朱旭東 錢(qián)靈鋒 王 華 楊洪宇 陳 璋 何燕霖

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444;2.上海大學(xué)分析測(cè)試中心，上海 200044)

由于汽車輕量化的需求，新一代汽車鋼正逐步在向低密度、高強(qiáng)韌性發(fā)展。其中輕質(zhì)Fe- Mn- Al- C系鋼因?yàn)榫哂辛己玫牧W(xué)性能和輕量化效果而受到廣泛關(guān)注。Park等[1]對(duì)Fe- 0.23C- 8.1Mn- 5.3Al鋼的研究表明，TRIP效應(yīng)可使其強(qiáng)塑積達(dá)到40 GPa%。而Sohn等[2]的研究發(fā)現(xiàn)，TRIP和TWIP效應(yīng)的共同作用使Fe- 0.3C- 8.5Mn- 5.6Al鋼的強(qiáng)塑積高達(dá)56 GPa%。然而，文獻(xiàn)[3]又指出，TRIP效應(yīng)是Fe- 0.18C- 11Mn- 3.8Al鋼獲得60 GPa%以上強(qiáng)塑積的主要原因。而對(duì)Fe- 0.26C- 10.1Mn- 6.3Al鋼[4]而言，在TRIP和TWIP效應(yīng)的共同作用下，其強(qiáng)塑積為37 GPa%左右。由此可見(jiàn)，有關(guān)輕質(zhì)鋼變形機(jī)制對(duì)其性能影響方面的研究還有待深化，以往僅依據(jù)層錯(cuò)能計(jì)算來(lái)界定變形機(jī)制，從而預(yù)測(cè)其性能的方法存在局限性。基于此，本文擬采用原位分析的方法研究高錳輕質(zhì)鋼中奧氏體在拉伸過(guò)程中的變形行為，從而探討不同變形機(jī)制對(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律，以期為該鋼種的研發(fā)提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼采用真空感應(yīng)爐熔煉，其主要化學(xué)成分和熱處理工藝[5]列于表1。將厚度為25 mm的坯料加熱到1 200 ℃保溫2 h均勻化后，熱軋成厚度為3 mm的薄板，開(kāi)軋溫度為1 050 ℃，終軋溫度為900 ℃，最后冷軋成1.4 mm厚的薄板。將熱處理后的A50標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在CMT5305電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，沿軋制方向拉伸，應(yīng)變速率為1×10-3s-1。拉伸后對(duì)樣品進(jìn)行金相、SEM、TEM、XRD等組織分析。利用輔以微型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的X射線應(yīng)力儀對(duì)拉伸過(guò)程中殘留奧氏體含量進(jìn)行測(cè)定。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及熱處理工藝Table 1 Chemical compositions (mass fraction, %) and heat treatment processes of the investigated steel

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖1為經(jīng)不同工藝熱處理后3種試驗(yàn)鋼的顯微組織。可以看出，試驗(yàn)鋼的組織均由鐵素體和奧氏體組成。經(jīng)較高溫度處理的2號(hào)試驗(yàn)鋼中的奧氏體明顯比1號(hào)試驗(yàn)鋼的粗大，3號(hào)低錳試驗(yàn)鋼中鐵素體的含量明顯較多。

圖1 試驗(yàn)鋼熱處理后的SEM形貌Fig.1 SEM morphologies of the test steels after heat treatment

圖2為經(jīng)不同工藝熱處理后3種試驗(yàn)鋼的XRD分析結(jié)果。圖3(a)和圖3(b)分別為試驗(yàn)鋼拉伸前后奧氏體體積分?jǐn)?shù)和拉伸后奧氏體中碳含量。可見(jiàn)，3種試驗(yàn)鋼的組織均由除鐵素體和奧氏體組成。隨著熱處理溫度的升高，奧氏體含量增加；與拉伸前試樣相比，拉伸后試驗(yàn)鋼中奧氏體含量明顯減少；此外，3號(hào)試驗(yàn)鋼中奧氏體的碳含量最高。

TEM觀察發(fā)現(xiàn)，拉伸后的1號(hào)和2號(hào)試驗(yàn)鋼中存在ε馬氏體和變形孿晶，如圖4所示。而拉伸后的3號(hào)試驗(yàn)鋼中出現(xiàn)了α’馬氏體，如圖5所示。

圖2 3種試驗(yàn)鋼熱處理后的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of the three test steels after heat treatment

圖3 試驗(yàn)鋼拉伸前后奧氏體含量(a)和拉伸后奧氏體中碳含量(b)Fig.3 Austenite content in the test steels before and after tensile test (a) and carbon content in austenite after tensile test (b)

圖4 1號(hào)和2號(hào)高錳試驗(yàn)鋼的TEM分析結(jié)果Fig.4 TEM analysis results of the higher- manganese test steels No.1 and No.2

圖5 3號(hào)低錳試驗(yàn)鋼的TEM分析結(jié)果Fig.5 TEM analysis results of the lower- manganese test steel No.3

2.2 力學(xué)性能

表2為不同工藝熱處理后3種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能測(cè)量結(jié)果，圖6為試驗(yàn)鋼的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。從表2中可以看出，隨著熱處理溫度的升高，與1號(hào)試驗(yàn)鋼相比，2號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度升高，斷后伸長(zhǎng)率下降。與1號(hào)高錳試驗(yàn)鋼相比，3號(hào)低錳試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度更高，而斷后伸長(zhǎng)率則偏低。

