固溶溫度對中錳TRIP鋼組織與力學性能的影響

蔣 君，辛啟斌，薛 鑫，丁 樺，馬 勇，王莉雅，方 烽

（東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004）

固溶溫度對中錳TRIP鋼組織與力學性能的影響

蔣 君，辛啟斌，薛 鑫，丁 樺，馬 勇，王莉雅，方 烽

（東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004）

以w（Mn）=8%的熱軋TRIP鋼 （即相變誘導塑性鋼）為對象，研究了熱處理工藝對其顯微組織與力學性能的影響規律.該中錳TRIP鋼在固溶溫度為800℃時，可獲得包括鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體的多相組織.與一般TRIP鋼相比，其力學性能明顯提高，在固溶加回火的條件下，實驗鋼的抗拉強度為800～1 000 MPa，延伸率達到31% ～40%，而強塑積達 （30～32）GPa%.

熱軋TRIP鋼;錳含量;固溶溫度;殘余奧氏體;力學性能

目前，環保的理念和對安全性、舒適性的要求促使車輛生產商盡可能減輕轎車車重，減少能源消耗和溫室氣體排放，因此需要提高汽車鋼板的強度和塑性［1］.TRIP鋼具有高的強度和延展性，廣泛應用于汽車行業，優越性明顯［2］.錳是TRIP鋼中的一種主要合金元素，在鋼中起固溶強化和降低Ms點的作用.Ms點下降可提高殘余奧氏體穩定性.與鋼中其他固溶強化元素相比，錳對塑性、韌性和焊接性的不利影響較小［3］.鋁是鐵素體形成元素，它的添加改變了鐵碳平衡相圖的特征，使鐵素體向奧氏體轉變的溫度提高［4］，單向奧氏體區縮小，擴大了兩相區，加強了奧氏體的穩定作用［5］.

已被廣泛研究并應用的TRIP鋼主要是錳質量分數小于2%的低錳TRIP鋼以及錳質量分數為15% ～30%的高錳TRIP/TWIP鋼，但對中錳TRIP鋼的研究還不多.國內外一些學者對于中錳TRIP鋼（Mn質量分數為4% ～10%）展開了研究，認為中錳TRIP鋼因其優越的性能有望成為第三代先進高強度鋼［6，7］，而隨著對汽車用鋼日益增長的輕量化和安全性需求，亟需發展第三代高強度用鋼（強塑積大于30 GPa%）［8］.為此，本文以錳質量分數w（Mn）=8%的中錳TRIP鋼為研究對象，研究熱處理工藝對實驗鋼的微觀組織和機械性能的影響規律.

常規TRIP鋼一般采用兩階段熱處理工藝:雙相區退火—貝氏體相變區等溫冷卻獲得鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體三相組織.針對中錳TRIP鋼的特點，實驗鋼采用固溶處理—低溫回火的熱處理工藝獲得鐵素體+馬氏體+殘余奧氏體的顯微組織，并對其力學性能進行分析.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

根據TRIP鋼中合金元素的作用和已有資料的分析，在中錳TRIP鋼基礎上進行實驗鋼的成分設計，主要化學成分（質量分數，%）為C 0.21、Al 3.97、Mn 8.02、Fe余量.

實驗鋼在感應爐中冶煉，經澆注、鍛造成100 mm×30 mm坯料，然后經8道次熱軋至4 mm厚鋼板，初軋溫度1 150℃，終軋溫度850℃，熱軋工藝如圖1所示.

1.2 實驗方法

實驗采用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀等分析手段研究含w（Mn）=8%的TRIP鋼經不同的熱處理工藝后的組織構成及其殘余奧氏體的含量、形態，并通過拉伸實驗測試TRIP鋼的各項力學性能.

熱軋鋼的熱處理工藝（見圖2）為:將熱軋后的實驗鋼進行固溶處理，即將試樣分別放入加熱到700、750、800、850 和 900 ℃的高溫爐中，保溫1.0 h，水冷.將淬火后的實驗鋼在200℃回火20 min.

