稀土含量對TRIP/TWIP鋼晶粒及晶界特征的影響

王立輝，劉祥東，周文強，魏 瓊，龔 濤

(寶鋼股份中央研究院武漢分院，湖北 武漢，430080)

稀土含量對TRIP/TWIP鋼晶粒及晶界特征的影響

王立輝，劉祥東，周文強，魏 瓊，龔 濤

(寶鋼股份中央研究院武漢分院，湖北 武漢，430080)

利用XRD和EBSD分析稀土含量對TRIP/TWIP高錳鋼相組成、晶粒及晶界特征的影響。結果表明，試驗鋼變形前組織以γ奧氏體為主，還有部分ε馬氏體，經過塑性變形后，組織中還觀察到少量α馬氏體；隨著稀土含量的增加，奧氏體轉變為馬氏體的量有所增加，表明稀土元素促進了試驗鋼的TRIP效應。此外，稀土元素的添加細化了試驗鋼中奧氏體晶粒，減少了小角度晶界數量而增加了大角度晶界數量，尤其是取向差為60°左右的大角度晶界；同時，稀土元素的添加也促進了低Σ值重位點陣(CSL)晶界特別是Σ3晶界的形成。

高錳奧氏體鋼；TRIP/TWIP鋼；TRIP效應；稀土；晶粒尺寸；重位點陣；晶粒取向差；晶界特征分布

能源緊張和環保壓力促使汽車制造不斷地向輕量化方向發展，而采用先進高強鋼替代傳統鋼制造汽車零部件是減輕車身材料質量的有效途徑。近年來，具有TRIP/TWIP(transformation induced plasticity/twinning induced plasticity)雙重效應的高錳奧氏體鋼因具有較高的抗拉強度(600～1200 MPa)和伸長率(40%～70%)，在汽車輕量化制造用鋼的研究中受到廣泛關注[1-2]。TRIP/TWIP高強鋼在內外應變的作用下，微觀組織中會產生機械孿晶，fcc結構的γ奧氏體會向hcp結構的ε馬氏體和bcc結構的α馬氏體轉變[2]，且鋼中原γ奧氏體的晶粒取向也會對此相變過程產生影響[3-4]，進而影響TRIP/TWIP鋼的機械性能。另一方面，TRIP/TWIP鋼由于其高錳含量及組織的特殊性，在生產加工過程中吸氫問題比較嚴重，甚至可能導致所制造的汽車零部件產生延遲斷裂[5]。研究表明，稀土元素(RE)有降低氫的擴散系數、延緩氫在裂紋尖端塑性區富集的作用，能使鋼的氫致延遲斷裂性能得到改善[6-7]。但是稀土元素的加入也會影響到TRIP/TWIP鋼的微觀結構及性能，而目前關于這方面的研究還報道較少。

基于此，本文以Fe-C-Mn系TRIP/TWIP鋼為基礎，在成分設計上添加一定量的稀土元素鑭(La)和鈰(Ce)，并利用XRD、EBSD分析RE含量對TRIP/TWIP鋼晶粒及晶界特征的影響，以期為后續TRIP/TWIP高錳鋼氫致斷裂性能的改善提供理論依據。

1 試驗材料和方法

在ZGJW0.05-100-2.5型50 kg真空感應爐中冶煉不同稀土(La、Ce)含量的TRIP/TWIP高錳鋼，其化學成分如表1所示。將熱軋后的鋼板經多道次冷軋成1.5 mm厚鋼板，在熱處理試驗機上進行退火處理。

表1 TRIP/TWIP試驗鋼化學成分(wB/%)

在D/max-2500PC型X射線衍射儀(XRD)上分析試驗鋼的物相組成，鋼樣尺寸為1.5 mm×10 mm×10 mm。依據GB/T 17359—1998標準，利用Quanta 400掃描電鏡的INCA CRYSTAL EBSD軟件裝置分析試驗鋼晶粒尺寸、取向差以及特殊晶界變化，制樣方法為：將變形前后的試驗鋼進行研磨，然后用0.5 μm金剛石噴霧拋光劑拋光，用80%甲醇和20%高氯酸配制的電解溶液，在溫度為-30 ℃、電壓為15 V、電流為0.3～0.9 A的條件下，電解腐蝕50～60 s，之后用流動的清水沖洗60 s，酒精沖洗并吹干。