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the test steels

圖6 3種試驗(yàn)鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線Fig.6 Engineering stress- engineering strain curves of the three test steels

2.3 拉伸過(guò)程中奧氏體含量變化的原位分析

圖7為3種試驗(yàn)鋼在拉伸過(guò)程中奧氏體含量的原位分析。可以看出，1號(hào)試驗(yàn)鋼在變形量30%以內(nèi)，奧氏體含量基本沒(méi)有變化，但在斷裂前10%應(yīng)變量的變形過(guò)程中，奧氏體體積分?jǐn)?shù)下降了4.7%；2號(hào)試驗(yàn)鋼在斷裂前5%應(yīng)變量的變形過(guò)程中，奧氏體體積分?jǐn)?shù)下降了10.3%；而3號(hào)試驗(yàn)鋼在變形過(guò)程中，奧氏體含量持續(xù)下降，且?jiàn)W氏體轉(zhuǎn)變量最大。

3 分析與討論

采用式(1)[6]計(jì)算試驗(yàn)鋼的層錯(cuò)能：

τ=2ρΔGγ→ε+2σγ/ε

(1)

采用式(1)計(jì)算得出1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試驗(yàn)鋼的層錯(cuò)能分別為29.9、29.1和23.5 mJ/m2。Grssel[7]、Curtze等[8- 10]的研究均指出，當(dāng)層錯(cuò)能高于20 mJ/m2時(shí)，F(xiàn)e- Mn- Al- C系鋼組織主要變形機(jī)制為T(mén)WIP效應(yīng)。而本研究中試驗(yàn)鋼的層錯(cuò)能均高于20 mJ/m2，因此其變形機(jī)制均以TWIP效應(yīng)為主。

圖7 試驗(yàn)鋼拉伸過(guò)程中奧氏體含量的原位分析Fig.7 In- situ analysis of austenite content in the test steels during tensile test

結(jié)合試驗(yàn)鋼拉伸過(guò)程中奧氏體相變行為的原位分析與顯微組織觀察，即圖4、5、7可以看出，相比1、2號(hào)試驗(yàn)鋼，3號(hào)鋼中并沒(méi)有出現(xiàn)孿晶，而是存在明顯的α’馬氏體，這與層錯(cuò)能的預(yù)測(cè)結(jié)果并不一致。而且3號(hào)鋼的奧氏體中碳含量較高，穩(wěn)定性較好，在拉伸過(guò)程中發(fā)生了奧氏體向α’馬氏體的漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變[11]，這種顯著的TRIP效應(yīng)使得該鋼具有較高的強(qiáng)度，且斷后伸長(zhǎng)率也有所改善，其強(qiáng)塑積甚至優(yōu)于錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%左右的2號(hào)鋼。

表3 試驗(yàn)鋼的相平衡成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Phase equilibrium compositions of test steels(mass fraction) %

而1號(hào)、2號(hào)試驗(yàn)鋼拉伸后組織中變形孿晶的出現(xiàn)說(shuō)明了TWIP效應(yīng)的存在，這與層錯(cuò)能計(jì)算結(jié)果相吻合，正是這種TWIP效應(yīng)使得試驗(yàn)鋼具有高的斷后伸長(zhǎng)率。由圖7的原位分析可見(jiàn)，2號(hào)試驗(yàn)鋼中的奧氏體在拉伸斷裂前5%左右應(yīng)變量?jī)?nèi)發(fā)生了向ε馬氏體的轉(zhuǎn)變。研究指出[12]，ε馬氏體是一種過(guò)渡相，六方結(jié)構(gòu)的ε馬氏體比面心立方的α’馬氏體滑移面少，而且通常出現(xiàn)在孿晶附近，其形成時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)易使基體中產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼發(fā)生斷裂，因此，ε馬氏體的瞬時(shí)相變必然會(huì)對(duì)γ→α’的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生抑制作用[13- 17]。隨著熱處理溫度的升高，奧氏體含量增加，奧氏體中碳含量下降，其穩(wěn)定性變差，從而使得ε馬氏體的瞬時(shí)相變更為顯著，綜合力學(xué)性能變差。因此，2號(hào)試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能低于1號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)鋼。

4 結(jié)論

(1)3種試驗(yàn)鋼經(jīng)熱處理后的室溫組織均由鐵素體和奧氏體組成，隨著熱處理溫度的升高，奧氏體含量增加，奧氏體中碳含量降低，其穩(wěn)定性變差；而低錳的3號(hào)試驗(yàn)鋼中鐵素體含量明顯較高。

(2)3種試驗(yàn)鋼的層錯(cuò)能均介于20～30 mJ/m2之間，高錳試驗(yàn)鋼表現(xiàn)出明顯的TWIP效應(yīng)，低錳試驗(yàn)鋼經(jīng)拉伸后奧氏體含量明顯降低，組織中出現(xiàn)了α’馬氏體，經(jīng)原位分析可以看出，該試樣在拉伸變形過(guò)程中呈現(xiàn)出漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變的相變誘發(fā)塑性作用，其力學(xué)性能甚至優(yōu)于高錳的2號(hào)試驗(yàn)鋼。

(3)高錳試驗(yàn)鋼中奧氏體碳含量越低，穩(wěn)定性越差，其向ε馬氏體的瞬時(shí)相變行為越顯著，從而抑制了γ→α’的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其綜合力學(xué)性能降低。