王玉昌，蘭 鵬，李 楊，張家泉

(北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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合金元素對(duì)Fe-Mn-C系TWIP鋼力學(xué)行為的影響

王玉昌，蘭 鵬，李 楊，張家泉

(北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

采用熱力學(xué)計(jì)算、靜態(tài)拉伸、XRD、OM與SEM等方法分析了 Fe-Mn-C系TWIP鋼中合金元素對(duì)基體力學(xué)行為的影響。結(jié)果表明：TWIP鋼中Mn含量增加時(shí)，基體的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均減小，總伸長(zhǎng)率增大；C含量增加時(shí)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)存在最大值；當(dāng)Mn含量為20%時(shí)，TWIP鋼總伸長(zhǎng)率隨C含量增加而增大，而Mn含量為22%時(shí)則相反。TWIP鋼的強(qiáng)塑積隨Mn含量的增加而增大，其在C含量為0.4%試樣中的體現(xiàn)尤為明顯。對(duì)于Mn含量為20%的TWIP鋼，其強(qiáng)塑積隨C含量增加而增大；而對(duì)于Mn含量為22%的TWIP鋼，其強(qiáng)塑積隨C含量增加而減小。

TWIP鋼；合金元素；力學(xué)行為；層錯(cuò)能

汽車輕量化為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了新的契機(jī)。雙相鋼、多相鋼、相變誘導(dǎo)塑性(Transformation Induced Plasticity，TRIP)鋼和孿晶誘導(dǎo)塑性(Twinning Induced Plasticity，TWIP)鋼已逐漸受到企業(yè)和學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。TWIP鋼是集高強(qiáng)度、高塑性和高加工硬化率于一體的先進(jìn)汽車用鋼，其強(qiáng)塑積可達(dá)傳統(tǒng)汽車鋼的3倍以上，在白車身輕量化研究中具有突出優(yōu)勢(shì)[5]。早在2005年，安塞洛米塔爾和蒂森克虜伯即開(kāi)始攻關(guān)Fe-22Mn-0.6C TWIP鋼的工業(yè)化難題[6]；2009年，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司率先打通了Fe-18Mn-0.6C-1.5Al TWIP鋼冶煉-澆鑄-軋制生產(chǎn)線[7]；同年，我國(guó)的寶鋼[8]、鞍鋼[9]、北京科技大學(xué)[10,11]、東北大學(xué)[12]等也相繼著手開(kāi)發(fā)TWIP鋼，對(duì)材料制備、測(cè)試、表征和形變機(jī)制等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但相關(guān)成果遠(yuǎn)不及國(guó)外顯著。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)僅寶鋼、鞍鋼能夠提供TWIP 950級(jí)別的冷軋產(chǎn)品。已有研究表明，第一代Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼具有良好的強(qiáng)度和卓越的塑性，二者分別約為600MPa和100%。然而，Si, Al合金化為TWIP鋼工業(yè)化帶來(lái)難以避免的澆注和涂鍍問(wèn)題[13,14]；第二代TWIP鋼以Fe-Mn-C(-Al)系為主，與第一代TWIP鋼相比強(qiáng)度有所提高而塑性略有下降，其值分別可達(dá)1000MPa和60%。合金成分優(yōu)化后該系列TWIP鋼的澆注和加工性能明顯改善，已在歐洲和韓國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前，已開(kāi)發(fā)的兩代TWIP鋼均是先進(jìn)高強(qiáng)度汽車鋼領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

