退火溫度對鐵素體基輕質(zhì)鋼組織與力學(xué)性能的影響

董 超 許礽翀 錢靈鋒 朱旭東 何燕霖 李 麟

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

退火溫度對鐵素體基輕質(zhì)鋼組織與力學(xué)性能的影響

董 超 許礽翀 錢靈鋒 朱旭東 何燕霖 李 麟

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

為了滿足汽車輕量化的要求，研制輕質(zhì)鋼迫在眉睫。設(shè)計了一種成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為Fe- 0.25C- 3.5Mn- 8Al的鐵素體基輕質(zhì)鋼，研究了在不同熱處理條件下，試驗鋼的顯微組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，冷軋試驗鋼具有較高的抗拉強度和屈服強度，但斷后伸長率較低。退火處理后冷軋試驗鋼的性能有大幅改善，經(jīng)過950 ℃×50 s+400 ℃×3 min處理后，其強塑積可達22 451 MPa·%。隨著退火溫度的升高，鋼中奧氏體含量逐漸增多，κ- 碳化物逐漸溶解直至消失。拉伸變形后部分奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，奧氏體穩(wěn)定性參數(shù)與強塑積成正比。

鐵素體基輕質(zhì)鋼 退火溫度 κ碳化物 顯微組織 力學(xué)性能

在現(xiàn)在和未來的汽車上，汽車的減重成為減少CO2排放和降低燃油消耗的關(guān)鍵手段。降低車身重量，即汽車輕量化，是降低燃油消耗的重要途徑(約占50%以上)[1]。鐵素體基輕質(zhì)鋼中鋁含量較高(通常Al的質(zhì)量分數(shù)>5%)，其密度較低，且具有良好的力學(xué)性能，是較為理想的汽車輕量化材料。鐵素體基輕質(zhì)鋼的相組成主要為鐵素體基體上分布著奧氏體和κ- 碳化物[2]。為提高鋼材的力學(xué)性能，需保證鋼中具有一定含量的奧氏體[3]。通過合理的熱處理，可以調(diào)控鋼中的組織組成，使鋼中κ- 碳化物溶解，同時具有較高含量的奧氏體。研究表明[4- 8]，退火處理對于輕質(zhì)鋼組織的改善及性能的提升有關(guān)鍵的作用。基于此，本文研究了退火溫度對含8%Al輕質(zhì)鋼的組織和力學(xué)性能的影響，并探討了組織演變與力學(xué)性能之間的關(guān)系，從而為鐵素體基輕質(zhì)鋼的開發(fā)提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗鋼在真空感應(yīng)爐內(nèi)進行冶煉，冶煉過程中充氬氣保護，然后進行模鑄獲得100 kg的鑄錠。其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：0.24 C，3.57 Mn，8 Al，F(xiàn)e余量。將鑄錠熱軋至3 mm厚，初軋溫度為1 050 ℃，終軋溫度為900 ℃，然后將熱軋板酸洗再冷軋至1.2 mm厚。利用鹽浴爐將試樣分別加熱至820、850、910和950 ℃，并保溫50 s，而后快冷至400 ℃保溫3 min，隨后空冷至室溫。按GB/T 228.1—2010沿軋制方向切取標距為30 mm的非比例標準試樣，采用ETM504C型電子萬能試驗機測量力學(xué)性能，變形速率為10-3s-1。試樣經(jīng)打磨拋光后用4%硝酸酒精侵蝕，利用掃描電子顯微鏡Hitachi S- 570進行組織觀察。試樣經(jīng)打磨后，進行電解拋光，電解液為高氯酸/冰醋酸的混合溶液，拋光電壓為30 V。利用X射線衍射儀Dmax- 2200分析鋼中的奧氏體體積分數(shù)[9]，奧氏體中含碳量根據(jù)式(1)計算得出[10]。