熱處理后，將試樣分別制成金相、X射線衍射、SEM和TEM試樣.金相試樣采用4%的硝酸乙醇溶液處理2～3 s，然后在光學顯微鏡上觀察其顯微組織.采用X－350A型X射線衍射分析儀，利用γ相和α相衍射峰的積分強度確定殘余奧氏體的體積分數.

將經過熱處理的試樣經線切割制備成拉伸試樣.試樣在電子拉伸試驗機上以3 mm/min的速率進行拉伸試驗.

2 實驗結果與分析

2.1 殘余奧氏體含量

利用XRD測得試樣的衍射譜如圖3所示，從圖3（a）可以看出，在800℃的溫度下，實驗鋼經固溶1 h并回火后得到了較多的奧氏體組織;而實驗鋼在900℃固溶1 h回火后，沒有面心立方結構出現，即無奧氏體組織，如圖3（b）所示.

在固溶溫度800℃時，拉伸前后試樣中殘余奧氏體的變化量如圖3（a）所示，試樣拉伸變形之后，奧氏體的比例下降，體心立方相強度升高，通過計算可得，拉伸前實驗鋼的奧氏體體積分數φr=17.9%，拉斷后φr=6.4%.這表明在固溶溫度為800℃時，實驗鋼中大部分殘余奧氏體在拉伸時發生相變轉變為馬氏體，發生TRIP效應;這部分奧氏體的轉變不但增加了鋼的塑性，而且提高了鋼的強度.

2.2 顯微組織

由2.1可知，在固溶溫度800℃時，實驗鋼發生了明顯的TRIP效應，因此選取固溶溫度為800℃時的一組試樣進行觀察（見圖4）.

圖4（a）是實驗鋼固溶回火后的金相照片.實驗鋼的顯微組織為鐵素體，馬氏體和少量殘余奧氏體.圖4（b）、圖4（c）為實驗鋼固溶回火后的TEM組織，從中可觀察殘余奧氏體的形貌.試樣中的殘余奧氏體主要以薄膜狀的形式分布在馬氏體板條的間隙，或馬氏體和鐵素體之間的間隙，利于TRIP效應的發生.這是因為薄膜狀的殘余奧氏體含碳量遠高于塊狀殘余奧氏體含碳量，穩定性好，而塊狀奧氏體在很小的應變下就可以向馬氏體轉變，穩定性差，導致對TRIP效應貢獻小，所以薄膜狀的奧氏體對TRIP效應的貢獻較大［9］.

實驗鋼拉伸前后的掃描電鏡對比照片如圖4（d）和圖4（e）所示，經過拉伸變形后，鐵素體沿著某一取向排列，呈細長狀，位于馬氏體和鐵素體晶界處的殘余奧氏體量有所減少.鐵素體的變形對材料的塑性有增強作用，故實驗鋼拉伸后的塑性提高.

2.3 力學性能

實驗鋼固溶和回火后的力學性能如圖5所示.

由圖5（a）可知，隨著固溶溫度的升高，實驗鋼的抗拉強度先升高后降低.主要原因是隨著溫度的升高，馬氏體相變驅動力增大，因此淬火后馬氏體體積分數提高，奧氏體的體積分數顯著下降，這個結論從XRD結果上得到證實（見圖3）.當溫度過高時，馬氏體所占比例過高，材料塑性急劇下降，材料未達到抗拉強度即發生脆斷，材料的抗拉強度下降.

圖5 力學性能與固溶溫度的關系Fig.5 Relationship between mechanical properties and solid solution tem perature

實驗鋼的斷后延伸率隨著溫度的升高先小幅度增大后逐漸下降（750～900℃），這是因為隨著溫度的升高，馬氏體的體積分數逐漸增加，奧氏體體積分數減少，而且平均晶粒尺寸逐漸增大，因此使得材料的塑性顯著下降.