TWIP鋼的強(qiáng)/塑性機(jī)制與常見(jiàn)鋼種差異明顯，其形變時(shí)以孿生、滑移以及二者的交互作用為主。對(duì)于奧氏體TWIP鋼來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)計(jì)算基體的堆垛層錯(cuò)能建立成分控制策略[15,16]。當(dāng)層錯(cuò)能低于12mJ·m-2時(shí)，基體通過(guò)形變誘導(dǎo)相變避免局部變形進(jìn)而改善塑性；當(dāng)層錯(cuò)能在12～35mJ·m-2范圍內(nèi)時(shí)，其變形后會(huì)產(chǎn)生大量機(jī)械孿晶，在動(dòng)態(tài)Hall-Petch效應(yīng)下基體伸長(zhǎng)率顯著提高；而當(dāng)層錯(cuò)能高于35mJ·m-2時(shí)，相變和孿生均難以發(fā)生，位錯(cuò)滑移成為基體塑性變形的主要機(jī)制。實(shí)際上，堆垛層錯(cuò)能優(yōu)化TWIP鋼的成分設(shè)計(jì)是基于形變機(jī)制范疇，仍不能直接預(yù)測(cè)基體強(qiáng)度與塑性的變化規(guī)律。已有研究大多是針對(duì)Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼合金元素與產(chǎn)品力學(xué)行為關(guān)系進(jìn)行的理論和實(shí)驗(yàn)分析[17-20]，而關(guān)于Fe-Mn-C系TWIP鋼的報(bào)道較少。本工作基于ThermoCalc軟件預(yù)測(cè)7種TWIP鋼試樣的基體組織，根據(jù)熱力學(xué)模型計(jì)算不同鋼種的堆垛層錯(cuò)能并探討其與化學(xué)成分的相關(guān)性，采用MAC-21 超高功率X射線衍射儀檢測(cè)試樣形變前后的相結(jié)構(gòu)，通過(guò)FEI MLA 250掃描電子顯微鏡和OLYMPUS LEXT OLS4000光學(xué)顯微鏡表征基體晶粒形貌特征，結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果揭示了溶質(zhì)元素對(duì)Fe-Mn-C系奧氏體TWIP鋼拉伸行為的影響，為下一代高強(qiáng)、高韌汽車鋼的成分調(diào)控提供可靠的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用25kg中頻真空感應(yīng)爐在氬氣保護(hù)下冶煉不同成分的Fe-Mn-C系TWIP鋼，各鑄錠的實(shí)測(cè)成分如表1所示。為了改善試樣均質(zhì)性，將TWIP鋼鑄錠在1200℃擴(kuò)散退火2h，之后鍛至截面尺寸為30mm×80mm的中間坯；經(jīng)1200℃保溫1h后采用直徑350mm雙輥軋機(jī)進(jìn)行熱軋，其厚度約為4.0mm；采用濃鹽酸清洗TWIP鋼熱軋板的氧化鐵皮，而后在室溫下經(jīng)10道次軋至最終厚度約為1.6mm；利用箱式退火爐對(duì)TWIP鋼冷軋?jiān)嚇舆M(jìn)行熱處理，退火溫度為750℃，保溫時(shí)間為10min；考慮到TWIP鋼試樣高溫時(shí)的氧化比較嚴(yán)重，將其表面厚約0.3mm的脫錳脫碳層磨去。

表1 Fe-Mn-C系TWIP鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

根據(jù)美國(guó)ASTM E8M標(biāo)準(zhǔn)制備TWIP鋼板材拉伸試樣，標(biāo)距寬度為6mm，長(zhǎng)度為25mm。采用CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試7種Fe-Mn-C系TWIP薄板試樣的拉伸性能，初始應(yīng)變率設(shè)置為0.001s-1，引伸計(jì)量程為100%。由于TWIP鋼的屈服特征不顯著，測(cè)試中以塑性變形為0.2%的應(yīng)力值作為試樣的屈服強(qiáng)度。試樣的相結(jié)構(gòu)采用MAC-21 超高功率X射線衍射儀來(lái)檢測(cè)，Cu靶，電壓為40kV，掃描速率為5(°)/min。TWIP鋼拉伸前、后基體的晶粒形貌通過(guò)FEI MLA 250掃描電子顯微鏡(加速電壓為30kV)和OLYMPUS LEXT OLS4000光學(xué)顯微鏡表征。

2 模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

基于ThermoCalc軟件TCFE6數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算1200℃和600℃時(shí)Fe-Mn-C系的三元相圖，如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，當(dāng) Mn含量大于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)Fe-Mn-C系TWIP鋼可獲得奧氏體基體(FCC_A1)。由于ThermoCalc軟件預(yù)測(cè)Mn含量的有效區(qū)間為0%～20%，更高含量時(shí)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性仍有待驗(yàn)證。盡管如此，可初步判定實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的7種TWIP鋼基體為單一奧氏體。