αγ=3.578+0.033 0XC+0.005 6XAl+

0.000 95XMn

(1)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 冷軋板的組織和性能

圖1為試驗鋼冷軋后的SEM形貌和XRD圖譜，可以看出，冷軋后鋼中的組織為鐵素體基體上分布著大量點狀或細條狀的κ- 碳化物及少量的奧氏體。沿軋向取樣進行室溫拉伸試驗，測得其抗拉強度為1 067 MPa，屈服強度為1 048 MPa，斷后伸長率僅3.5%，表現(xiàn)出明顯的加工硬化。

圖1 冷軋鋼板的SEM形貌(a)及XRD圖譜(b)Fig.1 SEM morphology (a) and XRD pattern(b) of the cold rolled steel sheet

2.2 退火溫度對組織及力學(xué)性能的影響

圖2是利用熱力學(xué)計算軟件Thermo- Calc計算的試驗鋼的垂直截面相圖及相分數(shù)隨溫度變化圖。由于鋁的加入，鋼中奧氏體相區(qū)縮小，兩相區(qū)擴大，根據(jù)相分數(shù)隨溫度變化圖，奧氏體析出溫度為820 ℃，κ- 碳化物溶解溫度為873 ℃。

圖3為不同溫度退火處理后試驗鋼顯微組織的變化，可見退火后鋼中κ- 碳化物數(shù)量明顯減少。隨著退火溫度的升高，奧氏體含量逐漸增多，且奧氏體晶粒尺寸逐漸增大。

進一步對試驗鋼進行XRD物相分析，結(jié)果如圖4所示。當退火溫度高于850 ℃時，鋼中檢測不到κ- 碳化物，這表明在高于850 ℃退火后，鋼中κ- 碳化物的含量很少或已完全溶解，這與Thermo- Calc計算結(jié)果相吻合。

圖5為試驗鋼不同溫度退火后的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，表1為試驗鋼冷軋態(tài)及經(jīng)不同溫度退火后的力學(xué)性能測試結(jié)果。可見退火處理后，試驗鋼的抗拉強度和屈服強度均明顯降低，但斷后伸長率大幅提高。隨著退火溫度的升高，試驗鋼的抗拉強度和斷后伸長率均呈逐漸升高趨勢，經(jīng)950 ℃退火后，強塑積達到最大值22 451 MPa·>%。

對比不含κ- 碳化物試驗鋼(910和950 ℃退火)和含有少量κ- 碳化物試驗鋼(820和850 ℃退火)的力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn),含有κ- 碳化物試驗鋼的屈服強度要高于不含κ- 碳化物的試驗鋼，但其斷后伸長率和抗拉強度低于不含κ- 碳化物的試驗鋼。當退火溫度低于850 ℃時，試驗鋼的工程應(yīng)力- 工程應(yīng)變曲線有明顯的屈服平臺，但當溫度高于850 ℃時，則無明顯的屈服平臺。這主要是由于當退火溫度高于850 ℃時，沒有κ- 碳化物存在，基體組織由鐵素體和奧氏體組成，因此沒有形成屈服平臺的條件。但當退火溫度低于850 ℃時，κ- 碳化物可能會與位錯產(chǎn)生交互作用，從而形成“柯氏氣團”，對位錯起到釘扎作用，從而具備了形成屈服平臺的條件。

圖2 試驗鋼的垂直截面相圖(a)及相分數(shù)隨溫度變化圖(b)Fig.2 Vertical section phase diagram (a) and the phase fraction changes with temperature (b) for the test steel

圖3 在(a)820、(b)850、(c)910和(d)950 ℃退火后試驗鋼的SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of the test steels after annealing at (a) 820，(b) 850，(c) 910，and (d) 950 ℃

對不同溫度退火后試驗鋼拉伸前與斷裂后的奧氏體含量進行XRD定量分析，結(jié)果如圖6所示。可見在820 ℃退火后沒有奧氏體存在，而退火溫度高于850 ℃時均有奧氏體存在，且溫度越高，奧氏體含量越高，在950 ℃退火時達到15.2%。拉伸斷裂后鋼中奧氏體含量減少，隨著退火溫度的升高，奧氏體含量減少的幅度逐漸增大，在950 ℃退火時達到最大為7.1%，這是由于在變形過程中鋼中部分奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體所致。

