汪 聃, 王新福

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院, 陜西 延安 716000)

0 引 言

孿生誘發(fā)塑性(Twining Induced Plasticity, TWIP)鋼是近幾年發(fā)展起來的一種具有極高塑性的新鋼種，其室溫抗拉強(qiáng)度在600 MPa左右，斷裂延伸率達(dá)60%～95%，強(qiáng)塑積高達(dá)45 GPa·%以上，具有極強(qiáng)的緩沖吸能性和突出的沖擊韌性，對(duì)沖擊能量的吸收能力為現(xiàn)有高強(qiáng)度鋼的兩倍甚至更高(20 ℃時(shí)吸收能達(dá)到 0.5 J/mm3)[1-7]。作為一種理想的耐碰撞、抗沖擊結(jié)構(gòu)材料，在航天器、武器裝備及交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，國內(nèi)外有關(guān)TWIP鋼的研究報(bào)道開始增多，其中較大一部分集中在真空感應(yīng)熔煉制備的等軸晶TWIP鋼的組織及性能調(diào)控研究[8-13]。由于其晶體組織一般為取向隨機(jī)分布的等軸晶，因此對(duì)其性能的調(diào)控主要是通過改變晶粒尺寸來實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究表明，與傳統(tǒng)金屬材料一樣，TWIP鋼的強(qiáng)度與塑性也有著明顯的晶粒尺寸依賴性。不同的是，前者晶粒細(xì)化時(shí)，其強(qiáng)度、塑性均會(huì)有所提高，而后者隨著隨晶粒尺寸減小，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度逐漸提高，但延伸率卻下降，反之亦然[14-18]，這顯然不利于TWIP鋼綜合力學(xué)性能(強(qiáng)塑積、吸能性等)的提高。之所以會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，主要在于TWIP鋼獨(dú)特的塑性變形模式以及特有的TWIP效應(yīng)。在小尺寸晶粒中由交滑移引起的非平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)抑制了拉伸變形過程中形變孿晶的產(chǎn)生，而在大尺寸晶粒中則容易形成大量的平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，易促進(jìn)孿生的激發(fā)，而孿生的激發(fā)、孿晶的生長與運(yùn)動(dòng)則直接影響到TWIP效應(yīng)的充分與否，進(jìn)而影響到TWIP鋼的力學(xué)性能[5, 14, 19, 20]。上述研究表明，僅通過改變晶粒尺寸很難實(shí)現(xiàn)TWIP鋼的綜合力學(xué)性能(強(qiáng)塑積、吸能性)的進(jìn)一步提升。

因此，本文擬從調(diào)控晶體形貌的新途徑來入手，采用液態(tài)金屬冷卻定向凝固技術(shù)，通過控制抽拉速度，來制備系列由柱狀晶粒組成的TWIP鋼試樣，利用柱狀晶體的高延展性、低缺陷來提高材料的延伸率，進(jìn)而以顯著提升TWIP鋼的綜合力學(xué)性能。同時(shí)，對(duì)試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)等軸晶TWIP鋼進(jìn)行對(duì)比，希望借此為TWIP鋼的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供參考信息。

1 實(shí) 驗(yàn)

試驗(yàn)用TWIP鋼的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Fe-25Mn-3Al-3Si。傳統(tǒng)等軸晶TWIP鋼試樣由氬氣保護(hù)下的真空感應(yīng)爐制備，經(jīng)鍛造后軋制成8mm的線材，然后再經(jīng)過1 100 ℃×4 h的再結(jié)晶退火獲得。定向凝固試樣以軋制的線材料為原料，經(jīng)去氧化皮，粗拋，超聲清洗、烘干后待用。定向凝固試驗(yàn)采用改進(jìn)的Bridgman晶體生長爐，以液態(tài)金屬錫冷卻(LMC)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。首先升溫熔料，待料完全熔化后勻速澆注入1 500 ℃模殼中，其次將模殼在1 500 ℃靜置保溫30 min，隨后分別以60、120、240 μm/s的抽拉速率制備試樣，并最終進(jìn)行950 ℃×4 h的均勻化熱處理，所得試樣在文中分別用DS60、DS120、DS240表示。

沿定向凝固試樣縱向切取系列標(biāo)距段為6 mm×2 mm×22 mm(寬×厚×長)的啞鈴狀試樣。拉伸試驗(yàn)在Instron 3369型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分別選用3 mm/min、500 mm/min拉伸速率，并與傳統(tǒng)等軸晶試樣(用EG表示)進(jìn)行對(duì)比。金相試樣經(jīng)打磨、拋光后用苦味酸酒精溶液(3 g苦味酸+5 mL鹽酸/100 mL)腐蝕，通過Zeiss光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行觀察表征。試樣物相分析采用飛利浦PANalytical的 X'Pert射線衍射儀，衍射條件：靶型：銅靶；衍射角2θ：30～100°；步長：0.033°。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 定向凝固TWIP鋼的微觀組織形貌與晶粒取向

