Cr元素對(duì)冷軋TRIP鋼的組織性能影響研究

郭衛(wèi)民，徐娜，時(shí)軍波，劉瓏，趙寶玲

(山東省科學(xué)院，山東省分析測(cè)試中心，山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

【新材料】

Cr元素對(duì)冷軋TRIP鋼的組織性能影響研究

郭衛(wèi)民，徐娜，時(shí)軍波，劉瓏，趙寶玲

(山東省科學(xué)院，山東省分析測(cè)試中心，山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

以兩種合金成分的相變誘導(dǎo)塑性鋼為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)確定其熱軋及熱處理參數(shù)后，經(jīng)過熱軋、冷軋工藝并連續(xù)退火，研究其力學(xué)性能。金相組織及宏觀織構(gòu)的特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cr元素可以穩(wěn)定低溫奧氏體，降低貝氏體形成溫度，使貝氏體的孕育期延長(zhǎng)，增加最終組織中的貝氏體及殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)；Cr元素的添加還增強(qiáng)了試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能，添加了Cr元素的2#鋼強(qiáng)度和塑性均比沒有添加的1#鋼要高；兩種成分的TRIP鋼織構(gòu)情況相似，主要組分包括：{332}纖維織構(gòu)，{110}<001>組分和{112}<110>組分，可見Cr元素在提高鋼板強(qiáng)度增加延伸率的同時(shí)，并沒有損害鋼板的成形性能。

冷軋TRIP鋼；Cr元素；殘余奧氏體；貝氏體；織構(gòu)

隨著汽車輕量化和安全性要求的提高，高強(qiáng)度、低重量和生產(chǎn)成本是新型汽車發(fā)展的方向，要求汽車結(jié)構(gòu)件用鋼具有高的強(qiáng)塑積(即強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率的乘積)[1]。目前研究較多的汽車用高強(qiáng)度鋼主要有DP鋼(雙相鋼)、TRIP鋼(相變誘導(dǎo)塑性鋼)和TWIP鋼(孿晶誘導(dǎo)塑性鋼)等[2]。TRIP鋼具有多相組織，主要由鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和少量馬氏體組成，該組織構(gòu)成決定了其具有高強(qiáng)度的同時(shí)還具有較大的塑性，是適合生產(chǎn)汽車覆蓋件等要求具有較好成形性能和較高強(qiáng)度的部件的新型鋼種[3-4]。TRIP鋼中，鐵素體是軟相，在拉伸的過程中能協(xié)調(diào)貝氏體的變形; 貝氏體相能提高TRIP鋼的強(qiáng)度; 奧氏體在變形過程中轉(zhuǎn)化成馬氏體，馬氏體相變產(chǎn)生應(yīng)力松弛使得塑性增加，另外相變生成的馬氏體又能夠強(qiáng)化TRIP鋼，使得TRIP鋼的強(qiáng)度得到提高[5-6]，這就是TRIP效應(yīng)[7-9]。

1 材料與方法

1.1 材料

采用兩種合金成分的TRIP鋼，其合金組成見表1。

表1 兩種TRIP鋼的冶金成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

1.2 擴(kuò)散退火工藝

首先對(duì)鋼錠進(jìn)行擴(kuò)散退火，以消除或減輕軋后帶狀組織。退火工藝為：加熱溫度1 250 ℃，保溫時(shí)間3 h后隨爐冷卻，450 ℃ 出爐。

1.3 軋制制度

粗軋時(shí)將鋼錠加熱至1 180 ℃，保溫1.5 h，開軋溫度980 ℃，終軋溫度900 ℃，道次壓下量小于等于20%，7道次完成。層流冷卻至650 ℃，最終軋制成20 mm × 150 mm × 150 mm的板坯。隨后進(jìn)行精軋工藝。精軋時(shí)板坯加熱至1 180 ℃，保溫一段時(shí)間(1#鋼保溫時(shí)間為45 min，2#鋼保溫時(shí)間為75 min)，開軋溫度1 100 ℃，終軋溫度800 ℃，層流冷卻至600 ℃。熱軋到4 mm后，再將板材冷軋到1 mm。