圖1 Fe-Mn-C系的三元相圖 (a)1200℃；(b)600℃Fig.1 Phase diagrams of Fe-Mn-C ternary system (a)1200℃;(b) 600℃

根據(jù)雙亞點(diǎn)陣模型計(jì)算Fe-Mn-C系奧氏體鋼25℃時(shí)的堆垛層錯(cuò)能如圖2所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[21-23]。對(duì)于成分為0.4%～0.7%C，20%～24%Mn的TWIP鋼來(lái)說(shuō)，其基體的堆垛層錯(cuò)能隨Mn，C含量增加而增大，反映了合金元素對(duì)TWIP鋼形變機(jī)制的直接影響。表2為該模型預(yù)測(cè)的7種TWIP鋼的層錯(cuò)能值。由表2數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)鋼種的層錯(cuò)能為14.0～33.5mJ·m-2，基本位于TWIP效應(yīng)對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)[15]，形變時(shí)將以孿生誘導(dǎo)塑性為主要機(jī)制。

圖2 Fe-Mn-C系奧氏體鋼25℃時(shí)的堆垛層錯(cuò)能Fig.2 Stacking fault energy(SFE) of Fe-Mn-C austenite steels at 25℃

SpecimenNo．SFE/(mJ·m-2)1#14．02#20．43#19．44#23．05#26．36#29．47#33．5

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為3#和5#試樣各流程下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可見(jiàn)，F(xiàn)e-Mn-C系TWIP鋼力學(xué)性能不同于常見(jiàn)鋼種，同時(shí)兼具高強(qiáng)度和高塑性的特征。由于TWIP鋼具有面心立方的奧氏體結(jié)構(gòu)，其靜態(tài)拉伸時(shí)均勻伸長(zhǎng)率(Agt)與總伸長(zhǎng)率(At)比較接近，間接反映了低層錯(cuò)能基體形變過(guò)程中對(duì)動(dòng)態(tài)回復(fù)的抑制以及對(duì)加工硬化的改善。表3是室溫下TWIP鋼試樣在應(yīng)變率為0.001s-1時(shí)的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。盡管TWIP鋼的溶質(zhì)含量不同，但熱軋、冷軋和退火后試樣拉伸性能均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。熱軋后各TWIP鋼試樣可獲得良好強(qiáng)度與塑性的結(jié)合，冷軋后抗拉強(qiáng)度(Rm)大幅提高而塑性顯著降低，退火后大部分試樣的綜合拉伸性能有所提高。本研究中TWIP鋼冷軋-退火板材的屈服強(qiáng)度(Rp0.2)在390～460MPa范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度基本在950～1100MPa水平，伸長(zhǎng)率大體處于0.50～0.70之間，而強(qiáng)塑積(Rm×At)可達(dá)50～70GPa·%。分析表明，7種TWIP試樣的屈強(qiáng)比大多低于0.50，說(shuō)明其均具備良好的加工硬化性能。

圖4為7種TWIP鋼試樣拉伸前后的X射線衍射結(jié)果。由圖4可見(jiàn)，各TWIP鋼試樣拉伸前為單一奧氏體基體，與ThermoCalc軟件預(yù)測(cè)結(jié)果一致(見(jiàn)圖1)；各試樣奧氏體特征峰非常明顯，衍射譜峰值高、峰寬小，說(shuō)明形變前基體晶粒尺度相對(duì)較大。本實(shí)驗(yàn)中7種TWIP鋼板材靜態(tài)拉伸后僅在1#試樣中發(fā)現(xiàn)了極少量ε馬氏體，其余試樣均仍為單一奧氏體，即形變過(guò)程中未發(fā)生γ→ε轉(zhuǎn)變；拉伸后各奧氏體特征峰寬化鈍化，說(shuō)明形變過(guò)程中形成了大量的機(jī)械孿晶細(xì)化了基體，如圖5所示。值得注意的是，試樣形變時(shí)其晶粒取向也發(fā)生了變化，奧氏體γ(111)和γ(222)峰值明顯降低，而γ(220)峰值升高，說(shuō)明拉伸過(guò)程中晶粒向有利于孿生的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 Fe-Mn-C系TWIP鋼工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (a)3#；(b)5#Fig.3 Engineering stress-strain curves of Fe-Mn-C TWIP steels (a)3# ;(b)5#

