1 000 MPa級TRIP鋼的組織性能及強化機理

王業勤

（萊蕪鋼鐵集團有限公司生產處，山東萊蕪 271104）

試驗研究

1 000 MPa級TRIP鋼的組織性能及強化機理

王業勤

（萊蕪鋼鐵集團有限公司生產處，山東萊蕪 271104）

鑒于熱鍍鋅TRIP鋼在成分和工藝上的特殊性，試驗采用低Si含P以及V微合金化的成分設計思路，并進行鍍鋅連續退火工藝模擬，分析其微觀組織和性能。探討了殘余奧氏體穩定性的影響因素及強化機理。結果表明，添加P和采取較高的冷軋變形量均有利于提高殘余奧氏體量及其穩定性。在殘余奧氏體的形變誘導馬氏體相變、貝氏體和V析出的強化作用以及鐵素體晶粒細化的共同作用下，抗拉強度和強塑積分別達到1 035 MPa和25 875 MPa·%。

TRIP鋼；強化機理；連續退火；微觀組織；力學性能

1 前言

相變誘發塑性（TRIP）鋼能解決高強鋼強度和塑性的矛盾，因而成為新鋼種開發的競爭熱點。本研究重點分析了1 000 MPa級熱鍍鋅用TRIP鋼的組織性能，探討了殘余奧氏體穩定性的影響因素及強化機理，為工業生產超高強TRIP鋼提供參考。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

鑒于熱鍍鋅TRIP鋼在成分和工藝上的特殊性，本次試驗用鋼采用低Si含P以及V微合金化的成分設計思路，主要化學成分見表1。該鋼Ac1為760℃，Ac3為930℃。

表1 試驗用鋼的化學成分（質量分數）%

2.2 試驗方法

試驗用鋼經真空冶煉而成，然后將鋼坯熱鍛至70 mm厚。在1 200℃的箱式加熱爐中保溫2 h，熱軋至5 mm厚。熱軋后酸洗，最終冷軋至1.0 mm厚的薄板，冷軋壓下量達到80%。冷軋鋼板用連續退火模擬實驗機進行連續退火試驗，試驗用料的規格為：600 mm×300 mm×1.0 mm（長×寬×厚）。熱處理工藝為：以10℃/s的加熱速率將試樣加熱到845℃［此溫度選擇為（Ac1+Ac3）/2］，保溫300 s；然后以≥40℃/s的冷速快速冷卻到460℃（鋅鍋溫度），保溫20 s，隨后以5℃/s的冷卻速率冷卻到室溫。利用掃描電鏡觀察試樣的組織形貌；用H-800型透射電鏡觀察殘余奧氏體形貌及位錯析出；用D/max 2400型X射線衍射儀測定試樣的殘余奧氏體量，根據文獻［1］敘述的方法計算。

3 試驗結果與分析

3.1 微觀組織分析

試驗用鋼經過連續退火處理后，掃描組織由多邊形鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成（見圖1），其體積分數分別為57.2%、26.5%和16.3%。由于冷速非常快（≥40℃/s），因此在由臨界區溫度冷卻到鋅鍋溫度（460℃）的過程中，無先共析鐵素體生成。鐵素體晶粒尺寸非常細小，平均為（2.5±0.5）μm。

圖1 試驗鋼連續退火試樣的掃描組織

基體組織中存在尺寸不一的塊狀殘余奧氏體，這些塊狀殘余奧氏體主要以3種形式存在于組織中：1）沿鐵素體晶界分布；2）分布在鐵素體晶粒或貝氏體晶粒中，殘余奧氏體的尺寸很小，它們將把鐵素體和貝氏體晶粒分割成更小的晶粒；3）分布在鐵素體和貝氏體的交界處。貝氏體溫度較高時（460℃），C原子的擴散能力較強，因而雖然在貝氏體區等溫很短（～20 s），但殘余奧氏體中碳濃度足以滿足發生TRIP效應所要求的化學穩定性。為了證明這些彌散分布的塊狀組織為殘余奧氏體，圖2給出了透射電鏡下殘余奧氏體的特征。圖2c中的衍射斑表明圖2b中標記處為［110］的面心立方結構。

此外，在透射電鏡下還可觀察到基體中存在高密度位錯（見圖3a），V的析出彌散分布在鐵素體基體中，析出粒子直徑在3～18 nm（見圖3b、c）。

圖2 試驗鋼組織中殘余奧氏體的TEM形貌

圖3 試驗鋼基體組織中位錯的TEM形貌和析出物的EDS分析

3.2 力學性能分析

連續退火后試樣的工程應力—應變曲線見圖4，拉伸性能見表2。工程應力-應變曲線顯示為連續屈服狀態。在不損失塑性性能的條件下（延伸率為25.0%），試樣的抗拉強度達到1 035 MPa，這除了殘余奧氏體的形變誘導馬氏體相變、貝氏體以及V析出的強化作用外，鐵素體晶粒的細化也一個重要因素。試驗鋼中多邊形鐵素體晶粒的細化主要歸咎于以下兩個主要原因，一是由于80%的大冷軋壓下量，增大冷軋變形量所具有的細化晶粒的現象，簡單地講，就是由于大量的變形所造成鋼板組織的破碎，使再結晶時產生的均勻分布的晶核所引起的；另外V的添加也細化了晶粒。在這些因素的綜合作用下，強度得到提高。