2 結果和討論

2.1 稀土含量對試驗鋼相組成的影響

圖1 試驗鋼變形前后的XRD圖譜

Fig.1XRDpatternsofthetestedsteelsbeforeandafterdeformation

利用EBSD進一步對試驗鋼的微觀結構進行分析，結果如圖2和表2所示。結合圖1和圖2可知，試驗鋼變形前的組織主要由γ奧氏體和ε馬氏體(ε-M)組成，圖2(a)、圖2(c)、圖2(e)中黃色區域對應為γ相，黑色部分對應為ε-M相；經過變形后，試驗鋼組織主要由奧氏體、ε馬氏體和α馬氏體(α-M)組成，其中圖2(b)、圖2(d)、圖2(f)中品紅色區域對應為γ相，黃色為ε-M相，黑色為α-M相。由表2可見，隨著RE含量的增加，變形前的試驗鋼中奧氏體含量減少，表明稀土元素促進了熱致馬氏體相變，主要是因為稀土元素降低了奧氏體的層錯能[8]，使Ms點升高[9-10]，縮小了奧氏體相區，從而導致在后續熱處理的冷卻過程中，鋼中奧氏體含量隨RE含量的增加而減少，熱誘發馬氏體相變量增加。塑性變形后，隨著RE含量的增加，鋼中奧氏體含量也有所減少，即發生γ→ε→α或γ→α馬氏體相變，表明稀土元素促進了試驗鋼的TRIP效應，這是因為低的奧氏體層錯能會促使其中不穩定的奧氏體在變形過程中向馬氏體轉變，即TRIP效應增強。從表2中還可以看出，同一試驗鋼變形前后，ε-M量變化不明顯，α-M的生成量卻隨RE含量的增加明顯增多，根據文獻[11-12]可知，這除了與層錯能有關外，還與奧氏體的晶粒尺寸有關，即晶粒尺寸越細小，α-M的生成量越多；同時，由于RE具有與ε-M相一致的點陣結構(hcp)，促進了ε-M相的穩定性，使得ε-M相并沒有受到太多層錯能降低和晶粒細化的影響。

(a)1#鋼，變形前 (b)1#鋼，變形后

(c)2#鋼，變形前 (d)2#鋼，變形后

(e)3#鋼，變形前 (f)3#鋼，變形后

圖2試驗鋼變形前后的EBSD相分布

Fig.2EBSDphasedistributionsofthetestedsteelsbeforeandafterdeformation

表2試驗鋼變形前后的相組成(單位：%)

Table2Phasecompositionsofthetestedsteelsbeforeandafterdeformation

鋼樣條件γε-Mα-M1#變形前93.36.70變形后82.913.73.42#變形前82.617.40變形后70.524.94.63#變形前74.925.10變形后58.232.49.4

2.2稀土含量對試驗鋼晶粒尺寸的影響

不同RE含量的TRIP/TWIP高錳鋼變形前的晶粒尺寸分布情況如圖3所示。由圖3可知，與未添加RE的高錳鋼相比，添加RE的試驗鋼中，大尺寸晶粒的數量明顯減少，尺寸較小晶粒的數量明顯增加，但當鋼中RE含量由0.035%增至0.061%時，晶粒尺寸分布情況變化不明顯。由于奧氏體晶粒不規則，特將晶粒尺寸以等效圓面積表示，計算得1#、2#、3#試驗鋼的平均晶粒面積分別約為12.61、8.53、8.44 μm2，可見稀土元素不同程度地細化了試驗鋼的奧氏體晶粒，主要是因為稀土元素在鋼中存在一定的晶界偏聚，固溶的稀土元素及在高溫下穩定存在且彌散分布的稀土氧化物對晶界和位錯的釘扎，抑制了晶粒的長大[13]。文獻[14]表明，晶粒尺寸大小和形變孿晶產生的臨界應力滿足Hall-Petch關系，即

σT=σ0+KTd-A

(1)

(a)1#鋼

(b)2#鋼

(c)3#鋼

式中：σT為形變孿晶產生的臨界應力；σ0為晶格摩擦阻力；KT為常數；d為晶粒尺寸；A為常數，0.5≤A≤1。

由上式可知，晶粒尺寸減小使變形過程中的形變孿晶形核臨界應力增大，抑制形變孿晶的產生，從而影響了試驗鋼微觀組織的變化。

2.3 稀土含量對試驗鋼晶粒取向差的影響

為剔除內應力的影響，只取變形前試驗鋼的晶粒取向差進行分析，同時剔除2°以下的晶粒取向差，結果如圖4所示。試驗鋼的晶粒取向分布中，綠色為2°～12.1°，青色為12.1°～22.1°，紅色為22.1°～32.2°，品紅色為32.2°～42.2°，黃色為42.2°～52.2°，白色為52.2°～62.3°。由圖4可以看出，1#試驗鋼的小角度晶界(θ<15°)數量最多，占晶界總量的46.73%，且與大角度晶界(θ>15°)數量相差不大，2#試驗鋼中大角度晶界所占比例(62.06%)明顯增加，而3#試驗鋼中大角度晶界數量最多，比例為72.85%，這表明在同樣的加工工藝下，RE元素降低了鋼中小角度晶界數量而增加了大角度晶界數量，尤其是取向差為60°左右的大角度晶界，進一步證實了RE元素有細化試驗鋼奧氏體晶粒的作用。此外，在fcc結構金屬中，由于孿晶是沿{111}面法線旋轉60°而形成的變體[15]，而60°附近的大角度晶界數量多，表明試驗鋼中有孿生現象發生。