SpecimenNo．ProcessRp0．2/MPaRm/MPaRp0．2/RmAgt/%At/%(Rm×At)/(GPa·%)1#Hotrolled511．91039．30．492545．9059．4761．8Coldrolled-1460．3----Annealed437．71023．10．427847．2548．0449．12#Hotrolled503．21032．70．487337．1437．2738．5Coldrolled-1459．0----Annealed459．81101．80．414656．6657．2563．13#Hotrolled331．5917．70．361250．6857．9253．2Coldrolled-1532．4----Annealed401．7985．30．407754．5567．9867．04#Hotrolled354．5993．20．356952．9459．9859．6Coldrolled-1389．5----Annealed392．51007．20．389750．1360．8161．25#Hotrolled309．1860．90．359052．4660．1051．7Coldrolled-1420．4----Annealed423．21044．30．405250．8458．8561．56#Hotrolled533．81021．50．522621．8922．7823．3Coldrolled-1420．4----Annealed396．0973．00．407051．3156．7155．27#Hotrolled416．01002．10．415155．8266．9067．0Coldrolled-1437．7----Annealed419．31026．10．408654．8566．4168．1

圖4 TWIP鋼拉伸前后的X射線衍射結(jié)果 (a)拉伸前；(b)拉伸后Fig.4 X-ray diffraction results of TWIP steels (a)before tension;(b)after tension

圖5 TWIP鋼試樣的晶粒形貌 (a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#Fig.5 Grain morphology of TWIP steels (a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#

3 分析和討論

大量研究表明，實(shí)現(xiàn)TWIP鋼高強(qiáng)度與高塑性良好結(jié)合的重要條件是其基體必須為面心立方奧氏體。根據(jù)圖1可知，當(dāng)TWIP鋼中Mn含量高于15%時(shí)可獲得600℃的單一奧氏體基體。然而，ThermoCalc數(shù)據(jù)庫(kù)中Mn含量有效范圍為0%～20%，其在高合金Fe-Mn-C TWIP鋼相組分預(yù)測(cè)中的應(yīng)用仍存在爭(zhēng)議。圖4(a)中證實(shí)7種TWIP鋼試樣X(jué)射線衍射測(cè)試中并未發(fā)現(xiàn)鐵素體或馬氏體，與TCFE 6.0數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算結(jié)果完全一致，因此，當(dāng)前仍可參考ThermoCalc的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行Fe-Mn-C系TWIP鋼的成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

對(duì)于FCC結(jié)構(gòu)的奧氏體來(lái)說(shuō)，堆垛層錯(cuò)能較低時(shí)滑移的靈便性變差，擴(kuò)展位錯(cuò)難以束集，不利于交滑移進(jìn)行，反而容易誘發(fā)孿晶。本研究中7種TWIP鋼堆垛層錯(cuò)能位于14.0～33.5mJ·m-2之間，形變時(shí)將以孿生誘導(dǎo)塑性為主要機(jī)制[15]，XRD和SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4與圖5)也證實(shí)了試樣拉伸時(shí)基體中發(fā)生了TWIP效應(yīng)。盡管1#試樣拉伸后基體中檢測(cè)到少量ε馬氏體，綜合分析其力學(xué)性能可判定孿生行為仍是塑性變形的主要機(jī)制。根據(jù)圖5可知，冷軋TWIP鋼750℃退火10min后，基體晶粒的平均尺寸約為10～20μm。試樣拉伸后基體中出現(xiàn)大量形變孿晶，且由于取向差異仍可觀察到少數(shù)未發(fā)生孿生變形的晶粒。

