稀土Y對TWIP鋼力學性能的影響機理

劉 鵬， 楊吉春， 劉香軍， 孫夢翔， 楊昌橋

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院， 內蒙古 包頭 014010)

孿晶誘導塑性鋼，簡稱TWIP鋼，在室溫下具有穩定的奧氏體組織，在一定應變量下產生機械孿晶，具有非常優異的力學性能。TWIP鋼的沖擊能量吸收能力是普通高強度鋼板的兩倍，因此抵抗沖擊的能力很強，在高應力的情況下還具備良好的塑性變形能力，廣泛應用于汽車板材[1-2]。米振莉等[3]發現TWIP鋼中加入合金化元素Al后，鋼的晶粒尺寸明顯變小，鋼的殘余應力明顯降低，抑制了TWIP鋼的延遲斷裂。王玉昌等[4]發現增加TWIP鋼中Mn含量時，試驗鋼基體的抗拉強度和屈服強度會有一定的減小，總伸長率增大；增加TWIP鋼中C含量時，試驗鋼基體的抗拉強度和屈服強度會先增大后減小。

由于稀土具有獨特的4f層電子結構，在鋼中添加稀土，通常會起到凈化鋼液、合金化[5-6]、強烈固氫[7]、細化晶粒[8-9]、改性夾雜物[10-11]和降低高強鋼自身對氫脆的敏感度等[12]作用。然而，在TWIP鋼中加入稀土釔(Y)的試驗研究鮮有報道。稀土Y在鋼中具有較大的固溶度，在晶界處與低熔點有害元素發生交互作用，抑制它們在晶界的偏聚，起到凈化和強化晶界的作用，抑制形變奧氏體再結晶和奧氏體晶粒長大[13-14]。為此，本文以TWIP鋼(22Mn-1.5Al-0.6C)為研究對象，添加適量稀土Y，研究稀土元素Y對TWIP鋼力學性能及顯微組織的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文以Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼作為研究對象，試驗鋼使用ZG-0.01型25 kg真空感應爐冶煉，單爐冶煉10 kg鋼錠，冶煉步驟如下：打坩堝→烘干→裝料→抽真空→加熱至鐵棒完全融化后→二次加料(碳、鋁、稀土等易揮發的合金原料)→澆注。將鋼錠放入大型馬弗爐中隨爐升溫，升溫速率設置為5 ℃/min，升溫至到1200 ℃保溫3 h，然后軋制為厚度30 mm的鋼坯。試驗鋼化學成分見表1。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

按照L0=25 mm、B=10 mm、b0=6 mm、a0=3 mm、Lc=32 mm、L=100 mm加工拉伸試樣，利用鋼研納克GNT系萬能試驗機進行拉伸試驗。夏比V型沖擊樣品的尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，缺口深度為2 mm，夾角為45°，底部曲率半徑為0.25 mm，按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗。同時，將試驗鋼加工成10 mm×10 mm×8 mm規格的樣品，利用顯微硬度計、AXIO VERT A1型蔡司顯微鏡、Sigma300型場發射掃描電鏡進行顯微硬度測試、顯微組織觀察及夾雜物的形貌、數量和尺寸統計。其中，為了保證數據的有效性，在進行顯微硬度測試的過程中，針對每個樣品進行了10個點以上的測量，然后取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 Y對力學性能的影響

觀察試樣拉伸后的形貌可以發現，1號鋼和2號鋼拉伸試樣均表現為均勻伸長且無明顯頸縮，說明試驗鋼具有良好的塑性，如圖1所示。其中，1號鋼拉伸后的長度明顯小于2號鋼，表明2號鋼的韌性比1號鋼的高。

圖1 試驗鋼拉伸后的圖片Fig.1 Photo of the tested steels after tensile test

圖2為1號鋼與2號鋼室溫下的應力-應變曲線，從圖2可以看出，1號鋼和2號鋼試樣沒有明顯的屈服，利于沖壓成形。2號鋼抗拉強度為752 MPa，較1號鋼提高了3.7%；2號鋼的屈服強度為312 MPa，較1號鋼提高了7%。2號鋼的斷后伸長率較1號鋼下降了17.8%。說明稀土Y的加入提高了TWIP鋼的強度而降低了塑性。另外，1號鋼和2號鋼的拉伸應力-應變曲線都出現了明顯的鋸齒流變現象，對于1號鋼，應力-應變曲線上臺階狀的不連續在應變值為32%時出現；當應變值達到39%時，應力-應變曲線上的鋸齒特征變得明顯。而對于2號鋼，應力-應變曲線上臺階狀的不連續幾乎與1號鋼同時出現，隨后慢慢地變成明顯的鋸齒特征。可見，稀土Y的加入對鋸齒流變開始所需的臨界應變并無太大影響，這一結果與之前報道的Fe-Mn-C系TWIP鋼中加入Al或者N可以提高鋸齒流變開始所需的臨界應變有所不同[15]。