1.4 連續(xù)退火工藝

為了更合理有效地設(shè)定連續(xù)退火參數(shù)，連續(xù)退火之前先確定兩種合金鋼的臨界相變點(diǎn)Ac1和Ac3。以及CCT曲線。

1.4.1 臨界點(diǎn)Ac1、Ac3與靜態(tài)CCT曲線的測(cè)定

通過Formastor全自動(dòng)相變儀測(cè)得兩種TRIP鋼的臨界點(diǎn)結(jié)果如下：

1#鋼：Ac1=741 ℃，Ac3=900 ℃；

2#鋼：Ac1=750 ℃，Ac3=915 ℃。

測(cè)定靜態(tài)CCT曲線對(duì)制定連續(xù)退火工藝有很大的指導(dǎo)意義。對(duì)于TRIP鋼而言，靜態(tài)CCT測(cè)定的特殊之處在于：(1)用靜態(tài)CCT曲線代替TTT曲線，對(duì)生產(chǎn)更有意義。雖然TRIP鋼的連退工藝基本上是一個(gè)中溫區(qū)等溫退火試驗(yàn)，但基于以下考慮：a.工業(yè)生產(chǎn)中連退生產(chǎn)線的冷卻速度一般低于40 ℃/s，鋼中奧氏體在冷卻過程中已經(jīng)發(fā)生了相變，有附生鐵素體生成，此時(shí)奧氏體符合連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律；b.生成附生鐵素體后，貝氏體區(qū)域的位置將發(fā)生變化，因此典型的TTT曲線并不具備精確的指導(dǎo)意義，靜態(tài)CCT曲線基本上能夠顯示等溫退火時(shí)的貝氏體區(qū)大體范圍。(2)為使CCT曲線更接近于工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程，對(duì)制定連續(xù)退火具有更精確的指導(dǎo)意義，在測(cè)定CCT曲線時(shí)，退火溫度確定在臨界區(qū)。1#和2#鋼均取800 ℃為臨界區(qū)(部分)奧氏體化溫度。圖1a為1#鋼的靜態(tài)CCT曲線，圖1b為2#鋼的靜態(tài)CCT曲線。

從圖1a中1#TRIP鋼的靜態(tài)CCT曲線可以看出，無珠光體生成的最小冷速是15 ℃/s，為了避免連續(xù)退火過程中生成珠光體，應(yīng)采取15 ℃/s以上的冷卻速度。但是從穩(wěn)定過冷奧氏體的角度來考慮，應(yīng)在不生成珠光體的前提下，盡量取較小的冷卻速度。將2#鋼與1#鋼的靜態(tài)CCT相比較，可以看出2#鋼的珠光體出現(xiàn)的時(shí)間比1#鋼晚。另外，將2#與1#鋼的靜態(tài)CCT相對(duì)照，還可以看出各個(gè)冷速下的貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度2#鋼都比1#鋼有所降低。

圖1 兩種合金成分的TRIP鋼靜態(tài)CCT曲線Fig.1Static CCT curves of the two TRIP steels

1.4.2 連續(xù)退火工藝

將冷軋態(tài)的鋼板取樣制成連退熱模擬試樣，如圖2所示。利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)合金鋼試樣進(jìn)行模擬退火實(shí)驗(yàn)，并設(shè)定不同的加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻冷速，然后進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，最后選擇強(qiáng)塑性指標(biāo)最好的試樣的工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖2 板帶連續(xù)退火試樣尺寸Fig.2 Sample size of continuous annealing

