熱處理溫度對輕質中錳鋼組織和力學性能的影響

錢靈鋒 朱旭東 王 華 陳 璋 何燕霖

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444;2.上海大學分析測試中心，上海 200044)

研究表明[1]，對于汽車節能減排最為有效的措施之一就是汽車輕量化。汽車每減少100 kg的重量，就能節約燃油約0.4 L/(100 km)，并可以減少二氧化碳的排放約10 g/(11 km)。鋁作為輕量化元素之一，每添加1%(質量分數，下同)鋁，鋼的密度就下降0.101 g/cm3。最近有研究指出[2- 5]，含鋁的輕質中錳鋼不僅可以明顯減重，而且具有優異的力學性能，經一定的退火處理后其強塑積可達50 000 MPa·%以上。但目前人們對于輕質鋼組織與力學性能關系的研究仍存在一定的分歧。有研究表明[6- 7]，大量鋁的加入會促進κ- 碳化物的形成，從而降低鋼的力學性能，而鉻元素的加入有望抑制κ相的形成，從而改善鋼的力學性能。此外，還有研究表明[8- 10]，輕質鋼在外加應力作用下會產生孿晶誘發塑性、微帶誘發塑性、滑移誘發塑性等效應，均能提高塑性，但對此結論也存在質疑[11]。

基于此，本研究擬采用室溫拉伸、SEM、EBSD、TEM等分析檢測技術，對不同溫度熱處理后的含鉻輕質中錳鋼的顯微組織和力學性能展開研究，并探討輕質中錳鋼的合金成分、組織、性能與熱處理溫度之間的關系，從而為研發高性能輕質鋼提供參考。

1 試驗材料與方法

采用真空感應熔煉爐制備試驗用輕質中錳鋼錠，其質量為100 kg，化學成分如表1所示。然后將鋼錠熱軋至3.0 mm厚，始軋溫度為1 050 ℃，終軋溫度為900 ℃，并采用85 ℃的10%HCL+90%(體積分數，下同)水溶液進行酸洗，再進行冷軋，冷軋后的鋼板厚1.2 mm。之后將冷軋鋼分別在760、830、910和950 ℃保溫10 min后水淬。熱處理后的鋼板按照GB/T 228—2010加工成標距為30 mm的試樣，并在WANCE ETM504C電子萬能試驗機上進行拉伸試驗。熱處理后的金相樣品經機械磨拋后分別用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，高氯酸和冰醋酸配比為1∶4的電解拋光液進行電解拋光，然后采用Hitachi S- 570掃描電鏡和Apollo 300熱場發射背散射電子衍射(EBSD)觀察其顯微組織。采用DLMAX- 2550 X射線衍射儀(Cu靶，Kα射線)測定試驗鋼的相結構及其體積分數，掃描速率為2 (°)/min，掃描步長為0.02°，掃描范圍為40°～100°。采用JEM- 2010F透射電子顯微鏡觀察不同溫度熱處理試樣拉伸后的顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 熱處理溫度對顯微組織的影響

為了確定不同溫度熱處理后試驗鋼的物相組成，對其進行XRD分析，結果如圖1所示。從圖1可以看出，不同溫度熱處理后試驗鋼的組織都由鐵素體和奧氏體兩相組成。760～950 ℃為該試驗鋼的兩相溫度區，并未達到單相奧氏體區，這可能是由于Al元素加入較多的原因。根據YT/B 5338—2006對鐵素體和奧氏體兩相組織進行定量分析。通過式(1)[12]計算奧氏體和鐵素體的含量，計算選用的奧氏體衍射峰為(200)、(220)、(311)，鐵素體衍射峰為(200)、(211)。計算結果如表2所示。

(1)

式中：Vγ為奧氏體的體積分數，Iγ為奧氏體峰積分強度的平均值，Iα為鐵素體峰的積分強度。由表2可知，隨著熱處理溫度的升高，奧氏體體積分數增加，當熱處理溫度達到950 ℃時，奧氏體體積分數增加至90%。

