李世偉，袁 清，彭其春，肖愛達，徐 光，薛正良

(1. 武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 湖南華菱漣源鋼鐵有限公司技術中心，湖南 婁底，417009)

近年來，面對日益嚴重的環(huán)境污染和巨大的能源壓力，汽車輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，汽車輕量化主要集中在車身、底盤、動力系統(tǒng)等結構材料的輕量化方面，途徑包括使用低密度鎂合金、鋁合金替代材料或者開發(fā)新型輕質高強鋼來替代傳統(tǒng)鋼材。鎂鋁合金材料的機械性能及焊接性能較差，成型工藝復雜且成本較高，這使得未來的汽車車身仍將以輕質高強鋼作為主要結構材料。研究表明，Al元素可降低材料的平均摩爾質量和晶格膨脹系數，從而降低鋼材密度[1-3]，在鋼中每添加1%的Al，其密度約下降1.3%[2]。目前研究中，低密度鋼大多是高錳高鋁鋼，即通過相變誘發(fā)塑性、孿晶誘發(fā)塑性等強化機制實現高強韌性[4-5]。Fe-Mn-Al-C系低密度鋼兼具優(yōu)良的成型性能和焊接性能，在汽車工業(yè)領域具有廣闊的應用前景[6]，但Al元素的大量添加會導致冶煉過程中鋼液的可澆注性大大降低[7]，難以實現工業(yè)化生產。

為此，本文設計了一種Mn、Al含量均較低的低密度鋼，采用Gleeble 3500熱模擬試驗機對其在760～1200 °C的溫度范圍的高溫熱塑性進行研究，以期為該鋼種實際生產過程中矯直溫度及熱軋溫度的確定提供依據。

1 實驗

實驗材料為一種低Mn-Al系低密度鋼，其化學成分如表1所示。實驗鋼冶煉在50 kg真空感應爐中進行，隨后澆鑄成鋼錠，鑄錠高度為350 mm，大頭直徑為180 mm，小頭直徑為130 mm。將鋼錠加熱至1200～1250 ℃均勻化處理1.5～2 h后，鍛造成 60 mm的圓棒，初鍛溫度為1100 ℃，終鍛溫度為850 ℃，鍛后空冷至室溫。

表1 實驗鋼的化學成分

實驗鋼的高溫熱塑性測試在Gleeble 3500型熱模擬試驗機上進行，試樣尺寸見圖1。具體步驟為：在氬氣保護下，將試樣以15 ℃/s加熱至1200 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s的冷卻速率分別冷卻至760～1200 ℃不等，共11個溫度間隔點(由于微合金鋼第三脆性區(qū)一般出現在低溫區(qū)，故在760～850 ℃區(qū)間，以30 ℃為間隔設定拉伸溫度，850 ℃以上時，拉伸溫度間隔設置為50 ℃)，保溫1 min，隨后均以應變速率0.01 s-1進行熱拉伸實驗，并記錄拉伸過程中的應力和應變。拉斷后，將試樣快冷到室溫，以保留其高溫狀態(tài)下的組織和斷口形貌。

圖1 熱拉伸試樣尺寸

實驗完成后，繪制不同溫度下實驗鋼的應力-應變曲線，得到對應溫度下鋼的抗拉強度。使用超聲波清洗機清洗拉伸斷口，除去斷口表面氧化層，然后采用XTL-5000型體視顯微鏡和Nova 400 Nano型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察各試樣斷口形貌，利用Photoshop 2021軟件測量斷口室溫狀態(tài)下的斷面面積，計算得到各試樣的斷面收縮率RA(RA=(A0-A)/A×100%)。在斷口附近處取樣并制成金相試樣，依次經打磨、拋光并用4%硝酸酒精侵蝕后，采用Zeiss光學顯微鏡觀察各試樣的金相組織。