經(jīng)過正交模擬試驗(yàn)，最終制定的兩種合金鋼的連續(xù)退火方案為：1#鋼加熱速度為8 ℃/s，兩相區(qū)退火溫度830 ℃、兩相區(qū)保溫時(shí)間60 s，一冷段冷速為15 ℃/s、冷卻至700 ℃，二冷段冷速為35 ℃/s、時(shí)效溫度400 ℃、時(shí)效時(shí)間160 s，最后以20 ℃/s速度冷至室溫；2#鋼加熱速度為8 ℃/s、兩相區(qū)退火溫度830 ℃、兩相區(qū)保溫時(shí)間40 s，一冷段冷速為15 ℃/s、冷卻至700 ℃，二冷段冷速為30 ℃/s、時(shí)效溫度400 ℃、時(shí)效時(shí)間240 s，最后以20 ℃/s速度冷至室溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

在室溫下，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010[10]，以3 m/min的速率對(duì)兩種成分的TRIP鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得的力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表2 兩種不同合金成分的TRIP鋼力學(xué)性能

2.2 TRIP鋼熱軋態(tài)及冷軋退火后的金相組織

2.2.1 熱軋態(tài)TRIP鋼金相組織

圖3為1#和2#鋼熱軋狀態(tài)下沿軋制方向的金相組織。從金相組織上看，兩種鋼的組織都是由鐵素體和珠光體構(gòu)成。所不同的是，1#鋼組織相對(duì)比較粗大，組織均勻性較差；2#鋼的組織比較細(xì)小，均勻性也相對(duì)較好。

a 1# 鋼 b 2# 鋼圖3 TRIP合金鋼熱軋態(tài)組織Fig.3 Hot rolled microstructure of the two TRIP steels

2.2.2 冷軋TRIP鋼退火態(tài)金相組織

采用傳統(tǒng)的硝酸酒精侵蝕液，只能通過“黑白襯度”來顯示微觀組織形貌特征，難以區(qū)別TRIP鋼中的鐵素體和殘余奧氏體。而彩色金相采用形膜的方法，利用薄膜干涉消光效應(yīng)，造成“衍射襯度”來識(shí)別顯微組織結(jié)構(gòu)。金屬表面所形成透明薄膜的光學(xué)性質(zhì)及其厚度對(duì)其干涉色的產(chǎn)生起著決定性作用，在TRIP鋼彩色金相制作過程中，可通過改變腐蝕劑成分和腐蝕時(shí)間來控制所形成化學(xué)薄膜的光學(xué)性質(zhì)及其厚度，從而使多相組織形成不同的干涉色，可區(qū)分鐵素體、貝氏體及殘余奧氏體，提高了多相顯微組織顯示的精確性和鑒別率。

配制侵蝕液所用到的化學(xué)試劑有苦味酸、偏重亞硫酸鈉、水和洗滌劑。先取1 g苦味酸(干燥)溶入20～50 mL的酒精里，再取1 g偏重亞硫酸鈉溶入40～85 mL水中，然后將二者1:1混合，再加入少許洗滌劑，或在侵蝕前在試樣表面均勻地涂上一層洗滌劑。侵蝕時(shí)，用棉球沾取試劑在試樣表面擦拭，直至棉球與試樣的接觸面變紅棕色為止，然后利用ZEISS光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

兩種合金成分的TRIP鋼的彩色金相組織如圖4所示。白色的為殘余奧氏體晶粒，晶粒尺寸較大的基體組織為鐵素體，其余的(呈棕紫色)為貝氏體顆粒?？梢钥吹剑?#和2#的組織均由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成。從圖4還可以看出，2#鋼的殘余奧氏體和貝氏體的晶粒數(shù)量較多，分布均勻，1#鋼的貝氏體和殘余奧氏體較少，分布不均勻。

a 1# 鋼 b 2# 鋼圖4 TRIP鋼彩色金相組織Fig.4 Color metallographic microstructures of the two TRIP steels

2.3 冷軋TRIP鋼板退火織構(gòu)