圖1所示為LMC法制備的TWIP鋼試樣表面宏觀腐蝕照片，其中右上角是圖中矩形框的局部放大圖?？梢钥闯?，通過LMC法制備的試樣，沿著凝固生長方向，其表面具有典型的定向凝固組織特征，大量的柱狀晶及樹枝晶構(gòu)成了整個(gè)試樣的表面組織形態(tài)。

圖1 定向凝固試樣宏觀腐蝕照片，其中右上方為圖中矩形方框的放大照片F(xiàn)ig 1 Macrograph of etched DS samples and the magnified zone of the white rectangular is at the upper right corner

圖2所示的則是4種試樣(EG、DS60、DS120、DS240)的內(nèi)部晶粒形貌特征。其中，圖2(a)為傳統(tǒng)TWIP鋼的典型微觀組織，即大量的等軸晶粒包含有較多的退火孿晶，相應(yīng)的長而平直的孿晶界橫穿整個(gè)奧氏體晶粒，將原始的大晶粒分割成若干小區(qū)域。圖2(b)～(d)所示的分別是DS240、DS120、DS60的微觀組織。隨著抽拉速率的減小，柱晶間距逐漸增大，而晶粒形貌簡化，樹枝晶減少甚至消失，晶界變得更為清晰與平整。值得注意的是，同樣經(jīng)過熱處理，定向凝固試樣中并沒有出現(xiàn)退火孿晶，這主要是由于定向凝固試樣在熱處理前沒有經(jīng)歷晶粒破碎細(xì)化的塑性變形過程而導(dǎo)致的。

圖2 四種試樣的微觀組織形貌：(a)EG，白、黑色箭頭所指的分別是退火孿晶及孿晶界；(b)、(c)、(d)分別是抽拉速率為240 μm/s、120 μm/s、60 μm/s的試樣，黑色箭頭所指是柱狀晶Fig 2 Grain morphologies of four samples: (a) EG, annealing twin and twin boundary are indicated by white and dark arrows, respectively; (b) DS240; (c) DS120 and (d) DS60, typical columnar grains are shown by the dark arrows

圖3所示的是各試樣的XRD衍射圖譜，其中圖3(a)、(b)分別是柱狀晶沿縱向及橫向的XRD圖譜?？梢钥闯觯性嚇泳侨珚W氏體相，柱狀晶縱向(111)面具有最大的衍射強(qiáng)度，而柱狀晶橫向(220)面具有最大的衍射強(qiáng)度，DS120試樣尤為明顯。然而，定向凝固試樣晶體取向并非完全單一，仍含有 [111]、[200]及 [311]等衍射峰，但是衍射強(qiáng)度均明顯減弱，而[220]峰則顯著增強(qiáng)，表明本實(shí)驗(yàn)中合金定向凝固生長擇優(yōu)取向?yàn)?[220]。而其中，當(dāng)抽拉速率為120 μm/s時(shí)，試樣沿[220]取向生長趨勢最強(qiáng)，也意味著最終DS120試樣的晶粒取向一致性最好。

圖3 定向凝固試樣的XRD圖譜：(a)沿凝固試樣縱截面；(b)沿凝固試樣橫截面Fig 3 XRD patterns of DS samples: (a) longitudinal section; (b) transverse section

2.2 定向凝固TWIP鋼的力學(xué)行為

圖4(a)所示的是各試樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖可見，所有試樣的屈服強(qiáng)度相差無幾，但是其流變應(yīng)力水平有著明顯的差異。從初始塑變到斷裂，EG樣始終保持著最高的流變應(yīng)力，緊隨其后的分別是DS240、DS120及DS60。盡管如此，DS試樣的斷后延伸率均高于EG樣，其中DS120有著1.07GPa及0.72的最大真應(yīng)力與應(yīng)變，與之相應(yīng)的EG樣則僅為970MPa及0.54。

圖4(b)所示的是各試樣加工硬化率θ=dσ/dε隨真應(yīng)變?chǔ)抛兓那€。由圖可知，DS樣與EG樣有著截然不同的加工硬化行為。從塑性變形開始到真應(yīng)變?yōu)?.43，EG始終有著高于DS樣的加工硬化率，隨后持續(xù)降低。值得注意的是，試樣的加工硬化率隨應(yīng)變呈現(xiàn)不同的變化趨勢，據(jù)此可將應(yīng)變硬化曲線劃分若干不同的階段，其中EG樣可分為A、B及E3個(gè)階段，而DS樣分為A～E 5個(gè)階段，如圖4(b)中左上角的示意圖所示。在A和E階段，所有樣品的加工硬化率均快速降低，而在B階段均幾乎保持一個(gè)常數(shù)，但對(duì)于DS樣，還出現(xiàn)了硬化率持續(xù)增加的C和硬化率達(dá)到最高值并保持不變的D兩個(gè)階段。其中，DS120的加工硬化率增速最大，當(dāng)真應(yīng)變超過0.43時(shí)，加工硬化率已超過其它所有試樣。

