合金元素 Al 對 C-Si-Mn 系高強鋼高溫熱力學影響

冷德平 肖洋洋 盧茜倩 崔 磊

近年來汽車行業節能減排的硬性需求極大激發了各大鋼企及科研院所對汽車用高強鋼的研發，從第一代DP/TRIP 鋼，第二代TWIP 鋼到第三代QP 鋼，一方面，高強鋼的發展逐步向兼具高強塑性及低成本方向發展，另一方面，隨著產品強度的不斷提升，對鋼企現有產線設備能力提出了不小挑戰[1-2]。

金屬材料的塑性變形抗力是指在給定的變形條件下，所研究的金屬材料能夠實現塑性變形的應力，是衡量其可鍛性能優劣的重要標志。通過熱變形行為研究可以了解不同變形條件下的變形抗力，為提高軋制力的預報精度及保證軋鋼產品的尺寸精度提供依據，尤其在高強鋼強度逐步提升而現有產線設備能力不變的情況下，提前了解材料的軋制力并確定合適的試制工藝尤為重要，具有重要的學術意義和工程價值[3-4]。

目前汽車用高強鋼以C-Si-Mn 系產品為主，通過適當QP 工藝或TRIP 工藝后可獲得良好的強塑性能及成形性能。本文擬添加部分Al 元素降低Si 元素含量，以提高產品的表面質量，并通過DIL805A/D 淬火/變形膨脹儀分析加入Al元素前后實驗鋼熱變形抗力變化情況。

1 實驗材料及方法

本文所用實驗鋼為Nb、Ti 微合金化C-Mn-Si-Al 鋼成分，其化學成分如表1 所示。鑄錠經真空感應爐冶煉，鑄坯經鍛造后熱軋至厚度為10mm 的中間坯，隨后加工成φ5mm×10mm 的圓柱形試樣。利用Thermal-calc 熱力學軟件對實驗鋼進行熱力學計算，計算所選用的數據庫為TCFE9 數據庫，由于P，S，N，O 含量很少，且對計算結果影響很小，因此不計入成分計算。利用DIL805A/D 淬火/變形膨脹儀，采用單一變量法，分別研究變形溫度（880℃～1000℃）、變形量（10%、50%）和應變速率（10s-1）對兩種實驗鋼變形抗力的影響，工藝路徑圖如圖1 所示。

圖1 實驗鋼熱變形工藝示意圖

2 實驗結果與分析

2.1 平衡相圖計算

為了確定不同溫度下實驗鋼相組成及其所占比例，用Thermal-calc 軟件計算并作出實驗鋼的相體積分數圖，見圖 2。經計算，1# 實驗鋼的 Ac1 點溫度為 687℃，Ac3 點溫度為 826℃；2# 實驗鋼的 Ac1 點溫度為 689℃，Ac3 點溫度為877℃。理論計算證明，適當Al 元素能夠有效擴大兩相區溫度窗口，有利于實際退火過程中高溫段相比例的調控，同時整體馬氏體相變溫度區間上移。

2.2 變形溫度及變形量對熱變形抗力的影響

圖3 為兩種不同成分實驗鋼在不同變形溫度及變形量下的真應力-真應變曲線。隨著應變的增加，變形抗力先增加達到峰值，隨后逐漸降低，這主要與熱加工過程的動態硬化與軟化有關，當應變較小時，急劇加工硬化導致流變應力快速上升；隨變形程度增大，動態回復導致的軟化增大，流變應力上升速度減慢；變形程度繼續增大，材料內部形變存儲能逐漸增大，最終誘發部分再結晶，軟化作用與加工硬化作用達到平衡，流變應力達到峰值并逐漸趨于平緩。當溫度一定時，觀察圖3（a）與（c）、圖 3（b）與（d），變形量為 10%的各個溫度下的峰值應力明顯小于變形量為50%的相應溫度下的峰值應力；當變形量一定時，峰值應力隨著變形溫度的增加而減小，這主要是因為變形溫度升高時，原子的熱激活過程增強，位錯的活動能力增強，變形過程中可以有更多的位錯進行攀移和滑移，從而使軟化過程更為突出，流變應力降低。

2.3 合金元素Al 對熱變形抗力的影響

圖4 為兩種成分實驗鋼在840℃～1000℃不同溫度下，不同變形量與熱變形抗力應力峰值對應關系。除960 ℃變形溫度外，在相同變形量及變形溫度下，添加一定Al元素的2# 實驗鋼的變形抗力峰值均大于無Al 元素的1#實驗鋼，且隨著溫度增加，兩者應力峰值差值呈減小趨勢。這是由于Al 元素具有較好的固溶強化效果，Al 元素的添加增加了C-Mn-Si 系鋼的流變應力，有研究指出Al的強化效果之所以較高與其晶格錯配參數及其與奧氏體中 C、N 親和力有關[5]；Hamada 等曾研究 Al 對高錳 TWIP鋼的影響，發現Al 元素能顯著提高實驗鋼的熱變形流變應力[6]，與本文研究結果一致。

表1 實驗用鋼的化學成分（質量分數，wt.%）

圖2 實驗鋼相體積分數圖

圖4 實驗鋼不同變形溫度及變形量下的應力峰值

3 結論

（1）結果表明：變形溫度以及變形量對實驗鋼高溫變形抗力影響較大。變形量為10%的各個溫度下的峰值應力明顯小于變形量為50%的相應溫度下的峰值應力；變形量一定時，峰值應力隨著變形溫度的增加而減小。

圖3 實驗鋼不同變形溫度及變形量下的熱變形抗力

（2）合金元素Al 對實驗鋼Ac3 溫度影響較大，適當添加Al元素能夠有效擴大兩相區溫度窗口，有利于實際退火過程中高溫段相比例的調控，同時整體馬氏體相變溫度區間上移。

（3）Al 元素可顯著提高實驗鋼的熱變形抗力，這主要與Al的固溶強化作用并延遲動態再結晶有關。