圖6、圖7和圖8分別是Fe-Mn-C系TWIP鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和總伸長(zhǎng)率隨合金元素含量的變化規(guī)律。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，TWIP鋼冷軋-退火試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨Mn含量增加而減小，而總伸長(zhǎng)率隨Mn含量增加而增大。對(duì)比0.4%C和0.6%C的兩組數(shù)據(jù)可見(jiàn)，這一規(guī)律對(duì)基體中的碳含量并不敏感。Frommeyer等[5]對(duì)不同Mn含量的Fe-Mn-Si-Al系試樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Mn含量在15%～30%范圍內(nèi)增大時(shí)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度減小，而均勻伸長(zhǎng)率和總伸長(zhǎng)率增加；Ding等[17]通過(guò)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)分析了Fe-24Mn-3Si-3Al和Fe-33Mn-3Si-3Al兩種TWIP鋼的拉伸性能，表明試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨Mn含量增加而減小，而伸長(zhǎng)率隨Mn增加而增大；Mi等[18]分析了Fe-(16,19,23,28)Mn-3Si-3Al系TWIP鋼固溶水韌試樣的靜態(tài)拉伸行為，房秀慧等[19]表征了Fe-(18～30)-3Si-3Al 3種TWIP鋼鍛后試樣的力學(xué)性能和孿生織構(gòu)，陸惠菊等[20]測(cè)定了Fe-(15～32)Mn-3Si-3Al系5種冷軋-退火試樣的力學(xué)行為和相組分，以上研究中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼中高M(jìn)n合金化可以降低強(qiáng)度而提高塑性，這與本研究對(duì)Fe-Mn-C系TWIP鋼的分析結(jié)論是一致的。Hoffmann等[24]比較了Fe-18Mn-0.6C和Fe-23.5Mn-0.6C兩種TWIP鋼在不同應(yīng)變速率下的拉伸性能，靜態(tài)拉伸時(shí)基體的抗拉強(qiáng)度隨Mn含量增加而降低，伸長(zhǎng)率則隨之增大，動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)這一規(guī)律并不明顯；Hong等[25]分析了兩種TWIP鋼Fe-18Mn-0.6C和Fe-22Mn-0.6C在應(yīng)變率為0.001s-1條件下力學(xué)行為，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本研究揭示的變化規(guī)律完全相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)論的可靠性。根據(jù)圖2和表2可知，當(dāng)基體中Mn含量增加時(shí)，體系層錯(cuò)能略有增大，在一定程度上抑制了馬氏體相變而有利于孿生，進(jìn)而強(qiáng)度下降而塑性增加。對(duì)比圖5(a)，(c)可以看出，當(dāng)TWIP鋼中Mn含量從20%增加到22%時(shí)，拉伸后試樣中形變孿晶密度明顯增加，促進(jìn)基體伸長(zhǎng)率提高。

圖6 TWIP鋼屈服強(qiáng)度隨合金元素含量的變化 (a)Mn;(b)CFig.6 Yield strength variation against alloying element content in TWIP steels (a)Mn;(b)C

圖7 TWIP鋼抗拉強(qiáng)度隨合金元素含量的變化 (a)Mn;(b)CFig.7 Tensile strength variation against alloying element content in TWIP steels (a)Mn;(b)C

圖8 TWIP鋼伸長(zhǎng)率隨合金元素含量的變化 (a)Mn;(b)CFig.8 Total elongation variation against alloying element content in TWIP steels (a)Mn;(b)C