圖2 試驗鋼的拉伸應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curves of the tested steels

圖3為1號鋼和2號鋼的硬度和沖擊吸收能量測試結果。可以看出，1號鋼的硬度平均值為306.0 HV，2號 鋼相比于1號鋼硬度有小幅的降低，硬度平均值為298.9 HV，即稀土Y的加入降低了試驗鋼的硬度。1號鋼沖擊吸收能量為178.9 J；而2號鋼的沖擊吸收能量高于1號鋼，其值為207.7 J，即稀土Y的加入提高了試驗鋼的沖擊能量吸收能力。

圖3 試驗鋼的硬度和沖擊吸收能量Fig.3 Hardness and impact absorbed energy of the tested steels

2.2 Y對晶粒度的影響

眾所周知，組織的變化會引起試驗鋼性能的改變[16]。因此，從晶粒和夾雜物的角度來探究試驗鋼力學性能改善的原因。圖4(a，b)分別為1號鋼和2號鋼的顯微組織，對比晶粒度標準圖譜，得知1號鋼的晶粒度為3級，2號鋼的晶粒度則為5級。從圖4(b)可以看出，添加稀土Y后，2號鋼平均晶粒尺寸明顯減小，根據Hall-petch公式σs=σ0+Kd-1/2(σs為材料的屈服強度；σ0為與材料有關的常數；K為常數；d為晶粒直徑)可知，試驗鋼的屈服強度與試驗鋼的晶粒尺寸的平方根成反比，即試驗鋼的晶粒尺寸越小，其屈服強度就越大，這也解釋了添加稀土Y后試驗鋼屈服強度得到明顯改善的原因。

圖4 試驗鋼的顯微組織(a)1號鋼；(b)2號鋼Fig.4 Microstructure of the tested steels(a) No.1 steel; (b) No.2 steel

2.3 Y對夾雜物的影響

2.3.1 稀土Y夾雜物的熱力學計算

TWIP鋼中夾雜物以MnS、AlN為主，夾雜物尺寸大部分為2～5 μm，Y與鋼中元素的反應式可表示為：

[Y]+x/y[M]=1/yYyMx(S)

試驗鋼中加入稀土Y后，體系中的組元有Y、C、O、Mn、S，可能進行的反應如下：

2[Y]+3[O]=Y2O3(S)

[Y]+3/2[S]=1/2Y2S3(S)

[Y]+[S]=YS(S)

由化學等溫方程式來計算夾雜物的生成自由能：

ΔG=ΔGθ+RTlnJ

(1)

式中：ΔGθ為標準摩爾吉布斯自由能。以1 mol稀土Y為標準，計算出鋼液實際條件下含Y夾雜物的生成吉布斯自由能，由生成吉布斯自由能的正負來判斷反應是否可以發生，其中：

(2)

ai=fiw[i]

(3)

(4)

表2為1600 ℃下鋼液中各元素的相互作用系數[17]。利用表2中的相互作用系數，通過式(3)、(4)計算出鋼液在1600 ℃時試驗鋼中各組元的活度，然后再利用式(1)算出含Y夾雜物的生成自由能，結果列于表3。

表2 1600 ℃下鋼液中各元素的相互作用系數

表3的計算結果表明，1600 ℃下，Y在鋼液中很容易與[O]、[S]反應，在[O]、[S]很低的情況下，Y依然能夠與之結合生成釔的氧、硫化物夾雜，脫氧、脫硫效果顯著。2號鋼中Y2O3的生成吉布斯自由能最小，因此可以判斷在鋼液凝固的過程中，試驗鋼中稀土夾雜物的析出先后順序為Y2O3、Y2S3、YS。