2 結果及討論

2.1 斷口形貌表征

圖2所示為不同拉伸溫度下鋼樣的斷口形貌。由圖2可以看出，當拉伸溫度較低時(不超過850 ℃)，試樣斷口上可以觀察到尺寸和深淺均不同的孔洞，斷口面積相對較大，而當拉伸溫度升高至900 ℃及以上時，試樣斷口處幾乎觀察不到明顯的孔洞，斷口近乎光滑平直，并且隨著拉伸溫度的升高，拉伸斷口逐漸呈現錐形。另外，當拉伸溫度超過1000 ℃時，可以明顯觀察到試樣斷口表面發(fā)生了輕微熔化。

(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃

(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃

(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃

(j)1150 ℃ (k)1200 ℃

圖3所示為不同拉伸溫度下鋼樣斷口的SEM照片(放大倍數為1000倍)。由圖3可見，試樣在760～900 ℃下進行熱拉伸實驗時，斷口處均有韌窩產生；拉伸溫度為760 ℃，試樣斷口形貌表現為深淺和大小不同的韌窩，拉伸溫度為790 ℃時，試樣表現為沿晶斷裂，韌窩數量減少且大小分布不均勻，該過程中，由于應力集中使得裂紋優(yōu)先在原奧氏體晶界處析出的較軟的鐵素體中產生，隨著拉伸的不斷進行，裂紋沿晶界長大，最終導致試樣斷裂；拉伸溫度為820 ℃時，斷口表現出穿晶延性斷裂特征，韌窩數量增多，其大小分布仍不均勻；拉伸溫度為850 ℃時，斷口表現為韌窩及準解理形貌，韌窩數量減少而尺寸變大，大小分布較不均勻；900 ℃溫度下拉伸時，斷口為大小和深淺不同的等軸韌窩；拉伸溫度升至950～1050 ℃時，試樣的斷裂表面較為平坦；而1100 ℃以上拉伸時，試樣斷口處有液膜出現，斷口不再平坦，其中拉伸溫度為1100 ℃時，試樣頸縮使該斷口芯部產生了較深的孔洞。

(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃

(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃

(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃

(j)1150 ℃ (k)1200 ℃

2.2 斷口附近的顯微組織

圖4所示為不同拉伸溫度下鋼樣斷口附近區(qū)域的顯微組織。由圖4可見，當拉伸溫度較低(低于900 ℃)時，試樣斷口附近組織以鐵素體(F)、貝氏體(B)以及珠光體(P)為主；當拉伸溫度為900 ℃時，鐵素體晶粒明顯粗化，珠光體數量減少，貝氏體板條清晰可見；拉伸溫度為950 ℃時，組織中可以觀察到大面積的貝氏體區(qū)，鐵素體呈網狀分布，珠光體數量進一步減少；隨著拉伸溫度升高至1050 ℃以上，斷口附近組織以貝氏體和鐵素體為主，鐵素體呈現網狀分布特征。實驗鋼快速冷卻后最終得到貝氏體+鐵素體組織，這是因為試樣拉斷后的冷卻速度小于20 ℃/s，并且保溫和從變形開始到拉斷過程共耗時1.5 min，足以完成鐵素體或者貝氏體相變。

(a)760 ℃ (b)790 ℃ (c)820 ℃

(d)850 ℃ (e)900 ℃ (f)950 ℃

(g)1000 ℃ (h)1050 ℃ (i)1100 ℃

(j)1150 ℃ (k)1200 ℃

2.3 高溫熱塑性

圖5為利用光學體視顯微鏡拍攝得到的各試樣拉伸斷口的三維形貌照片(左側圖放大倍數為30倍，右側圖放大倍數為100倍)。從圖5可以看出，隨著拉伸溫度的升高，試樣拉伸斷口逐漸變得平滑，由低溫條件下(不超過850 ℃)的褶皺起伏狀轉變?yōu)楦邷貤l件下較為平直的狀態(tài)；900 ℃以下溫度拉伸時，試樣斷口的起伏較大、深淺不一，并且拉伸溫度為850 ℃時，試樣斷口中心的凹陷洞最深。此外，從圖5中還可以觀察到，在900 ℃以上拉伸時試樣斷口面積明顯小于850 ℃以下拉伸試樣的斷口面積，表明實驗鋼在900～1200 ℃溫度范圍的熱塑性優(yōu)于在760～850 ℃溫度區(qū)間的熱塑性。