圖1 試驗鋼的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the tested steel

不同溫度熱處理后試驗鋼的SEM形貌和背散射衍射花樣圖像分別如圖2和圖3所示。結合XRD分析結果，得出圖2中凹陷的組織為鐵素體，凸起的組織為奧氏體。圖3顯示基體組織為奧氏體，奧氏體上分散的小顆粒組織為鐵素體。圖4是經過不同溫度熱處理后，試驗鋼中鐵素體和奧氏體晶粒尺寸變化的統計結果。圖4表明，隨著溫度的升高，鐵素體晶粒尺寸增加不明顯，平均尺寸為0.8 μm左右；奧氏體晶粒尺寸隨著溫度的升高而增大，當熱處理溫度達950 ℃時，奧氏體晶粒明顯粗大。

表2 不同溫度退火后試驗鋼的奧氏體體積分數Table 2 Volume fraction of austenite in the tested steel annealed at different temperatures %

圖2 試驗鋼經不同溫度保溫1 h水淬后的SEM形貌 Fig.2 SEM morphologies of the tested steel after holding at different temperatures for 1 h then water- quenching

圖3 試驗鋼經不同溫度保溫1 h水淬后的EBSD結果Fig.3 EBSD results of the tested steel after holding at different temperatures for 1 h then water- quenching

圖4 從不同溫度水淬的試驗鋼中鐵素體和奧氏體的平均晶粒尺寸變化Fig.4 Variation of average grain size of ferrite and austenite with temperature for the tested steel water quenched from different temperatures

2.2 變形機制

對經830和910 ℃熱處理的試驗鋼拉伸后的顯微組織進行透射電鏡觀察，結果如圖5所示。可見，經兩種溫度熱處理的試驗鋼變形后組織中均出現了微帶和形變孿晶。經910 ℃處理的鋼中，晶粒內呈現的微帶明顯較830 ℃處理的鋼多且密; 而經830 ℃熱處理的鋼中形成的孿晶較細密，910 ℃熱處理的鋼中的孿晶則為長條狀，間距也較830 ℃熱處理的鋼的大。經分析發現，830 ℃熱處理的鋼中微帶之間的間距為60～100 nm，910 ℃熱處理的鋼中微帶之間的間距在40～80 nm；830 ℃鋼中孿晶的厚度為3～6 nm，間距為13～40 nm，而910 ℃鋼中孿晶的厚度為16～38 nm，間距為153～370 nm。有研究表明[8]，輕質中高錳鋼的變形機制根據堆疊層錯能(SFE)的不同，可以分為相變誘發塑性(TRIP)、應變誘發孿晶(TWIP)和微帶誘發塑性(MBIP)。中錳鋼發生TRIP效應生成馬氏體的層錯能約為20 mJ/m2，發生應變誘發孿晶(TWIP)效應生成孿晶的層錯能約為20～50 mJ/m2，發生微帶誘發塑性(MBIP)效應生成微帶的層錯能約為45 mJ/m2以上。層錯能的計算公式如式(2)所示[13]:

Γ=2ρΔGγ→ε+2σ

(2)

式中：Γ為層錯能，ρ為{111}密排面原子堆積密度，ΔGγ→ε為γ→ε相變吉布斯自由能差，σ為γ/ε的相界面自由能。計算得出，760、830、910和950 ℃熱處理試驗鋼的層錯能分別約為59、61、46、38 mJ/m2。綜上可見，試驗鋼在拉伸變形過程中以應變誘發孿晶和微帶誘發塑性的變形機制為主。

圖5 830 ℃(a～d)和910 ℃(e～h)熱處理的試驗鋼拉伸后的TEM形貌Fig.5 TEM morphologies of the tested steel after heat treatment at 830 ℃ (a～d) and 910 ℃ (e～h)

