高錳鋁Fe－26Mn－6Al－C鋼組織性能研究

何剛，荊濤，孟偉，閻培澤，趙瑛珺

(1.遼寧冶金職業技術學院，遼寧 本溪 117022;2.本溪鋼鐵集團公司質量管理中心，遼寧 本溪 117000;3.本溪鋼鐵集團公司熱連軋廠，遼寧 本溪 117000)

汽車輕量化是汽車發展的主要方向，而減輕車身材料的質量是減輕車重的有效途徑。由此，許多鋼鐵企業競相研發和采用先進高強鋼，如 TRIP(transformationinduced plasticity)鋼、DP(dual phase)鋼、TWIP(twinning induced plasticity)鋼和馬氏體鋼等。

TRIP鋼——相變誘發塑性(TRIP)鋼，其高延展性來源于應變條件下亞穩態殘余奧氏體向馬氏體的轉變。這一轉變伴隨著體積膨脹，導致應變期間應變硬化系數的局部增加。這阻礙了縮頸的發生，使其均勻性和總延伸率得到提高，因而具有高強度和高延展性的優點，更適用于沖壓成形。TWIP(Twins Induced Plasticity)鋼通常是指錳的質量分數為15%～30%的高錳鋼。這種鋼的微觀結構與錳含量密切相關，能夠在塑性變形的過程中表現出較高的延展性和優越的強度特性。TWIP效應又稱孿生誘發塑性效應，是指超高錳鋼中因為機械孿生的形成而具有不尋常的塑性。TWIP鋼具有高加工硬化率、高延展性、高強度等一系列特殊的機械性能。該鋼在變形后基體中存在大量細小的形變孿晶，室溫下可具有相變誘導塑性和孿晶誘導塑性的TWIP效應，因而具有高的強度(1000 MPa以上)和極高的伸長率(60% ～90%)。

文中研究的Fe-26Mn-6Al-C鋼，是在拉伸條件下，通過對其應力應變曲線的分析以及在不同變形量時微觀組織的觀察，得出其組織性能之間的關系及強化機制。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料[2－3]

高錳鋼中加入較高含量的鋁，將提高奧氏體中的層錯能，抑制TRIP效應和TWIP效應的發生。材料發生應變時，將通過產生剪切帶而誘發塑性，即SIP(Shear Band Induced Plasticity)。由此實驗材料選用Fe-26Mn-6Al-C鋼板，軋制后產品的厚度為3 mm。合金化學成分的質量分數分別為:錳26%，鋁6%，碳1%，余量為鐵。對實驗材料進行固溶和時效處理，其中時效時間分別為2，5，15，60 min。試驗主要研究的是高錳高鋁鋼，在成分設計上首先考慮其具有較高的錳含量，從而保證在原始組織中產生一定量穩定的奧氏體組織。另外，為了使奧氏體具有較高的層錯能，試驗鋼中還應含有較高含量的鋁。考慮到化學成分對試驗鋼性能的影響，綜合各種因素，最終成分設計將錳的質量分數定為26%。

1.2 材料制備

在真空感應電爐中熔煉實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼，澆注成50 kg坯料，坯料經扒皮去頭后在1100℃保溫2 h，先粗軋至25 mm，然后用6道次熱軋至4 mm，終軋溫度為950℃，道次間板料都重新加熱至1100℃，并用氫氣作保護。軋至4 mm的熱軋板待板溫降至400℃時，立即送至設定溫度為400℃的馬弗爐中模擬卷取過程，30 min后取出空冷至室溫。冷卻至室溫的熱軋板用含鹽酸(10%)的80℃的水溶液酸洗后冷軋至3 mm。從冷軋板上按ASTMES標準加工拉伸試樣，軋制方向為縱向平行。

1.3 實驗鋼拉伸試樣的加工及熱處理工藝

在加工拉伸試樣時，第1步是將實驗用Fe-26Mn-6Al-C鑄錠加熱至1100℃并保溫2 h，去除氧化皮后在1100℃左右開軋的實驗制度，主要是考慮到保溫時間太長會使得奧氏體晶粒粗大，不利于獲得細小均勻的鐵素體和第二相晶粒;保溫時間過短，會影響實驗鋼的奧氏體化，并對軋制后的晶粒尺寸也有影響。第2步是將實驗鋼熱軋成3～4 mm厚的板材，具體的軋制工藝如下所述。第3步是將實驗鋼加工成板狀拉伸試樣。拉伸試樣分2種:直接熱軋后的拉伸試樣;經過固溶處理后的拉伸試樣，其熱處理工藝是固溶處理淬火，即為將試樣加熱到1100℃保溫1 h后水冷。

2 實驗結果與分析

2.1 組織成分分析

將實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼加熱至1100℃，保溫2 h，熱軋至3 mm，水冷至400℃以下，以防止碳化物過度析出。再將熱軋后的材料在1100℃下保溫2 h進行固溶處理，水冷至常溫。實驗鋼固溶后的金相組織如圖1所示。

圖1 Fe-26Mn-6Al-C鋼固溶后組織Fig.1 The structure of Fe-26Mn-6Al-C steel after solution treatment

由圖1可見，實驗鋼在經過固溶處理后為穩定單一的奧氏體組織，晶粒在20 μm左右，相鄰晶粒晶界夾角為120°。晶粒內部存在有一定量的退火孿晶，這可能是由于試驗鋼中鋁含量不高，鋼中奧氏體層錯能依然在一個較低的范圍內，經過長時間的固溶保溫后形成了一定數量的退火孿晶。