當(dāng)Fe-Mn-C系TWIP鋼中C含量增加時(shí)，基體的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在C含量為0.6%時(shí)存在最大值；TWIP鋼總伸長(zhǎng)率隨C含量的變化與Mn含量有關(guān)。對(duì)于Mn含量為20%的試樣，其伸長(zhǎng)率隨C含量增加而增大；而當(dāng)Mn含量為22%時(shí)，其伸長(zhǎng)率隨C含量增加而減小。通常，C原子在Fe-Mn合金中為間隙固溶，導(dǎo)致基體中產(chǎn)生晶格畸變，其周圍的應(yīng)力場(chǎng)及其形成的C-Mn原子團(tuán)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而屈服強(qiáng)度隨C含量增加而增大。Fe-Mn-C系TWIP鋼的抗拉強(qiáng)度不僅與TRIP/TWIP效應(yīng)有關(guān)，還受到C的固溶作用及基體中碳化物的影響[26]。當(dāng)TWIP鋼中含碳量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，其固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，有利于提高抗拉強(qiáng)度；同時(shí)由于堆垛層錯(cuò)能的增大而促進(jìn)孿晶形成，改善了基體塑性。當(dāng)C含量過(guò)高時(shí)可能在晶界處形成的碳化物惡化了材料的拉伸性能，此時(shí)的變形機(jī)制與Hadfield鋼[27]比較相近。TWIP鋼的伸長(zhǎng)率主要與形變孿晶的形成和擴(kuò)展有關(guān)。對(duì)于Mn含量為20%的TWIP鋼，其堆垛層錯(cuò)能處于比較低的水平，C含量從0.4%增大到0.6%時(shí)基體層錯(cuò)能從14.0mJ·m-2增加到20.4mJ·m-2，在一定程度上促進(jìn)了形變孿生，基體塑性隨之改善；觀察圖5(a)，(b)可以發(fā)現(xiàn)，0.6%C試樣拉伸后基體中的孿晶比例較0.4%C時(shí)大，與靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果完全相符。對(duì)Mn含量為22%的試樣，基體塑性隨C含量增加逐漸降低。對(duì)比圖5(c)，(d)可知，基體中孿晶密度比較接近，塑性惡化與孿生行為基本無(wú)關(guān)。圖9中對(duì)比了C含量分別為0.4%和0.7%試樣拉伸后光學(xué)顯微鏡下的晶粒形貌。由圖9可見(jiàn)，當(dāng)前制備工藝下C含量較高的試樣中存在沿晶界分布的滲碳體，這可能是導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降的主要原因。

圖9 TWIP鋼試樣的晶粒形貌 (a)3#;(b)6#Fig.9 Grain morphology of TWIP steels (a)3#;(b)6#

屈強(qiáng)比和強(qiáng)塑積是反映TWIP鋼形變過(guò)程中加工硬化和能量吸收水平的重要指標(biāo)，它們是除強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率外評(píng)估TWIP鋼力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。圖10和圖11分別是Fe-Mn-C系TWIP鋼屈強(qiáng)比和強(qiáng)塑積隨Mn，C含量的變化關(guān)系。圖10中表明，對(duì)于C含量為0.4%和0.6%的TWIP鋼，當(dāng)Mn含量為22%時(shí)，其屈強(qiáng)比可達(dá)到某一較小值；而對(duì)于Mn含量為20%的TWIP鋼，C含量為0.6%的TWIP鋼的屈強(qiáng)比小于C含量為0.4%的對(duì)應(yīng)值；對(duì)于Mn含量為22%的TWIP鋼，其屈強(qiáng)比在C含量為0.5%時(shí)最小。一般來(lái)說(shuō)，屈強(qiáng)比可作為金屬材料加工硬化性能的直觀反映，其不僅與基體結(jié)構(gòu)有關(guān)，也受到形變時(shí)強(qiáng)塑機(jī)制的影響，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為TWIP的成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能調(diào)控提供科學(xué)的參考依據(jù)。

Fe-Mn-C系TWIP鋼的強(qiáng)塑積通常在60GPa·%水平，一般可達(dá)傳統(tǒng)汽車鋼的3倍以上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，TWIP鋼的強(qiáng)塑積隨Mn含量的增加而增大，這一點(diǎn)在C含量為0.4%試樣中的體現(xiàn)尤為明顯。盡管高M(jìn)n合金化降低了TWIP鋼抗拉強(qiáng)度，但其對(duì)塑性的改善更為顯著，故綜合效應(yīng)使基體的強(qiáng)塑積增大。對(duì)于Mn含量為20%的TWIP鋼，基體的強(qiáng)塑積隨C含量增加而增大；而對(duì)于Mn含量為22%的TWIP鋼，其強(qiáng)塑積隨C含量增加而減小。TWIP鋼強(qiáng)塑積隨C含量的變化趨勢(shì)與其對(duì)強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律是一致的。