(a)760 ℃ (b)790 ℃

(c)820 ℃ (d)850 ℃

(e)900 ℃ (f)950 ℃

(g)1000 ℃ (h)1050 ℃

(i)1100 ℃ (j)1150 ℃

(k)1200 ℃

實驗鋼的熱拉伸應力-應變曲線和拉伸強度與溫度的關系如圖6所示。由圖6(b)可見，隨著拉伸溫度的升高，試樣抗拉強度總體呈下降趨勢。這是因為拉伸溫度高對應實驗鋼的變形抗力減小(見圖6(a))，材料易于發(fā)生塑性變形。760 ℃拉伸時，實驗鋼的抗拉強度最高達到175 MPa。

(a)不同溫度下應力-應變曲線 (b)抗拉強度與溫度的關系

實驗鋼斷面收縮率隨拉伸溫度的變化曲線如圖7所示。斷面收縮率是衡量金屬熱塑性能的重要指標，一般認為，當RA<60%時，材料的熱塑性較差，并將該溫度段定義為塑性凹槽區(qū)或塑性低谷區(qū)。由圖7可知，實驗鋼在790 ℃拉伸時，斷面收縮率最低僅為54.45%，該溫度處于實驗鋼的塑性低谷區(qū)，亦即第三脆性區(qū)。出現第三脆性區(qū)的原因是該溫度區(qū)間對應實驗鋼的鐵素體和奧氏體雙相區(qū)，強度較低的鐵素體沿奧氏體晶界析出，拉伸過程所產生的應力導致變形在鐵素體軟相中累積并產生微孔，在后續(xù)拉伸過程中，微孔聚集長大，發(fā)展成裂紋，最終導致試樣斷裂。當拉伸溫度降低到760 ℃，鐵素體不僅在晶界處析出，還可以在奧氏體晶粒內部析出，這樣就使得晶界處與晶粒內的強度差值減小，避免應力在晶界處集中，材料的塑性反而得到提升。拉伸溫度超過820 ℃時，實驗鋼的熱塑性能顯著提升，這可能是因為高溫下拉伸時試樣組織發(fā)生了動態(tài)再結晶，伴隨著再結晶晶粒形核和長大，基體中缺陷減少，延緩了裂紋產生。隨著拉伸溫度進一步提升至950℃及以上時，實驗鋼的RA超過97%，仍表現出較好的熱塑性，并沒有出現第一脆性區(qū)，這是因為最高拉伸溫度(1200 ℃)還未達到鋼的熔點溫度，晶界強度沒有下降。工業(yè)生產應用中，一般要求材料的斷面收縮率在80%以上，故實驗鋼應避免在760～820 ℃溫度范圍進行軋制或連鑄壓下，以防裂紋產生。

圖7 實驗鋼斷面收縮率隨熱拉伸溫度的變化

3 結論

(1)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼在850～1200 ℃溫度拉伸時，具有良好的高溫熱塑性，其斷面收縮率大于86%。

(2)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼在760～820 ℃溫度區(qū)間熱塑性相對較低，斷面收縮率均小于80%，790 ℃溫度拉伸時，鋼樣斷面收縮率僅為54.45%，表現為明顯的第三脆性區(qū)。實際工業(yè)生產應用中，要求鋼種的斷面收縮率大于80%，故該鋼種應避免在760～820 ℃溫度區(qū)間進行熱軋或連鑄壓下，以避免裂紋萌生及擴展。

(3)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼出現塑性低谷的原因是先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，使晶界處強度降低，應力在奧氏體晶界處集中導致較軟的鐵素體中產生微孔或裂紋，最終導致材料斷裂。

(4)低錳鋁系Fe-Mn-Al-C低密度鋼的抗拉強度隨著拉伸溫度的升高而降低，760 ℃拉伸時，實驗鋼的抗拉強度最高達到175 MPa。