(a)1#鋼

(b)2#鋼

(c)3#鋼

2.4 稀土含量對試驗鋼重位點陣晶界的影響

不同RE含量的TRIP/TWIP高錳鋼變形前的重位點陣(coincidence site lattice，CSL)晶界分布如圖5所示。根據重位點陣理論，晶界可分為低Σ值CSL晶界(3≤Σ≤29)和隨機晶界(Σ>29)，表3即為試驗鋼中低Σ值CSL晶界的出現頻率，其中λ1表示為Σ≤29的CSL晶界占總CSL晶界的百分比，λ2為Σ3晶界占Σ≤29的CSL晶界的百分比，數據統計誤差均在0.01%以內。結合圖5和表3可知，與未添加RE的TRIP/TWIP高錳鋼相比，添加RE的高錳鋼中Σ3晶界出現的頻率明顯增加，且其也隨著稀土含量的升高略有增加，這表明RE元素有促進低Σ值CSL晶界特別是Σ3晶界形成的作用。

(a)1#鋼

(b)2#鋼

(c)3#鋼

低Σ值CSL晶界為低能晶界，與隨機晶界相比具有優良的性能(如低的晶界能)，對晶界滑移及局部腐蝕有更強的抵抗力，且由兩條或兩條以上CSL晶界構成的三叉晶界也具有強抗腐蝕和開裂能力[16]。隨著RE含量的增加，鋼中隨機分布的Σ3晶界數量得到提高，表明RE提高了試驗鋼的強韌性和耐腐蝕性。文獻[17]指出，fcc結構金屬中的孿晶界具有標準的Σ3取向，文獻[18]采用EBSD取向成像技術給出了關于TRIP/TWIP鋼的Σ3孿晶界。多晶材料中大量普通晶界形成一個晶界網絡，而大量隨機分布的低Σ值CSL晶界打斷了普通晶界的連通性，有效抑制了裂紋沿普通晶界的傳播，從而使材料強韌性得到改善[19-20]。

表3試驗鋼中低Σ值CSL晶界的出現頻率(單位：%)

Table3OccurrenceratesoflowΣ-valueCSLgrainboundariesinthetestedsteels

鋼樣λ1λ21#87.5265.902#87.8869.063#89.6770.71

3 結論

(1)試驗用TRIP/TWIP高錳鋼變形前的組織以γ奧氏體為主，還有部分ε馬氏體，變形后的組織有少量α馬氏體生成；隨著稀土含量的增加，高錳鋼中奧氏體含量減少，且塑性變形后，(110)α衍射峰增強，表明稀土元素促進了試驗鋼的馬氏體相變，即TRIP效應增強。

(2)添加少量稀土元素可以細化試驗用TRIP/TWIP高錳鋼的晶粒，降低小角度晶界數量，而增加了大角度晶界數量，尤其是取向差為60°左右的大角度晶界，同時也促進了低Σ值CSL晶界，特別是Σ3晶界的形成。

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[責任編輯董貞]

EffectofrareearthcontentonthegrainandgrainboundaryfeaturesofTRIP/TWIPsteels

WangLihui,LiuXiangdong,ZhouWenqiang,WeiQiong,GongTao

(Wuhan Branch of Baosteel Central Research Institute, Wuhan 430080, China)

The effects of rare earth (RE) content on the phase composition, grain and grain boundary features of high manganese TRIP/TWIP steels were analyzed by XRD and EBSD. The results show that, the microstructure of the tested steels before deformation mainly consists of γ-austenite and some ε-martensite, and a small amount of α-martensite is observed in the as-deformed steels. As the RE content increases, the amount of martensite transformed from austenite increases, indicating that RE can promote the TRIP effect of the tested steels. What’s more, the addition of RE can refine the austenite grains, reduce the amount of small-angle boundaries and increase the number of large-angle boundaries in the tested steels, especially the boundaries with misorientation angles about 60°. Meanwhile, the addition of RE also facilitates the formation of low Σ-value coincidence site lattice (CSL) grain boundaries, especially the Σ3 grain boundaries.

high manganese austenitic steel; TRIP/TWIP steel; TRIP effect; rare earth; grain size; CSL; grain misorientation; grain boundary distribution

TG115.22；TG142.25

A

1674-3644(2017)06-0401-07

2017-06-19

“十三五”國家重點研發計劃資助項目(2016YFB0101606).

王立輝(1977-)，男，寶鋼股份中央研究院武漢分院高級工程師，博士.E-mail:wlh337@163.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.06.001