热处理温度对轻质中锰钢组织和力学性能的影响

钱灵锋 朱旭东 王 华 陈 璋 何燕霖

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444;2.上海大学分析测试中心，上海 200044)

研究表明[1]，对于汽车节能减排最为有效的措施之一就是汽车轻量化。汽车每减少100 kg的重量，就能节约燃油约0.4 L/(100 km)，并可以减少二氧化碳的排放约10 g/(11 km)。铝作为轻量化元素之一，每添加1%(质量分数，下同)铝，钢的密度就下降0.101 g/cm3。最近有研究指出[2- 5]，含铝的轻质中锰钢不仅可以明显减重，而且具有优异的力学性能，经一定的退火处理后其强塑积可达50 000 MPa·%以上。但目前人们对于轻质钢组织与力学性能关系的研究仍存在一定的分歧。有研究表明[6- 7]，大量铝的加入会促进κ- 碳化物的形成，从而降低钢的力学性能，而铬元素的加入有望抑制κ相的形成，从而改善钢的力学性能。此外，还有研究表明[8- 10]，轻质钢在外加应力作用下会产生孪晶诱发塑性、微带诱发塑性、滑移诱发塑性等效应，均能提高塑性，但对此结论也存在质疑[11]。

基于此，本研究拟采用室温拉伸、SEM、EBSD、TEM等分析检测技术，对不同温度热处理后的含铬轻质中锰钢的显微组织和力学性能展开研究，并探讨轻质中锰钢的合金成分、组织、性能与热处理温度之间的关系，从而为研发高性能轻质钢提供参考。

1 试验材料与方法

采用真空感应熔炼炉制备试验用轻质中锰钢锭，其质量为100 kg，化学成分如表1所示。然后将钢锭热轧至3.0 mm厚，始轧温度为1 050 ℃，终轧温度为900 ℃，并采用85 ℃的10%HCL+90%(体积分数，下同)水溶液进行酸洗，再进行冷轧，冷轧后的钢板厚1.2 mm。之后将冷轧钢分别在760、830、910和950 ℃保温10 min后水淬。热处理后的钢板按照GB/T 228—2010加工成标距为30 mm的试样，并在WANCE ETM504C电子万能试验机上进行拉伸试验。热处理后的金相样品经机械磨抛后分别用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，高氯酸和冰醋酸配比为1∶4的电解抛光液进行电解抛光，然后采用Hitachi S- 570扫描电镜和Apollo 300热场发射背散射电子衍射(EBSD)观察其显微组织。采用DLMAX- 2550 X射线衍射仪(Cu靶，Kα射线)测定试验钢的相结构及其体积分数，扫描速率为2 (°)/min，扫描步长为0.02°，扫描范围为40°～100°。采用JEM- 2010F透射电子显微镜观察不同温度热处理试样拉伸后的显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 热处理温度对显微组织的影响

为了确定不同温度热处理后试验钢的物相组成，对其进行XRD分析，结果如图1所示。从图1可以看出，不同温度热处理后试验钢的组织都由铁素体和奥氏体两相组成。760～950 ℃为该试验钢的两相温度区，并未达到单相奥氏体区，这可能是由于Al元素加入较多的原因。根据YT/B 5338—2006对铁素体和奥氏体两相组织进行定量分析。通过式(1)[12]计算奥氏体和铁素体的含量，计算选用的奥氏体衍射峰为(200)、(220)、(311)，铁素体衍射峰为(200)、(211)。计算结果如表2所示。

(1)

式中：Vγ为奥氏体的体积分数，Iγ为奥氏体峰积分强度的平均值，Iα为铁素体峰的积分强度。由表2可知，随着热处理温度的升高，奥氏体体积分数增加，当热处理温度达到950 ℃时，奥氏体体积分数增加至90%。

图1 试验钢的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of the tested steel

不同温度热处理后试验钢的SEM形貌和背散射衍射花样图像分别如图2和图3所示。结合XRD分析结果，得出图2中凹陷的组织为铁素体，凸起的组织为奥氏体。图3显示基体组织为奥氏体，奥氏体上分散的小颗粒组织为铁素体。图4是经过不同温度热处理后，试验钢中铁素体和奥氏体晶粒尺寸变化的统计结果。图4表明，随着温度的升高，铁素体晶粒尺寸增加不明显，平均尺寸为0.8 μm左右；奥氏体晶粒尺寸随着温度的升高而增大，当热处理温度达950 ℃时，奥氏体晶粒明显粗大。

表2 不同温度退火后试验钢的奥氏体体积分数Table 2 Volume fraction of austenite in the tested steel annealed at different temperatures %

图2 试验钢经不同温度保温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

图3 试验钢经不同温度保温1 h水淬后的EBSD结果Fig.3 EBSD results of the tested steel after holding at different temperatures for 1 h then water- quenching

图4 从不同温度水淬的试验钢中铁素体和奥氏体的平均晶粒尺寸变化Fig.4 Variation of average grain size of ferrite and austenite with temperature for the tested steel water quenched from different temperatures

