锰对热轧TWIP钢组织及力学性能的影响

代晓莉 郭 佳 刘 杰

(1. 首钢技术研究院，北京 100043； 2. 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043)

近年来，汽车工业迅猛发展，已逐步成为发达国家的支柱产业。但是随着人们对环境、安全、节能等要求的进一步提高，汽车用钢的高强度、减重问题也越来越受到世界范围内汽车钢行业的重视。相关研究表明，在同等条件下，汽车整车质量每降低10%，油耗可降低8%～10%[1- 2]。因此，各大钢铁企业开始着力发展汽车用高强度钢板，以实现汽车轻量化[3- 4]。

现代先进高强度钢有多种，如烘烤硬化(bake hardening, BH)钢、相变诱导塑性(twinning induced plasticity, TRIP)钢、孪晶诱发塑性(twinning induced plasticity, TWIP)钢等。其中TWIP钢是目前研究较广泛的第二代超高强度钢，不仅具有优异的强塑性、高能量吸收能力，还有因变形孪晶导致的高加工硬化性能[5- 6]。从现代汽车用钢对高强度和高塑性的要求来看，TWIP钢是最佳选择。该钢种多用于制造变形程度大且安全要求高的车身零部件，如保险杠、A柱、横梁等。安赛乐米塔尔和浦项等均已成功研发出TWIP钢，并供一些汽车企业使用。国内目前仅鞍钢和宝钢具备TWIP钢的工业化生产能力，但尚处于起步阶段。

TWIP钢的成分主要是Fe，添加质量分数为15%～30%的Mn，并加入一定量的Al和Si，还加入少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti、Nb等[7- 8]。本文采用控轧控冷工艺制备了不同锰含量(5%～20%，质量分数)热轧TWIP钢，研究了锰对钢的显微组织、力学性能的影响。

1 试验材料与方法

试验设计了3种不同成分的热轧TWIP钢，编为1号、2号和3号，对应Mn的质量分数分别为5%、15%和20%。采用50 kg真空感应炉冶炼试验钢，其实际检测成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the experimental steels (mass fraction) %

将试验钢坯料加热到1 200 ℃，保温2 h使坯料温度均匀化，然后采用粗轧、精轧控制轧制。粗轧阶段开轧温度为1 150 ℃左右，每道次变形量设为20%～30%，以充分细化奥氏体晶粒，粗轧后空冷至950 ℃进行精轧。精轧前两个道次变形量为25%，目的是在奥氏体晶粒内部形成高密度的形变带，为后续相变过程提供更多的形核点，精轧最后一个道次采取小压下量来控制板形。考虑到钢的热变形抗力高，为减轻热轧辊的负荷，终轧温度设为900 ℃左右。轧制成品厚度为7 mm。为了防止变形奥氏体晶粒在相变前冷却过程中长大，水冷至600 ℃左右空冷。

沿钢板纵向切取拉伸试样，拉伸试验在万能材料试验机上进行；金相试样经磨抛后在4%(体积分数)硝酸酒精溶液中浸蚀10 s左右，然后在扫描电镜下观察其微观组织及拉伸断口形貌；采用多功能X射线衍射仪测定钢中残留奥氏体的体积分数，并利用扫描电镜的EBSD(电子背散射衍射)附件对钢中的孪晶进行定量分析。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

不同锰含量热轧TWIP钢的微观组织如图1所示。

图1 热轧TWIP钢的显微组织Fig.1 Microstructures of the hot- rolled TWIP steel

XRD测得1号、2号和3号试验钢中残留奥氏体体积分数分别为10.9%、100%和100%。

为了进一步了解试验钢的孪晶变形行为，观察变形过程中微观组织的变化规律，对2号试验钢分别施加6%、10%和20%的预应变，并以10-3s-1的速率进行拉伸，再对预拉伸试样进行EBSD微观组织表征。图2分别为经6%、10%和20%变形的试验钢中的孪晶组织形貌。可以看出，随着变形量的增加，试验钢中的形变孪晶明显增多，孪晶比例由6.5%提高到8.2%，晶粒尺寸减小。

当锰的质量分数较低(如5%)时，在一般的轧制条件下基本不能得到单一的奥氏体组织，难以达到高锰钢的性能，一般不会发生TWIP效应。

当锰的质量分数高于15%时，常温下可以得到单一奥氏体组织，并得到体积分数约8%的片状孪晶组织。施加一定的外加载荷后，奥氏体晶粒内部尤其是在孪晶中会产生一定量的形变孪晶，孪晶比例随着外加载荷的增加而增加。由于孪晶界会阻碍位错移动和滑移变形，孪生变形被不断的激发，从而延迟颈缩的发生，有效提高了试验钢的延展性。同时， 由于孪生变形会改变晶体位向，使某些原来处于不利的滑移系转化到有利于发生滑移的位置，从而使滑移系发生运动；孪生变形增加了塑性变形的方式，这些都有利于基体金属均匀变形；孪生变形本身也有一定的塑性形变量，所以孪生变形有利于提高基体金属的塑性。

图2 试验钢的孪晶组织形貌Fig.2 Twin morphologies of the experimental steels

2.2 力学性能

试验钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率测试结果如图3所示。

图3 试验钢的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率Fig.3 Yield strength, tensile strength and elongation of the experimental steels

图3显示，当Mn的质量分数从5%升高到15%时，试验钢的屈服强度、抗拉强度明显降低；当Mn的质量分数从15%升高到20%时，强度下降减缓，且屈服强度在Mn的质量分数为20%时略有提高。随着Mn含量的提高，断后伸长率逐渐增加，当Mn的质量分数为20%时达到最高，为69%。

虽然Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。随着Mn含量的不断增加，钢中奥氏体不断增多， 马氏体逐渐减少，马氏体为组织中的硬相，主要为钢材提供强度，所以宏观上表现为试验钢的塑性和韧性提高、强度降低。

2.3 断口分析

试验钢的拉伸断口形貌如图4所示。Mn的质量分数为5%的1号钢发生了脆性断裂，宏观形貌比较齐平光滑， 断口有解理台阶，类似于“花瓣”、“河流”状的大面积解理，在脆断面上分布着一些滑移线，这些条带可能是位错在滑移面上运动到一定程度分离后留下的痕迹。这种现象说明,在拉伸变形过程中晶体发生了滑移， 其断口呈滑移分离的断口形貌。Mn的质量分数为15%的2号钢的断口呈少量韧窝与解理混合的断口形貌，韧性介于1号和2号钢之间。Mn的质量分数为20%的3号钢的断口宏观形貌粗糙，色泽灰暗，呈纤维状，有大量细小、等轴状韧窝，说明试验钢在变形过程中发生了韧性断裂。

图4 试验钢拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of the experimental steels

3 结论

(1)随着Mn的质量分数由5%增加到20%，试验钢中奥氏体不断增多，马氏体逐渐减少，宏观上表现为强度降低、塑性和韧性提高。当Mn的质量分数超过15%时，强度下降趋势减缓，屈服强度在Mn的质量分数为20%时略有提高；当Mn的质量分数为20%时，断后伸长率最高，为69%。

(2)当Mn的质量分数增加到约15%后，试验钢为完全奥氏体组织，拉伸试样的断裂方式由解理断裂转变为韧窝断裂。

(3)当锰的质量分数较低(如5%)时，在一般的轧制条件下基本得不到单一的奥氏体组织；当锰的质量分数高于15%时，常温下可以得到单一奥氏体组织，并且伴有片状孪晶组织。