經過低溫回火后，實驗鋼的抗拉強度隨著溫度的升高先增大后減小，斷后延伸率始終增大，如圖5（a）所示.分析得知，回火后馬氏體基體的碳含量略有降低，滲碳體析出起彌散強化作用.實驗鋼（850～900℃淬火）中馬氏體的體積分數遠遠高于前者（700～800℃淬火），而馬氏體的強度主要來自過飽和碳的固溶強化效應，低溫回火后，碳化物的析出比較多，雖然能起到彌散強化作用，但是卻使得固溶強化效應大大降低了，因此材料的抗拉強度出現了下降.同時，回火后材料的淬火內應力得到部分消除，從而使材料的塑性明顯提高.

低溫回火后，材料的強塑積得到明顯的提高，這主要歸功于材料塑性的提高.材料在750～800℃固溶并回火后，綜合性能較好，實驗鋼的抗拉強度為800～1 000 MPa，斷后延伸率達到31%～40%，強塑積為（30～32）GPa%，遠高于同等強度級別的傳統TRIP鋼.因此，可以通過實際生產中控制熱處理工藝得到具有不同力學性能的中錳TRIP鋼.

TRIP鋼的力學性能與微觀組織有著密切的關系.本實驗鋼固溶回火后最終獲得由鐵素體、馬氏體和殘余奧氏體組成的三相組織.鋼的強度與淬火溫度有關，隨著淬火溫度的提高，Ms點升高，利于發生馬氏體相變，導致馬氏體含量增多，強度因此提高.鋼的塑性主要取決于顯微組織中鐵素體和殘余奧氏體的相變誘發塑性，馬氏體相的存在提高抗拉強度［10］，而殘余奧氏體的應力誘導馬氏體相變的特性，在提高強度的同時可以顯著地增強塑性，鐵素體作為軟相對塑性有貢獻.因此，實驗鋼良好的力學性能源于其各相微觀組織的合理配比.

3 結論

（1）對w（Mn）=8%的實驗鋼進行了固溶加低溫回火的熱處理工藝，在變形過程中可獲得明顯的TRIP效應，實驗鋼具有良好的強度和塑性.

（2）本實驗鋼的顯微組織為鐵素體、馬氏體和少量的殘余奧氏體.在固溶溫度為800℃并經過低溫回火后，其殘余奧氏體體積分數為17.9%，高于一般TRIP鋼的殘余奧氏體含量，拉斷后殘余奧氏體體積分數為6.4%，TRIP效應明顯.

（3）力學性能分析結果表明:在750～800℃的固溶處理和200℃的回火處理下，實驗鋼的抗拉強度為800～1 000 MPa，延伸率達到31% ～40%，強塑積高達（30～32）GPa%，綜合性能優越.該中錳TRIP鋼在組織結構和力學性能上表現出良好的發展潛能，具有廣泛的應用前景.

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Influence of the solid solution tem perature on m icrostructure and mechanical properties of M n TRIP steel

JIANG Jun，XIN Qi-bin，XUE Xin，DING Hua，MA Yong，WANG Li-ya，FANG Feng
（School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shengyang110004，China）

Based on the hot rolled TRIP steel（transformation induced plasticity steel）with 8%Mn，the influence of the heating processing on the microstructure and mechanical properties of the steel was studied.When the solid solution temperature is 800 ℃，it can get polyphase structure including ferrite、martensite and remaining austenite.Comparied with the common steel，mechanical property of the TRIP steel has a notable improvement.Under the condition of the solid solution and tempering temperature，the tensile strength of the experimental steels is 800～1 000 MPa，the specific elongation is up to 31% ～40%，and the productof tensile strength and elongation（TS×T.EL）is up to（30～32）GPa%.

heat rolled TRIP steel;Mn content;solution temperature;retained austenite;mechanical properties

TG 142.1

A

1671-6620（2012）03-0188-04

2012-05-07.

國家大學生創新性實驗計劃 （110132）.

蔣君 （1988—），女，東北大學碩士研究生，E－mail:jj2220222@126.com;丁樺 （1958—），女，東北大學教授，博士生導師.