶、T RIP效應(yīng))方式,達(dá)到塑性和強(qiáng)度同步增長(zhǎng)的效果.同時(shí),TWIP鋼還具有能量吸收值高、加工硬化率高、無低溫韌—脆轉(zhuǎn)變[2-5]等特點(diǎn).用于制作汽車鋼板可以明顯減輕汽車重量、減少汽車尾氣排放和燃油消耗,并提高汽車駕駛的安全等級(jí),作為新一代高強(qiáng)度高韌汽車用鋼板,具有廣闊的應(yīng)用前景.

TWIP鋼優(yōu)異的性能要求其形變前的組織為單一奧氏體,并且晶粒內(nèi)部存在一定尺寸和數(shù)量的退火孿晶,因此 TWIP鋼的退火工藝非常關(guān)鍵[7].對(duì)于第一代Fe-25Mn-3Si-3Al TWIP鋼退火工藝的研究已經(jīng)比較深入,米振麗等[6]的工作表明,1000℃保溫30 min可以使Fe-25Mn-3Si-3Al TWIP鋼得到最佳的力學(xué)性能.但第一代TWIP鋼在澆鑄、表面質(zhì)量、焊接方面存在難以克服的弊端[4].目前TWIP鋼的研究熱點(diǎn)過渡到以高錳中碳和高錳低硅低鋁為典型成分的第二代TWIP鋼上,而對(duì)于第二代TWIP鋼熱處理工藝參數(shù)的研究甚少[6].同時(shí),TWIP鋼作為汽車用鋼板,其耐腐蝕性也是值得關(guān)注的[8,9].

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用真空感應(yīng)爐熔煉TWIP鋼,成分如表1.鋼錠在1250℃保溫40 min后,熱軋成厚度5 mm的板材,再冷軋至1.4 mm.

表1 TWIP鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TWIP steel(wt%)

將冷軋態(tài)TWIP鋼在1000℃分別保溫3,15,30,60和120 min后空冷至室溫.對(duì)冷軋態(tài)和不同保溫時(shí)長(zhǎng)的 TWIP鋼樣品經(jīng)過磨平、拋光,采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,用Leica金相顯微鏡對(duì)組織進(jìn)行觀察,截線法測(cè)量平均晶粒尺寸.同時(shí)對(duì)熱處理后的試樣采用HXS-1000AY顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量,取六次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值,測(cè)試載荷10 g,保壓時(shí)間10 s.

將不同保溫時(shí)長(zhǎng)的各TWIP鋼試樣蠟封,露出10 mm×10 mm的工作面.將工作面打磨光亮放入丙酮超聲清洗,然后置于5%NaCl溶液中靜置72 h后取出用水沖并干燥.采用JSM-5610LV型掃描電鏡(SEM)及 INCA ENERGY 200型能譜儀(EDS)觀測(cè)腐蝕后銹層的形貌和并測(cè)定銹層成分.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 退火工藝對(duì)金相組織的影響

圖1是不同保溫時(shí)長(zhǎng)下TWIP鋼的金相照片,可以看到T WIP鋼試樣在不同保溫時(shí)間下奧氏體晶粒、退火孿晶等微觀組織的變化.

冷軋態(tài) TWIP鋼組織中存在大量的沿軋制方向被拉長(zhǎng)的冷軋變形帶,晶粒模糊難以分辨(圖1(a)).經(jīng)過3 min保溫后,再結(jié)晶晶粒在變形帶上形核長(zhǎng)大,逐漸取代冷變形組織,此時(shí)晶粒細(xì)小,基體中尚存在少量冷軋變形帶,TWIP鋼處于再結(jié)晶將要結(jié)束階段(圖1(b)).15 min保溫后,TWIP鋼已完成再結(jié)晶.再結(jié)晶晶粒完全代替了軋制過程中的變形晶粒,奧氏體晶粒中出現(xiàn)部分退火孿晶,平均晶粒尺寸在 10μm左右(圖1(c)).進(jìn)一步延長(zhǎng)保溫時(shí)間,晶粒尺寸趨于均勻,平均在25～50μm左右(圖1(d)和(e)).晶粒內(nèi)部退火孿晶的數(shù)量和尺寸都有所增加.當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至120 min,TWIP鋼晶粒充分長(zhǎng)大,平均晶粒尺寸在 100μm以上,且邊界平直,呈等軸狀,退火孿晶尺寸很大,晶粒和內(nèi)部孿晶清晰可見(圖1(f)).