圖4 不同溫度退火后試驗鋼的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the test steels after annealing at different temperatures

圖5 不同溫度退火后試驗鋼的工程應(yīng)力- 工程 應(yīng)變曲線Fig.5 Engineering stress- engineering strain curves of the test steels after annealing at different temperatures

表1 不同溫度退火后試驗鋼的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the test steels after annealing at different temperatures

Chiro等[11]以奧氏體含量與奧氏體中碳含量的乘積作為奧氏體的穩(wěn)定性參數(shù)(Vγ×Cγ)，計算結(jié)果如表2所示，將其與強塑積作對比，發(fā)現(xiàn)奧氏體的穩(wěn)定性參數(shù)與強塑積成正比關(guān)系，如圖7所示。

圖6 拉伸前與斷裂后試驗鋼中奧氏體含量對比Fig.6 Comparison of volume fraction of austenite in the test steel before and after tensile test

表2 不同溫度退火后試驗鋼的奧氏體含量及奧氏體中碳含量Table 2 Volume fraction of austenite and the content of carbon in the austenite of the test steels after annealing at different temperatures

圖7 試驗鋼的強塑積與奧氏體穩(wěn)定性 參數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between the product of elongation and strength and the austenitic stability parameter

由以上試驗結(jié)果可以看出，試驗鋼的力學(xué)性能主要受鋼中奧氏體的影響。當拉伸變形過程中奧氏體轉(zhuǎn)變量較多、穩(wěn)定性參數(shù)較大時，獲得的力學(xué)性能較好。

3 結(jié)論

(1)鐵素體基輕質(zhì)鋼冷軋后的組織由鐵素體基體、κ- 碳化物和少量奧氏體組成，其抗拉強度為1 067 MPa，斷后伸長率僅3.5%。

(2)退火處理后試驗鋼的組織和力學(xué)性能均得到改善。隨著退火溫度的升高，鋼中κ- 碳化物逐漸溶解直至消失，奧氏體含量逐漸增多，抗拉強度和斷后伸長率均呈逐漸增加的趨勢，經(jīng)950 ℃×50 s+400 ℃×3 min處理后，試驗鋼的強塑積達到最大值22 451 MPa·%。

(3)試驗鋼在拉伸過程中部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其強塑積與奧氏體穩(wěn)定性參數(shù)成正比。

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收修改稿日期：2016- 06- 05

EffectofAnnealingTemperatureonMicrostructureandMechanicalPropertiesofAFerriticLightweightSteel

Dong ChaoXu Rengchong Qian Lingfeng Zhu Xudong He Yanlin Li Lin

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

To satisfy the requirement of lightweight vehicles, the research of lightweight steel is urgent. A ferritic lightweight steel having a composition of Fe- 0.25C- 3.5Mn- 8Al(mass fraction,%)was designed. Then the relationship between microstructure and mechanical properties of the test steel in different heat treatment conditions was investigated. The results showed that the cold- rolled steel had both high tensile strength and yield strength, but low elongation. After annealing treatment, the mechanical properties of cold rolled test steel were greatly improved. i.e., after annealing at 950 ℃ for 50 s, then rapidly cooling to 400 ℃ and holding for 3 min, the product of strength and elongation of the test steel could reach up to 22 451 MPa·%. With the increase of annealing temperature, the amount of austenite in the test steel increased, the κ- carbides resolved and disappeared gradually. Partial austenite transformed during tensile deformation, and the austenite stability parameter was directly proportional to the product of strength and elongation.

ferritic lightweight steel，annealing temperature，κ- carbide，microstructure，mechanical property

973資助項目(No.2010CB630802)

董超，男，主要從事汽車用先進高強鋼的研究，Email: sdcjdc@126.com