眾所周知，加工硬化系數(shù)H=(dσ/dε)/σ可以作為材料均勻塑性變形失穩(wěn)的判據(jù)以及抵抗頸縮變形局部化能力的表征。由圖4(c)可見，在變形的初始階段，各試樣的H值均快速降低，當(dāng)真應(yīng)變大于0.1時(shí)，H值的降速變緩，直到發(fā)生下一個(gè)快速降低過程，也就意味著變形失穩(wěn)的開始。值得注意的是，當(dāng)真應(yīng)變小于0.27時(shí)，EG樣H值高于所有DS試樣，反之則反。這就表明，EG樣在相對(duì)較小的應(yīng)變區(qū)域而DS樣在大應(yīng)變區(qū)域，各自有著較強(qiáng)的均勻變形能力。塑性變形失穩(wěn)的臨界條件以及頸縮開始的判據(jù)是(dσ/dε)-σ=0。由圖4(c)可知，EG、DS240、DS120及DS60滿足(dσ/dε)-σ=0時(shí)的真應(yīng)變分別為0.56、0.63、0.68、0.65。顯然，EG與DS120分別有著最差與最強(qiáng)的推遲頸縮的能力，也就是說在斷裂之前，DS120將經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)最長的塑性變形過程。

圖4 拉伸應(yīng)變率為2.27×10-3s-1時(shí)的力學(xué)性能：(a)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)加工硬化曲線；(c)應(yīng)變硬化系數(shù)曲線Fig 4 True stress vs. true strain, strain hardening rate vs. true strain and strain hardening coefficient vs. true strain for the four samples. The tests were conducted at a strain rate of 2.27×10-3 s-1

2.3 應(yīng)變率對(duì)傳統(tǒng)、定向凝固TWIP鋼力學(xué)性能影響

EG與DS樣在不同應(yīng)變率下拉伸性能如圖5所示?？梢钥吹?，DS試樣綜合力學(xué)性能優(yōu)于EG樣，最顯著的性能變化是縱向塑性和強(qiáng)塑積的大幅度提高，其中DS120的性能最突出，斷后伸長率達(dá)到107.27%、強(qiáng)塑積更是高達(dá)56 746 MPa·%，較EG分別提高了30%及22.8%，意味著吸能性的極大提升，如此優(yōu)異的性能可能源于其晶粒取向的一致性較其余兩試樣最好。一方面，[220]取向一致性好，利于促進(jìn)試樣塑性變形過程中TWIP效應(yīng)；另一方面，取向一致性好，使得相鄰晶粒之間的具有較好的塑性變形協(xié)調(diào)性，利于塑性變形的持續(xù)進(jìn)行。而500 mm/min(應(yīng)變率3.79×10-1s-1)拉伸結(jié)果表明，各試樣的延伸率及強(qiáng)塑積較3 mm/min(應(yīng)變率2.27×10-1s-1)拉伸結(jié)果均呈現(xiàn)出不同程度的下降。

各試樣在低、高應(yīng)變率拉伸時(shí)的典型力學(xué)性能可見表1。結(jié)果顯示，從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率，EG的抗拉強(qiáng)度變化量為+5.5%，而DS240、DS120、DS60的變化量依次為+0.76%、+0.38%、-0.8%，幾乎沒有變化。相應(yīng)的延伸率變化量分別為-19.06%、-4.87%、-16.94%、-6.45%，強(qiáng)塑積變化量分別為-24.98%、-4.15%、-16.6%及-7.20%。很明顯，EG樣的抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率及強(qiáng)塑積較DS樣變化較大，意味著DS樣對(duì)應(yīng)變率的敏感性較EG樣要低，也就是說，在遭受高速碰撞或沖擊的情況下，DS樣仍能保持較高的能量吸收特性。

圖5 試樣在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig 5 Comparison of tensile stress/strain curves at different strain rate

表1 4種試樣在不同應(yīng)變率下的典型力學(xué)性能Table 1 The typical mechanical properties of four specimens at different strain rate

3 結(jié) 論

(1)定向凝固制備的TWIP鋼試樣有著典型柱狀晶組織。隨著抽拉速率的減小，枝晶間距增大，晶粒形貌更簡化，晶界更清晰。

(2)傳統(tǒng)TWIP鋼與定向凝固試樣分別對(duì)應(yīng)在小應(yīng)變及大應(yīng)力變區(qū)域，各自有著較強(qiáng)的均勻變形能力。此外，兩者有著完全不同的加工硬化行為。

(3)與傳統(tǒng)的TWIP鋼相比，定向凝固試樣沿著柱狀晶縱向的綜合力學(xué)性能明顯改善，其中DS120有著最大的真應(yīng)力與應(yīng)變量，分別是1.07 GPa以及0.72，其斷裂延伸率及強(qiáng)塑積較傳統(tǒng)等軸晶試樣分別提升了30%及22.8%，意味著吸能性得到極大提升。

(4)定向凝固試樣與傳統(tǒng)TWIP鋼相比，前者無明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，意味著在遭受高速碰撞或沖擊時(shí)，前者仍能保持較高的能量吸收特性。