代曉莉 郭 佳 劉 杰

(1. 首鋼技術(shù)研究院，北京 100043； 2. 綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043)

近年來，汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，已逐步成為發(fā)達(dá)國家的支柱產(chǎn)業(yè)。但是隨著人們對(duì)環(huán)境、安全、節(jié)能等要求的進(jìn)一步提高，汽車用鋼的高強(qiáng)度、減重問題也越來越受到世界范圍內(nèi)汽車鋼行業(yè)的重視。相關(guān)研究表明，在同等條件下，汽車整車質(zhì)量每降低10%，油耗可降低8%～10%[1- 2]。因此，各大鋼鐵企業(yè)開始著力發(fā)展汽車用高強(qiáng)度鋼板，以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化[3- 4]。

現(xiàn)代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼有多種，如烘烤硬化(bake hardening, BH)鋼、相變誘導(dǎo)塑性(twinning induced plasticity, TRIP)鋼、孿晶誘發(fā)塑性(twinning induced plasticity, TWIP)鋼等。其中TWIP鋼是目前研究較廣泛的第二代超高強(qiáng)度鋼，不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性、高能量吸收能力，還有因變形孿晶導(dǎo)致的高加工硬化性能[5- 6]。從現(xiàn)代汽車用鋼對(duì)高強(qiáng)度和高塑性的要求來看，TWIP鋼是最佳選擇。該鋼種多用于制造變形程度大且安全要求高的車身零部件，如保險(xiǎn)杠、A柱、橫梁等。安賽樂米塔爾和浦項(xiàng)等均已成功研發(fā)出TWIP鋼，并供一些汽車企業(yè)使用。國內(nèi)目前僅鞍鋼和寶鋼具備TWIP鋼的工業(yè)化生產(chǎn)能力，但尚處于起步階段。

TWIP鋼的成分主要是Fe，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～30%的Mn，并加入一定量的Al和Si，還加入少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti、Nb等[7- 8]。本文采用控軋控冷工藝制備了不同錳含量(5%～20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))熱軋TWIP鋼，研究了錳對(duì)鋼的顯微組織、力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種不同成分的熱軋TWIP鋼，編為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)，對(duì)應(yīng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、15%和20%。采用50 kg真空感應(yīng)爐冶煉試驗(yàn)鋼，其實(shí)際檢測成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the experimental steels (mass fraction) %

將試驗(yàn)鋼坯料加熱到1 200 ℃，保溫2 h使坯料溫度均勻化，然后采用粗軋、精軋控制軋制。粗軋階段開軋溫度為1 150 ℃左右，每道次變形量設(shè)為20%～30%，以充分細(xì)化奧氏體晶粒，粗軋后空冷至950 ℃進(jìn)行精軋。精軋前兩個(gè)道次變形量為25%，目的是在奧氏體晶粒內(nèi)部形成高密度的形變帶，為后續(xù)相變過程提供更多的形核點(diǎn)，精軋最后一個(gè)道次采取小壓下量來控制板形?？紤]到鋼的熱變形抗力高，為減輕熱軋輥的負(fù)荷，終軋溫度設(shè)為900 ℃左右。軋制成品厚度為7 mm。為了防止變形奧氏體晶粒在相變前冷卻過程中長大，水冷至600 ℃左右空冷。

沿鋼板縱向切取拉伸試樣，拉伸試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行；金相試樣經(jīng)磨拋后在4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液中浸蝕10 s左右，然后在掃描電鏡下觀察其微觀組織及拉伸斷口形貌；采用多功能X射線衍射儀測定鋼中殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，并利用掃描電鏡的EBSD(電子背散射衍射)附件對(duì)鋼中的孿晶進(jìn)行定量分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

不同錳含量熱軋TWIP鋼的微觀組織如圖1所示。

圖1 熱軋TWIP鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of the hot- rolled TWIP steel

XRD測得1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)鋼中殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為10.9%、100%和100%。