圖4 試驗鋼的工程應力—應變曲線

表2 試驗鋼試樣力學性能

此外，P和Si在鋼中的某些作用是相似的［2］，在熱鍍鋅過程中，高Si含量使鋅層的潤濕性變差，且極易形成脆性的合金層，從而減弱鍍層與基板的結合力，本次試驗鋼成分設計上，降低了Si含量并加入了一定量的P。事實證明，P也有利于殘余奧氏體的保留。在本次試驗中，由于460℃的貝氏體溫度較高，在貝氏體相變過程中，碳的擴散容易進行，試驗鋼的殘余奧氏體量達到16.3%，這些穩定性很高的殘余奧氏體在變形過程中同時提高了鋼的強度和塑性。

本次試驗的冷軋變形量達到80%，這將增加變形帶密度，從而把鐵素體和珠光體晶粒分割成尺寸更小的晶粒。此外，位錯密度在冷軋過程中也會增加，在連續退火過程中僅僅發生部分回復以至于在基體組織中得以保留（圖3a）。晶粒中層錯能的增大致使自由能和擴散率增加，結果在再加熱過程中促進奧氏體的長大速率。而擴散率增加在再加熱過程中的進一步影響是使奧氏體中富集C，進而增加奧氏體的穩定性，這也是在本次試驗中殘余奧氏體體積分數較高（16.3%）的重要原因，而殘余奧氏體在變形過程中能同時提高鋼的強度和塑性。

各向異性指數（r）和加工硬化指數（n）主要用來評價鋼的成形能力。隨著r值的增加，極限拉伸比增大；隨著n值的增加，應變均勻分布且沖壓成形性提高［3］。試驗鋼的n值為0.26，r值為1.15。試驗鋼表現出極好的成形能力，這主要是因為當鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體混合存在于組織中時，鐵素體承受應變硬化，應變能通過位錯的堆積在鐵素體晶粒內累積。累積的應變能為殘余奧氏體的應變誘導相變提供所需的機械驅動力，在應變誘導相變作用下，這種能量被吸收，位錯堆積也被松弛，因而鐵素體晶粒軟化。應變誘導馬氏體相變使軟化的鐵素體晶粒再一次發生應變硬化。由于殘余奧氏體在塑性變形過程中的應變誘導相變使上述的過程不斷重復發生。在高應變條件下應變誘導相變也可穩定地進行，因而應變硬化能力的急劇下降可得以抑制，從而優化其成形能力。

4 結論

4.1添加P和采取較高的冷軋變形量均有利于提高殘余奧氏體量及其穩定性，使得本次試驗中殘余奧氏體量達到16.3%。

4.2在殘余奧氏體的形變誘導馬氏體相變、貝氏體和V析出的強化作用、以及鐵素體晶粒細化的共同作用下，抗拉強度和強塑積分別達到1 035 MPa和 25 875 MPa·%。

［1］Shi W,Li L,Yang C X,et al.Strain-induced Transformation of Retained Austenite in Low-carbon Low-silicon TRIP Steel Containing Aluminum and Vanadium［J］.Materials Science and Engineering A，2006，429：247-251.

［2］Jimenez M E,Dijk N H,Zhao L,et al.The Effect of Aluminium and Phosphorus on the Stability of Individual Austenite Grains in TRIP Steels［J］.Acta Materialia，2009，57：533-543.

［3］Lee C G,Kim S J,Lee T H,et al.Effects of volume fraction and stability of retained austenite on formability in a 0.1C-1.5Si-1.5Mn-0.5Cu TRIP-aided cold-rolled steel sheet［J］.Materials Science and Engineering A，2004，371：16-23.

Abstract:Through tuyere sampling,the changes of the coke,alkali metal and slag component in the tuyere area of Laiwu Steel’s No.1 1 080 m3were detected and analyzed in detail.The results showed that in BF scaffolding accretion operation,the coke in tuyere area cracks seriously,the permeability and liquid-penetration of the deadman get worse and the content of alkali metal is high;After getting rid of the nodulation,the average size of tuyere coke has a decrease trend with the increase of PCI ratio,and the coke size from the edge to centre of hearth reduces;The slag composition varies in tuyere area,and the slag alkali is lower in edge than that in centre.

Key words:blast furnace;tuyere sampling;tuyere coke;alkali metal

Microstructure,Mechanical Propertiesand Strengthening Mechanismof 1000 MPa GradeTRIP Steel

WANG Yeqin
（The Production Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

In view of the specialties of hot-dip galvanized TRIP steel in composition and process,the designing idea for composition of low silicon and phosphorus-containing,vanadium micro-alloying was used in this experiment,and the process of hot-dip galvanization after continuous annealing was simulated.The microstructure and mechanical properties were analyzed,and the factors influencing the stabilization of retained austenite and the strengthening mechanism were investigated.The results showed that adding phosphorus and using a higher cold rolling reduction are all beneficial to improving the volume fraction and the stabilization of retained austenite.Under the joint action of the deformation induced martensite transformation of retained austenite,the strengthening effect of bainite and vanadium precipitation,and the refinement of ferrite grains,the product of tensile strength and strength-elongation reach to 1 035 MPa and 25 875 MPa·%respectively.

TRIP steel;strengthening mechanism;continuous annealing;microstructure;mechanical property

Research on TuyereSampling in theBlast Furnaceof Laiwu Steel

ZHOU Xiaohui
（The Technology Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

TG142.1

：A

：1004-4620（2014）01-0031-03

2013-11-18

王業勤，男，1984年生，2007年畢業于東北大學材料成型及控制工程專業。現為萊鋼生產處工程師，從事生產管理工作。