根據(jù)金相組織觀察的結(jié)果可以把上述過程分為兩個(gè)階段,第一階段是TWIP鋼回復(fù)及再結(jié)晶階段(0～15 min).第二階段是T WIP鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大階段(15～120 min).

第一階段,TWIP鋼中新形成的帶孿晶的等軸奧氏體晶粒逐漸取代軋制過程中產(chǎn)生的狹長(zhǎng)變形帶,冷軋后的變形晶粒逐漸被再結(jié)晶晶粒取代.TWIP鋼為典型奧氏體(面心立方)組織,通常認(rèn)為[10,11],面心立方金屬因具有較多的滑移系且層錯(cuò)能高,通常不易產(chǎn)生孿晶.但TWIP鋼中錳元素的加入使層錯(cuò)能降低至約25～80 mJ/m2[1],孿晶界面能低,易于產(chǎn)生大量的孿晶.由于孿晶界大多為共格晶界,其界面能量?jī)H是大角度晶界能量的百分之幾[11],生成的大量退火孿晶可以明顯降低總的界面能,使TWIP鋼組織的形成和長(zhǎng)大都是穩(wěn)定的.

圖1 1000℃下不同保溫時(shí)長(zhǎng)的TWIP鋼金相組織(a)0 min,(b)3 min,(c)15min,(d)30 min,(e)60 min and(f)120 minFigure 1 Microstructures of TWIP annealed at 1000℃for different holding time

第二階段,TWIP鋼已完成再結(jié)晶過程,金相組織表現(xiàn)為奧氏體晶粒帶有大量退火孿晶.保溫時(shí)間的延長(zhǎng),使奧氏體晶界在形變儲(chǔ)能的驅(qū)動(dòng)下不斷遷移和擴(kuò)展,退火孿晶隨奧氏體晶粒的長(zhǎng)大而長(zhǎng)大.因而保溫時(shí)間越長(zhǎng),奧氏體晶粒和退火孿晶均增大.

綜上所述,1000℃下超過15 min的保溫處理,可使實(shí)驗(yàn)成分的TWIP鋼完成再結(jié)晶過程,得到帶有退火孿晶的單一奧氏體組織,可通過控制不同保溫時(shí)長(zhǎng)來調(diào)控晶粒尺寸以及退火孿晶的數(shù)量.

2.2 退火工藝對(duì)顯微硬度的影響

圖2為不同保溫時(shí)長(zhǎng)的TWIP鋼的顯微硬度曲線.總體而言,TWIP鋼的顯微硬度隨保溫時(shí)間的增加而降低.冷軋態(tài)TWIP鋼硬度很高,可以達(dá)到440 HV,而保溫3 min后,硬度明顯下降至264 HV,降幅接近200 HV,這是因?yàn)樵诶渥冃蝺?chǔ)能的驅(qū)動(dòng)下,TWIP鋼組織發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶,材料組織和性能有了相應(yīng)的變化,基體明顯軟化.而后續(xù)的保溫(15～120 min)使顯微硬度平緩下降,從234 HV下降至200 HV左右.這是因?yàn)殡S著奧氏體再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大,固溶合金元素(Si、C、N等)的擴(kuò)散距離隨之增加,固溶強(qiáng)化效果減弱,在不同試樣中表現(xiàn)為其顯微硬度的變化.