使用XRD衍射儀，分別考察了這兩種成分的TRIP鋼的退火織構(gòu)，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩種成分的織構(gòu)情況非常相似，主要組分包括：{332}纖維織構(gòu)，{110}<001>組分和{112}<110>組分。

a 1# 鋼 b 2# 鋼Ф2=45°，密度水平：1, 2, 3, 4, 5, 6。圖5 退火后的ODF圖Fig.5 Annealed ODFs of the two steels

3 討論

比較1#和2#鋼的CCT曲線(如圖1所示)，2#鋼中珠光體出現(xiàn)的時(shí)間比1#鋼要晚。這主要是因?yàn)镃r元素的作用，Cr元素的添加可以推遲珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變[2]。Cr的碳化物能夠溶入低溫奧氏體，起到穩(wěn)定奧氏體，阻礙滲碳體析出的作用。另外，比較圖1中1#和2#鋼的CCT還可以發(fā)現(xiàn)，2#鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度比1#要低，這也是由于Cr的碳化物穩(wěn)定了低溫奧氏體，使貝氏體相變的孕育期加長(zhǎng)。Cr元素的這一特點(diǎn)對(duì)于實(shí)施工程控制極為有利，它不但使連續(xù)退火的冷卻速度可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)整，而且保證了室溫下鋼板能夠獲得較多的殘余奧氏體。拉伸試驗(yàn)也表明(如表2所示)，2#鋼的力學(xué)性能(強(qiáng)度和塑性)優(yōu)于1#鋼，這也是由于2#鋼中比1#鋼中多了Cr元素。部分Cr元素置換固溶于鋼板基體中，可以引起晶格畸變阻礙變形過程中位錯(cuò)的滑移；部分Cr元素形成碳化物存在于鋼板基體的晶內(nèi)或晶界處可以起到析出強(qiáng)化的作用[11]。晶內(nèi)的碳化物可以阻礙變形過程中位錯(cuò)的滑移，而晶界處的碳化物則可以阻礙變形過程中晶界的遷移。比較熱軋態(tài)的1#鋼與2#鋼的金相組織，如圖3所示，可以看到兩種鋼的金相組織都是由鐵素體和貝氏體構(gòu)成，所不同的是，1#鋼組織相對(duì)比較粗大，組織均勻性較差，2#鋼的組織比較細(xì)小，均勻性也相對(duì)較好。熱軋態(tài)的金相組織會(huì)影響冷軋退火的組織，如圖4所示的兩種的彩色金相組織，1#和2#鋼的金相組織均由鐵素體、貝氏體和殘余奧氏體組成。從圖4還可以看出，2#鋼的殘余奧氏體和貝氏體的晶粒數(shù)量較多，分布均勻，1#鋼的貝氏體和殘余奧氏體較少，分布不均勻。Cr元素除了能夠穩(wěn)定低溫奧氏體，加長(zhǎng)貝氏體孕育時(shí)間，固溶的Cr原子以及彌散析出的Cr的碳化物都可以為貝氏體形核提供形核點(diǎn)，這就導(dǎo)致2#鋼中比1#鋼中要多出許多貝氏體形核點(diǎn)，從而2#鋼中的貝氏體晶粒也比1#鋼中多。

對(duì)比這兩種成分的TRIP鋼的退火織構(gòu)(如圖5所示)可以發(fā)現(xiàn)，它們的織構(gòu)情況非常相似，主要組分包括：{332}纖維織構(gòu)，{110}<001>組分和{112}<110>組分，即這兩種鋼的成形性能相近。結(jié)合前面論述的兩種的鋼的力學(xué)性能結(jié)果，可以看出，Cr元素在提高鋼板強(qiáng)度增加延伸率的同時(shí)，并沒有損害鋼板的成形性能。

4 結(jié)論

通過對(duì)兩種合金成分的TRIP鋼的熱模擬試驗(yàn)、熱軋、冷軋及后續(xù)的顯微分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)Cr元素可以穩(wěn)定低溫奧氏體，降低貝氏體形成溫度，使貝氏體的孕育期延長(zhǎng)，增加最終組織中的貝氏體及殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)；