實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼透射電鏡照片如圖2所示。由圖2可見，除了奧氏體晶粒內部存在退火孿晶外，在晶界處可見位錯塞積。這是由于在固溶處理后水冷時，冷卻速度較大，不同部位降溫速度不同，晶粒間產生一定的熱應力，熱應力集中造成了晶界處的位錯塞積。

圖2 Fe-26Mn-6Al-C鋼TEM照片Fig.2 The TEM photos of Fe-26Mn-6Al-C steel

2.2 不同變形量下的組織分析[4－5]

將熱軋后的實驗鋼用電火花線切割加工成拉伸試樣，進行拉伸試驗。變形速率為10－3s－1。試驗鋼在4%，10%，24%變形量下的金相照片如圖3所示。經過固溶處理后，實驗鋼的組織中有一定量退火孿晶出現。實驗鋼依然為完全奧氏體，并且不隨拉伸而發生組織改變。

圖3 不同變形量下Fe-26Mn-6Al-C鋼金相組織Fig.3 The microstructure of Fe-26Mn-6Al-C steel under different deformations

由圖4可以看到，沿與軋制方向呈45°角切取拉伸試樣，其抗拉強度為1020 MPa以上，伸長率為40%;而與軋制方向呈90°角切取拉伸試樣，其抗拉強度為1070 MPa，伸長率為47%，兩者大致相同。這說明試驗鋼經過軋制后，各方向上的拉伸力學性能沒有明顯的差異。這可能是由于試驗鋼有較大的奧氏體區，軋制后的試驗鋼經過水冷后，依然保持穩定單一的奧氏體，并且由于奧氏體具有較多的滑移系，使得試驗鋼在軋制平面內沿不同方向上的力學性能大致相同，即在軋制平面內各向異性表現不明顯。

圖4 與軋制方向不同角度切取拉伸試樣所得Fe-26Mn-6Al-C鋼的應力-應變曲線Fig.4 The stress-strain curves of Fe-26Mn-6Al-C steel tensile specimens cut from different angles with rolling direction

實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼經1100℃固溶處理后應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可見，實驗鋼經過固溶處理后，抗拉強度為800 MPa，伸長率為57%。與熱軋后拉伸試樣應力-應變曲線對比可得，試驗鋼經過固溶處理后抗拉強度有了較大的下降，伸長率得到了一定的提高。這說明固溶處理能夠很好地消除試驗鋼在熱軋時形成的加工硬化，使試驗鋼的塑性得到了較大的提高。

圖5 實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼經1100℃固溶處理后應力-應變曲線Fig.5 The stress-strain curves of Fe-26Mn-6Al-C steel specimens with solution treatment at 1100℃

為了確定實驗鋼不同拉伸變形階段的組織組成，以及實驗鋼拉伸變形過程中的主要變形機制，對其變形前后的組織進行了X射線衍射分析。

熱軋后狀態的實驗鋼未經固溶處理切取拉伸試樣，經過拉伸試驗前后的X射線衍射花樣如圖6所示。由衍射花樣可以看到在拉伸變形前后，只有面心立方的衍射峰，而沒有體心立方的衍射峰。這是由于加入鋁后奧氏體層錯能升高，不再發生TRIP效應。

圖6 實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼熱軋后拉伸前后X射線衍射Fig.6 X-ray diffraction pattern of the Fe-26Mn-6Al-C test steel after hot rolling and before stretching

3 結語

通過對Fe-26Mn-6Al-C實驗鋼的熱軋、固溶、時效處理等不同狀態下的組織進行了觀察分析，測試了其力學性能，得出以下結論。

1)實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼密度約為6.983 kg/m3，較純鐵密度 7.874 kg/m3降低了約 11.4%。

2)熱軋后的實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼組織主要為奧氏體組織，晶粒約為20 μm左右。在晶粒內部可見位錯塞積、退火孿晶、層錯等，且層錯密度較低。熱軋后的試驗鋼屈服強度為850 MPa，抗拉強度為1080 MPa，伸長率為35%。

3)固溶處理后的實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼組織仍為奧氏體組織，晶粒有所長大，約為40 μm。晶粒中位錯密度減小，在晶粒內部可見退火孿晶，晶界附近可見位錯塞積。固溶處理后實驗鋼的屈服強度為400 MPa，抗拉強度為690 MPa，伸長率為55%。

4)不同變形量下的實驗用Fe-26Mn-6Al-C鋼在塑性變形初期，以滑移為主要的變形機制，塑性變形后期，滑移不能使材料產生足夠的塑性，發生TWIP效應，以產生更好的塑性。

[1]王國棟，劉相.汽車用高強鋼板的發展現狀和趨勢[EB/OL].2006-12-29.http://www.daynews.com.cn/sxjjrb/baban/85496.html.

[2]姬玉媛.高錳鋼現狀及今后發展[J].商場現代化，2008(2):56－57.

[3]MI Zhen-li，TANG Di ，YAN Ling.High Strength and High Plasticity TWIP Steel for Modern Vehicle[J].J Mater SciTechnol，2005，21(4):451 －455.

[4]周玉，武高輝.材料分析測試技術[M].第2版.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2007:211－230.

[5]李樹棠.金屬X射線衍射與電子顯微分析技術[M].北京:冶金工業出版社，1980:324－330.