2.3 熱處理溫度對力學性能的影響

圖6和表3分別為不同溫度熱處理試驗鋼拉伸變形后的工程應力- 工程應變曲線及性能。可以看出， 760 ℃處理的鋼存在明顯的屈服平臺，而在830 ℃及以上溫度處理的試驗鋼呈連續屈服的特點。在文獻[14]中也觀察到了類似現象。通常將屈服平臺的出現歸因于可動位錯密度的降低，熱處理溫度低，奧氏體含量較少，則游離碳多，釘扎位錯從而導致屈服平臺的出現。而文獻[15]也表明，從較高溫度水淬后，位錯本身也易于攀移，所以導致可動位錯密度升高。這說明了830 ℃及以上溫度水淬后，試驗鋼的應力- 應變曲線中未出現屈服平臺的原因。

圖6 經不同溫度熱處理的試驗鋼的工程應力-工程應變曲線Fig.6 Engineering stress- engineering strain curves of the tested steel after heat treatment at different temperatures

表3 不同溫度熱處理試驗鋼的力學性能Table 3 Mechanical properties of the tested steelafter heat treatment at different temperatures

從表3中可以看出，當熱處理溫度從760 ℃升高至830 ℃后，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度降低，而斷后伸長率增加。結合表2可以看出，隨著熱處理溫度的升高，奧氏體含量增加，奧氏體內固溶碳含量下降，固溶強化作用減小，從而導致試驗鋼的抗拉強度和屈服強度下降，斷后伸長率增加。

而當熱處理溫度從830 ℃升高至950 ℃時，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度降低，斷后伸長率也隨之降低。由圖4可知，奧氏體平均晶粒尺寸從830 ℃的2.7 μm增加到910 ℃鋼的3.4 μm，最后增加至950 ℃的6.9 μm，即隨著熱處理溫度的升高，晶粒不斷粗化。由H- P公式可知，晶粒越小，強度越高；同時晶粒越細，單位體積內的晶粒越多，形變時同樣的形變量可以分散至更多晶粒中，產生更加均勻的形變而不會造成局部應力過度集中，從而提高了鋼的斷后伸長率。從圖5(b、f)可以看出，與830 ℃處理的鋼相比，910 ℃處理的鋼經拉伸變形后組織中形成了更多的微帶，這可能是由于奧氏體晶粒粗化所導致的[16]。但微帶數量的增加對試驗鋼力學性能的改善作用不大。從圖5可以看出，830 ℃處理的鋼在拉伸過程中產生了細小的機械孿晶，而機械孿晶的出現分割了奧氏體晶粒，增加了晶界數量，阻止了位錯的繼續滑移，從而導致位錯塞積，使其難以繼續發生變形，變形區域轉移至其他應變較低的區域，故推遲了頸縮的生成，明顯提高了830 ℃處理試驗鋼的斷后伸長率。因此，830 ℃處理的試驗鋼力學性能最優，其強塑積可達40 929 MPa·%。而760 ℃處理的鋼在拉伸后并未觀察到機械孿晶的出現，因此該鋼的斷后伸長率明顯低于830 ℃處理的鋼。

3 結論

(1)輕質中錳鋼經760、830、910和950 ℃保溫10 min水淬后，其組織均由奧氏體和鐵素體組成。

(2)830 ℃熱處理的試驗鋼的力學性能最佳，其斷后伸長率為47%，抗拉強度為863 MPa，強塑積達到40 929 MPa·%。當熱處理溫度降低至760 ℃時，試驗鋼組織中奧氏體含量減少，導致奧氏體中固溶碳含量增加，鋼的抗拉強度升高，且鋼中無機械孿晶形成，斷后伸長率降低。而當溫度升高至910～950 ℃時，晶粒和機械孿晶的尺寸均增大，奧氏體含量增加，其斷后伸長率和抗拉強度均降低。

(3)試驗鋼在拉伸變形過程中，其強化機制以孿晶誘發塑性和微帶誘發塑性為主。