(2)Cr元素的添加還增強(qiáng)了試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能，添加了Cr元素的2#鋼強(qiáng)度和塑性均比沒有添加Cr元素的1#鋼要高；

(3)兩種成分的TRIP鋼織構(gòu)情況相似，主要組分包括：{332}纖維織構(gòu)，{110}<001>組分和{112}<110>組分，可見Cr元素在提高鋼板強(qiáng)度、增加延伸率的同時(shí)，并沒有損害鋼板的成形性能。

[1]趙征志, 梁江濤, 尹鴻祥, 等. 高強(qiáng)TRIP鋼的顯微組織及動(dòng)態(tài)力學(xué)行為[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2016, 37(5): 40-44.

[2]吝章國(guó), 熊自柳, 劉宏強(qiáng),等. 合金元素對(duì)高強(qiáng)度汽車用鋼板相變規(guī)律的影響[J]. 金屬熱處理, 2016, 41(2): 28-31.

[3]LEE S, DE C, BRUNO C. Constitutive modeling of the mechanical properties of v-added medium manganese TRIP[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2013, 44(7): 3136-3146.

[4]景財(cái)年, 劉在學(xué), 王作成,等. 臨界區(qū)退火處理對(duì)0.15C-1.5Mn-1.5Al冷軋TRIP鋼相變和力學(xué)性能的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(6): 610-614.

[5]吝章國(guó). 先進(jìn)高強(qiáng)度汽車用鋼板研究進(jìn)展與技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 河北冶金, 2016(1):1-7.

[6]唐代明. TRIP鋼中合金元素的作用和處理工藝的研究進(jìn)展[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2008, 20(1): 1-5.

[7]李龍飛，尹云洋，楊王，等. 合金元素和工藝參數(shù)對(duì)熱軋 TRIP 鋼動(dòng)態(tài)相變的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(9): 1164-1168.

[8]景財(cái)年, 劉在學(xué), 王作成, 等. CMnAlCu-TRIP鋼組織和力學(xué)性能研究[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2009, 30(2): 67-70.

[9]WOLF S, MARTIN S, KRüGER L, et al. Constitutive modelling of the rate dependent flow stress of cast high-alloyed metastable austenitic TRIP/TWIP steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 594: 72-81.

[10]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T228.1—2010,金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[11]劉興陽, 松崎明博, 志賀千晃. 改良型9Cr-1Mo鋼的形變熱處理強(qiáng)化機(jī)制[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1992, 13(1): 45-50.

Impact of Cr on microstructure and mechanical properties of cold rolled TRIP steel sheet

GUO Wei-min, XU Na, SHI Jun-bo, LIU Long, ZHAO Bao-ling

(Shandong Provincial Engineering Technology Center for Material Failure Analysis and Safety Assessment, Shandong Analysis and Test Center, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶ We addressed TRIP steel with two different alloy contents. We initially determined its hot rolling and annealing parameters with Gleeble thermal-mechanical simulating tester. We further investigated its mechanical properties, metallographic structure and macrotexture through hot and cold rolling and continuous annealing. Experimental results indicate that Cr element can stabilize low temperature austenite, reduce formation temperature of bainite, extend induction period of bainite, and increase volume fraction of austenite and banite in final microstructure of steel 2#. Cr element also increases mechanical properties of steel 2#, better strength and plasticity than steel 1# (no Cr addition). The texture characteristics of steel 1# and 2# are similar, including {332} line texture, {110}<001> and {112}<110> texture component. Cr element therefore increases the strength and ductility of sheet steel without formability reduction.

∶ cold rolled TRIP steel; Cr; retained austenite; bainite; texture

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.011

2016-08-09

山東省自然科學(xué)基金三院聯(lián)合基金(ZR2014YL003)

郭衛(wèi)民(1984—)，女，博士，助理研究員，研究方向?yàn)殇撹F材料工藝組織性能相關(guān)性。E-mail：guowm@sdatc.com.cn

TG142.3

A

1002-4026(2016)06-068-06