圖10 TWIP鋼屈強(qiáng)比隨合金元素含量的變化 (a)Mn;(b)CFig.10 Yield ratio variation against alloying element content in TWIP steels (a)Mn;(b)C

圖11 TWIP鋼強(qiáng)塑積隨合金元素含量的變化 (a)Mn;(b)CFig.11 Product of tensile strength and ductility variation against alloying element content in TWIP steels (a)Mn;(b)C

4 結(jié)論

(1)TWIP鋼中Mn含量在20%～24%、C含量在0.4%～0.7%時(shí)，其基體為單一奧氏體，靜態(tài)拉伸時(shí)以孿晶誘導(dǎo)塑性為主要塑性機(jī)制。該成分TWIP鋼屈服強(qiáng)度在390～460MPa范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度基本在950～1100MPa水平，伸長(zhǎng)率大體處于0.50～0.70之間，而強(qiáng)塑積可達(dá)50～70GPa·%。

(2)Fe-Mn-C系TWIP鋼Mn含量增加時(shí)，基體的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均減小，總伸長(zhǎng)率增大； C含量增加時(shí)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在0.6%C時(shí)存在最大值；TWIP鋼總伸長(zhǎng)率隨C含量的變化與Mn含量有關(guān)。

(3)對(duì)于C含量為0.4%和0.6%的TWIP鋼，當(dāng)Mn含量為22%時(shí)，其屈強(qiáng)比可達(dá)到某一較小值；而對(duì)于Mn含量為20%的TWIP鋼，C含量為0.6%的TWIP鋼的屈強(qiáng)比小于C含量為0.4%的對(duì)應(yīng)值；對(duì)于Mn含量為22%的TWIP鋼，其屈強(qiáng)比在C含量為0.5%時(shí)最小。

(4)TWIP鋼的強(qiáng)塑積隨Mn含量的增加而增大，這一點(diǎn)在C含量為0.4%試樣中體現(xiàn)尤為明顯。對(duì)于Mn含量為20%的TWIP鋼，基體的強(qiáng)塑積隨C含量增加而增大；而對(duì)于Mn含量為22%的TWIP鋼，其強(qiáng)塑積隨C含量增加而減小。

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Effect of Alloying Elements on Mechanical Behavior of Fe-Mn-C TWIP Steel

WANG Yu-chang，LAN Peng，LI Yang，ZHANG Jia-quan

(State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science & Technology Beijing,Beijing 100083,China)

The effect of alloying elements on mechanical behavior of Fe-Mn-C TWIP steels was investigated by thermodynamic calculation, static tensile test, XRD, OM and SEM. Results indicate that with manganese content increasing, the yield strength and tensile strength of TWIP steels decrease, while the total elongation varies oppositely. As carbon content increases, the yield strength and tensile strength increase initially and then decline with the maximum located near 0.6%(mass fraction) carbon. When Mn is at 20%, the elongation of TWIP steel increases with carbon content increasing, but exhibits reversed trend in the steels with 22% manganese. The product of tensile strength and elongation increases with manganese content increasing, and it is more obvious in the TWIP steels with 0.4% carbon. As the manganese content is equal to 20%, the product of tensile strength and elongation increases with carbon content increasing. However, for the specimens alloyed with 22% manganese, the product of tensile strength and elongation decreases with carbon content increasing.

TWIP steel；alloying element；mechanical behavior；stacking fault energy

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.09.006

TG142.1

A

1001-4381(2015)09-0030-09

鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(41603013)

2014-12-08；

2015-07-01 通訊作者：蘭鵬(1985—)，男，博士，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)汽車鋼組織和性能控制，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)北京科技大學(xué)冶金樓417-1(100083)，E-mail:lanpeng@ustb.edu.cn