2.2 变形机制

对经830和910 ℃热处理的试验钢拉伸后的显微组织进行透射电镜观察，结果如图5所示。可见，经两种温度热处理的试验钢变形后组织中均出现了微带和形变孪晶。经910 ℃处理的钢中，晶粒内呈现的微带明显较830 ℃处理的钢多且密; 而经830 ℃热处理的钢中形成的孪晶较细密，910 ℃热处理的钢中的孪晶则为长条状，间距也较830 ℃热处理的钢的大。经分析发现，830 ℃热处理的钢中微带之间的间距为60～100 nm，910 ℃热处理的钢中微带之间的间距在40～80 nm；830 ℃钢中孪晶的厚度为3～6 nm，间距为13～40 nm，而910 ℃钢中孪晶的厚度为16～38 nm，间距为153～370 nm。有研究表明[8]，轻质中高锰钢的变形机制根据堆叠层错能(SFE)的不同，可以分为相变诱发塑性(TRIP)、应变诱发孪晶(TWIP)和微带诱发塑性(MBIP)。中锰钢发生TRIP效应生成马氏体的层错能约为20 mJ/m2，发生应变诱发孪晶(TWIP)效应生成孪晶的层错能约为20～50 mJ/m2，发生微带诱发塑性(MBIP)效应生成微带的层错能约为45 mJ/m2以上。层错能的计算公式如式(2)所示[13]:

Γ=2ρΔGγ→ε+2σ

(2)

式中：Γ为层错能，ρ为{111}密排面原子堆积密度，ΔGγ→ε为γ→ε相变吉布斯自由能差，σ为γ/ε的相界面自由能。计算得出，760、830、910和950 ℃热处理试验钢的层错能分别约为59、61、46、38 mJ/m2。综上可见，试验钢在拉伸变形过程中以应变诱发孪晶和微带诱发塑性的变形机制为主。

图5 830 ℃(a～d)和910 ℃(e～h)热处理的试验钢拉伸后的TEM形貌Fig.5 TEM morphologies of the tested steel after heat treatment at 830 ℃ (a～d) and 910 ℃ (e～h)

2.3 热处理温度对力学性能的影响

图6和表3分别为不同温度热处理试验钢拉伸变形后的工程应力- 工程应变曲线及性能。可以看出， 760 ℃处理的钢存在明显的屈服平台，而在830 ℃及以上温度处理的试验钢呈连续屈服的特点。在文献[14]中也观察到了类似现象。通常将屈服平台的出现归因于可动位错密度的降低，热处理温度低，奥氏体含量较少，则游离碳多，钉扎位错从而导致屈服平台的出现。而文献[15]也表明，从较高温度水淬后，位错本身也易于攀移，所以导致可动位错密度升高。这说明了830 ℃及以上温度水淬后，试验钢的应力- 应变曲线中未出现屈服平台的原因。

图6 经不同温度热处理的试验钢的工程应力-工程应变曲线Fig.6 Engineering stress- engineering strain curves of the tested steel after heat treatment at different temperatures

表3 不同温度热处理试验钢的力学性能Table 3 Mechanical properties of the tested steelafter heat treatment at different temperatures

从表3中可以看出，当热处理温度从760 ℃升高至830 ℃后，试验钢的屈服强度和抗拉强度降低，而断后伸长率增加。结合表2可以看出，随着热处理温度的升高，奥氏体含量增加，奥氏体内固溶碳含量下降，固溶强化作用减小，从而导致试验钢的抗拉强度和屈服强度下降，断后伸长率增加。

而当热处理温度从830 ℃升高至950 ℃时，试验钢的屈服强度和抗拉强度降低，断后伸长率也随之降低。由图4可知，奥氏体平均晶粒尺寸从830 ℃的2.7 μm增加到910 ℃钢的3.4 μm，最后增加至950 ℃的6.9 μm，即随着热处理温度的升高，晶粒不断粗化。由H- P公式可知，晶粒越小，强度越高；同时晶粒越细，单位体积内的晶粒越多，形变时同样的形变量可以分散至更多晶粒中，产生更加均匀的形变而不会造成局部应力过度集中，从而提高了钢的断后伸长率。从图5(b、f)可以看出，与830 ℃处理的钢相比，910 ℃处理的钢经拉伸变形后组织中形成了更多的微带，这可能是由于奥氏体晶粒粗化所导致的[16]。但微带数量的增加对试验钢力学性能的改善作用不大。从图5可以看出，830 ℃处理的钢在拉伸过程中产生了细小的机械孪晶，而机械孪晶的出现分割了奥氏体晶粒，增加了晶界数量，阻止了位错的继续滑移，从而导致位错塞积，使其难以继续发生变形，变形区域转移至其他应变较低的区域，故推迟了颈缩的生成，明显提高了830 ℃处理试验钢的断后伸长率。因此，830 ℃处理的试验钢力学性能最优，其强塑积可达40 929 MPa·%。而760 ℃处理的钢在拉伸后并未观察到机械孪晶的出现，因此该钢的断后伸长率明显低于830 ℃处理的钢。

3 结论

(1)轻质中锰钢经760、830、910和950 ℃保温10 min水淬后，其组织均由奥氏体和铁素体组成。

(2)830 ℃热处理的试验钢的力学性能最佳，其断后伸长率为47%，抗拉强度为863 MPa，强塑积达到40 929 MPa·%。当热处理温度降低至760 ℃时，试验钢组织中奥氏体含量减少，导致奥氏体中固溶碳含量增加，钢的抗拉强度升高，且钢中无机械孪晶形成，断后伸长率降低。而当温度升高至910～950 ℃时，晶粒和机械孪晶的尺寸均增大，奥氏体含量增加，其断后伸长率和抗拉强度均降低。

(3)试验钢在拉伸变形过程中，其强化机制以孪晶诱发塑性和微带诱发塑性为主。