為了進(jìn)一步了解試驗(yàn)鋼的孿晶變形行為，觀察變形過程中微觀組織的變化規(guī)律，對(duì)2號(hào)試驗(yàn)鋼分別施加6%、10%和20%的預(yù)應(yīng)變，并以10-3s-1的速率進(jìn)行拉伸，再對(duì)預(yù)拉伸試樣進(jìn)行EBSD微觀組織表征。圖2分別為經(jīng)6%、10%和20%變形的試驗(yàn)鋼中的孿晶組織形貌?？梢钥闯觯S著變形量的增加，試驗(yàn)鋼中的形變孿晶明顯增多，孿晶比例由6.5%提高到8.2%，晶粒尺寸減小。

當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(如5%)時(shí)，在一般的軋制條件下基本不能得到單一的奧氏體組織，難以達(dá)到高錳鋼的性能，一般不會(huì)發(fā)生TWIP效應(yīng)。

當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于15%時(shí)，常溫下可以得到單一奧氏體組織，并得到體積分?jǐn)?shù)約8%的片狀孿晶組織。施加一定的外加載荷后，奧氏體晶粒內(nèi)部尤其是在孿晶中會(huì)產(chǎn)生一定量的形變孿晶，孿晶比例隨著外加載荷的增加而增加。由于孿晶界會(huì)阻礙位錯(cuò)移動(dòng)和滑移變形，孿生變形被不斷的激發(fā)，從而延遲頸縮的發(fā)生，有效提高了試驗(yàn)鋼的延展性。同時(shí)， 由于孿生變形會(huì)改變晶體位向，使某些原來處于不利的滑移系轉(zhuǎn)化到有利于發(fā)生滑移的位置，從而使滑移系發(fā)生運(yùn)動(dòng)；孿生變形增加了塑性變形的方式，這些都有利于基體金屬均勻變形；孿生變形本身也有一定的塑性形變量，所以孿生變形有利于提高基體金屬的塑性。

圖2 試驗(yàn)鋼的孿晶組織形貌Fig.2 Twin morphologies of the experimental steels

2.2 力學(xué)性能

試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率Fig.3 Yield strength, tensile strength and elongation of the experimental steels

圖3顯示，當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%升高到15%時(shí)，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯降低；當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%升高到20%時(shí)，強(qiáng)度下降減緩，且屈服強(qiáng)度在Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)略有提高。隨著Mn含量的提高，斷后伸長率逐漸增加，當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)達(dá)到最高，為69%。

雖然Mn是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體組織的作用。隨著Mn含量的不斷增加，鋼中奧氏體不斷增多， 馬氏體逐漸減少，馬氏體為組織中的硬相，主要為鋼材提供強(qiáng)度，所以宏觀上表現(xiàn)為試驗(yàn)鋼的塑性和韌性提高、強(qiáng)度降低。

2.3 斷口分析

試驗(yàn)鋼的拉伸斷口形貌如圖4所示。Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的1號(hào)鋼發(fā)生了脆性斷裂，宏觀形貌比較齊平光滑， 斷口有解理臺(tái)階，類似于“花瓣”、“河流”狀的大面積解理，在脆斷面上分布著一些滑移線，這些條帶可能是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)到一定程度分離后留下的痕跡。這種現(xiàn)象說明,在拉伸變形過程中晶體發(fā)生了滑移， 其斷口呈滑移分離的斷口形貌。Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的2號(hào)鋼的斷口呈少量韌窩與解理混合的斷口形貌，韌性介于1號(hào)和2號(hào)鋼之間。Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的3號(hào)鋼的斷口宏觀形貌粗糙，色澤灰暗，呈纖維狀，有大量細(xì)小、等軸狀韌窩，說明試驗(yàn)鋼在變形過程中發(fā)生了韌性斷裂。

圖4 試驗(yàn)鋼拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of the experimental steels

3 結(jié)論

(1)隨著Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加到20%，試驗(yàn)鋼中奧氏體不斷增多，馬氏體逐漸減少，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度降低、塑性和韌性提高。當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%時(shí)，強(qiáng)度下降趨勢減緩，屈服強(qiáng)度在Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)略有提高；當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，斷后伸長率最高，為69%。

(2)當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到約15%后，試驗(yàn)鋼為完全奧氏體組織，拉伸試樣的斷裂方式由解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩斷裂。

(3)當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(如5%)時(shí)，在一般的軋制條件下基本得不到單一的奧氏體組織；當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于15%時(shí)，常溫下可以得到單一奧氏體組織，并且伴有片狀孿晶組織。