表3 1600 ℃下試驗鋼中稀土夾雜物的生成自由能

2.3.2 稀土Y夾雜物的定性分析

圖5為1號鋼中夾雜物的形貌和元素分布，根據SEM觀察統計，未添加稀土Y的試驗鋼中主要夾雜物為AlN、MnS、Al2O3以及MnS+AlN復合夾雜。其中，MnS夾雜物呈圓形或橢圓形，尺寸約2 μm，見圖5(a)；Al2O3夾雜呈尖角形，邊緣棱角較明顯，其長度約為4 μm(見圖5(b))，這類夾雜在鍛造和軋制時容易引起應力集中，導致工件開裂。AlN夾雜形貌為規則的幾何多邊形，尺寸約為5 μm，如圖5(c)所示；MnS+AlN復合夾雜，形狀極不規則，尺寸約為4 μm，鋼液凝固過程中以MnS為核心，AlN在其周圍富集，如圖5(d)所示。

圖5 1號鋼中夾雜物FE-SEM形貌及元素分布Fig.5 FE-SEM morphologies and element distribution of inclusions in the No.1 tested steel(a) MnS; (b) Al2O3; (c) AlN; (d) MnS+AlN

圖6 2號鋼中夾雜物FE-SEM形貌及元素分布Fig.6 FE-SEM morphologies and element distribution of inclusions in the No.2 tested steel(a) AlN+Y2S3; (b) Y2S3+Y2O3; (c) Y2S3

稀土Y很容易與鋼液中的[O]和[S]發生反應，因此鋼中容易生成YxOy、YxOyS、YxSy等夾雜物。圖6為2號鋼中夾雜物的形貌和元素分布。通過SEM觀察發現，2號鋼中主要夾雜物為Y2S3、Y2S3+Y2O3、AlN+Y2S3。圖6(a)為AlN+Y2S3，其中圓形部位為Y2S3，邊緣部分為幾何形狀規則的AlN夾雜，其尺寸為1～2 μm；圖6(b)為Y2S3+Y2O3，其中中間部分為Y2O3，邊緣部分為Y2S3，其尺寸為2～3 μm；圖6(c)為Y2S3，其尺寸為1～2 μm。綜上所述，2號鋼中的夾雜物尺寸均明顯減小，稀土Y的加入，對鋼中夾雜物進行了明顯的改性，夾雜物由原來的MnS、Al2O3改性成Y2S3和Y2O3。1號鋼中的夾雜物呈規則的幾何多邊形，棱角明顯，這類夾雜容易引起應力集中；而2號鋼中的夾雜物呈橢圓或圓形，所以2號鋼的綜合性能優于1號鋼。

圖7 試驗鋼中夾雜物數量(a)及平均尺寸(b)Fig.7 Quantity(a) and average size(b) of inclusions in the tested steels

2.3.3 夾雜物統計

本試驗在Sigma300場發射電鏡上利用OTS夾雜物分析系統統計試驗鋼中夾雜物大小和數量變化。在選取過程中每個試樣選取500個視場，檢測每個試樣中夾雜物的數量，最后統計夾雜物變化規律。

圖7(a，b)分別為1號鋼和2號鋼中夾雜物數量和尺寸的統計結果。從圖7(a)可以看出，1號鋼和2號鋼中均含有Al2O3、Al2O3-MnS、AlN、MnO、MnO-AlN、MnS等夾雜物，相比于1號鋼，由于稀土Y的加入，2號鋼中增加了稀土夾雜物種類，如Y2S3、Y2S3+Y2O3、AlN+Y2S3。2號鋼夾雜物的數量明顯減少，相比于1號鋼，夾雜物的數量降低28.5%。從圖7(b)可以看出，相比于1號鋼，除AlN以外，由于稀土Y的加入，2號鋼中夾雜物的尺寸均明顯減小。同時還可以發現，稀土Y的加入并未對AlN夾雜物的數量和尺寸有明顯的改性作用，但對大部分夾雜物都產生了明顯的改性作用，因此稀土Y的加入明顯地減小了鋼中夾雜物的數量和尺寸，對改善鋼材的力學性能起到了重要作用。

3 結論

1) 稀土Y的加入，一定程度上提高了TWIP鋼的強度和韌性，抗拉強度由725 MPa提高到752 MPa，屈服強度由290 MPa提高到312 MPa；沖擊吸收能量由178.9 J提高到207.7 J；而硬度和斷后伸長率則有小幅降低。

2) 通過熱力學計算可知含Y試驗鋼中，Y2O3的ΔG最負，因此，Y2O3最先析出，Y2S3次之。通過場發射掃描電鏡觀測可知，稀土夾雜物以Y2S3、Y2O3及復合稀土夾雜物形式存在，這與熱力學計算的結果相一致。

3) 添加稀土Y后，大部分夾雜物的數量和尺寸都有一定程度的減小，同時晶粒明顯細化，這是試驗鋼綜合力學性能改善的主要原因之一。