圖2 不同保溫時(shí)長(zhǎng)的TWIP鋼顯微硬度Figure 2 Microhardness of the specimens annealed for different time

顯微硬度可以反映材料的綜合的力學(xué)性能,硬度值越高,表明金屬抵制塑性變形能力越大,材料產(chǎn)生塑性變形就越困難.TWIP鋼在保溫初期(0～3 min)顯微硬度下降明顯,說明TWIP鋼在再結(jié)晶過程中力學(xué)性能變化明顯,而15～120 min保溫的硬度曲線平緩,無明顯變化的趨勢(shì),說明TWIP鋼在晶粒長(zhǎng)大階段中力學(xué)性能的變化不是很劇烈.

2.3 退火工藝對(duì)腐蝕性能的影響

將TWIP鋼試樣分別浸泡于5%NaCl溶液中靜置72 h后,不同保溫時(shí)間的TWIP鋼試樣均發(fā)生明顯腐蝕,表面生成暗紅棕色的均勻銹層.

表2是TWIP鋼試驗(yàn)前后增重的情況,表明保溫時(shí)間的不同并沒有對(duì) TWIP鋼腐蝕后增重產(chǎn)生明顯影響.可以認(rèn)為TWIP鋼晶粒尺寸的變化對(duì)其耐腐蝕性能的影響不大.

表2 TWIP鋼腐蝕增重情況Table 2 Weight gain of TWIP steels in NaCl solution

通過SEM觀察TWIP鋼腐蝕后的銹層形貌,并采用EDS對(duì)銹層進(jìn)行成分確定,發(fā)現(xiàn)各腐蝕試樣的表面形貌及腐蝕產(chǎn)物成分均相似.

圖3 TWIP鋼浸泡腐蝕后表面形貌Figure 3 SEM image of TWIP steel after corrosion

以保溫30 min的TWIP鋼試樣為例,圖(3)顯示銹層的形貌為團(tuán)簇狀,均勻分布于整個(gè)腐蝕面,由表3中的腐蝕產(chǎn)物的 EDS測(cè)定結(jié)果可推斷,TWIP鋼在5%NaCl溶液中的腐蝕產(chǎn)物多為Fe2O3.

表3 TWIP鋼腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Table 3 EDS for the corrosion surface of annealing sample(At%)

從腐蝕產(chǎn)物來看,TWIP鋼的腐蝕主要吸氧腐蝕,5%NaCl溶液在試驗(yàn)中起到了提供電解質(zhì)從而使溶液成為電解質(zhì)溶液的作用.TWIP鋼浸泡過程中,發(fā)生了以下的電化學(xué)反應(yīng):

陽極:O2+4e-+2H2O4OH-；

因Fe(OH)2還原能力強(qiáng),繼續(xù)被氧化,最終得到4Fe(OH)2+O2

3 結(jié) 語

本文對(duì)1000℃不同保溫時(shí)長(zhǎng)的TWIP鋼顯微組織、硬度以及耐腐蝕性能進(jìn)行分析比較,得到以下結(jié)論:

1)低Si低Al成分T WIP鋼在1000℃保溫15 min已可以完成再結(jié)晶.時(shí)間越長(zhǎng),晶粒尺寸越大,其內(nèi)部的孿晶生長(zhǎng)也逐漸充分.120 min的保溫處理,可以使TWIP鋼得到內(nèi)部存在大量退火孿晶的平均晶粒尺寸大于100μm的奧氏體組織.

2)隨保溫時(shí)間的增加,低Si低Al成分 TWIP鋼的顯微硬度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì).保溫3 min以內(nèi),顯微硬度急劇下降,保溫15 min后則緩慢下降.

3)不同保溫時(shí)間對(duì)T WIP鋼耐腐蝕性的影響不大.TWIP鋼在NaCl溶液中的腐蝕為均勻吸氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3.

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