固溶温度对中锰TRIP钢组织与力学性能的影响

蒋 君，辛啟斌，薛 鑫，丁 桦，马 勇，王莉雅，方 烽

（东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004）

固溶温度对中锰TRIP钢组织与力学性能的影响

蒋 君，辛啟斌，薛 鑫，丁 桦，马 勇，王莉雅，方 烽

（东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110004）

以w（Mn）=8%的热轧TRIP钢 （即相变诱导塑性钢）为对象，研究了热处理工艺对其显微组织与力学性能的影响规律.该中锰TRIP钢在固溶温度为800℃时，可获得包括铁素体、马氏体、残余奥氏体的多相组织.与一般TRIP钢相比，其力学性能明显提高，在固溶加回火的条件下，实验钢的抗拉强度为800～1 000 MPa，延伸率达到31% ～40%，而强塑积达 （30～32）GPa%.

热轧TRIP钢;锰含量;固溶温度;残余奥氏体;力学性能

目前，环保的理念和对安全性、舒适性的要求促使车辆生产商尽可能减轻轿车车重，减少能源消耗和温室气体排放，因此需要提高汽车钢板的强度和塑性［1］.TRIP钢具有高的强度和延展性，广泛应用于汽车行业，优越性明显［2］.锰是TRIP钢中的一种主要合金元素，在钢中起固溶强化和降低Ms点的作用.Ms点下降可提高残余奥氏体稳定性.与钢中其他固溶强化元素相比，锰对塑性、韧性和焊接性的不利影响较小［3］.铝是铁素体形成元素，它的添加改变了铁碳平衡相图的特征，使铁素体向奥氏体转变的温度提高［4］，单向奥氏体区缩小，扩大了两相区，加强了奥氏体的稳定作用［5］.

已被广泛研究并应用的TRIP钢主要是锰质量分数小于2%的低锰TRIP钢以及锰质量分数为15% ～30%的高锰TRIP/TWIP钢，但对中锰TRIP钢的研究还不多.国内外一些学者对于中锰TRIP钢（Mn质量分数为4% ～10%）展开了研究，认为中锰TRIP钢因其优越的性能有望成为第三代先进高强度钢［6，7］，而随着对汽车用钢日益增长的轻量化和安全性需求，亟需发展第三代高强度用钢（强塑积大于30 GPa%）［8］.为此，本文以锰质量分数w（Mn）=8%的中锰TRIP钢为研究对象，研究热处理工艺对实验钢的微观组织和机械性能的影响规律.

常规TRIP钢一般采用两阶段热处理工艺:双相区退火—贝氏体相变区等温冷却获得铁素体+贝氏体+残余奥氏体三相组织.针对中锰TRIP钢的特点，实验钢采用固溶处理—低温回火的热处理工艺获得铁素体+马氏体+残余奥氏体的显微组织，并对其力学性能进行分析.

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

根据TRIP钢中合金元素的作用和已有资料的分析，在中锰TRIP钢基础上进行实验钢的成分设计，主要化学成分（质量分数，%）为C 0.21、Al 3.97、Mn 8.02、Fe余量.

实验钢在感应炉中冶炼，经浇注、锻造成100 mm×30 mm坯料，然后经8道次热轧至4 mm厚钢板，初轧温度1 150℃，终轧温度850℃，热轧工艺如图1所示.

1.2 实验方法

实验采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等分析手段研究含w（Mn）=8%的TRIP钢经不同的热处理工艺后的组织构成及其残余奥氏体的含量、形态，并通过拉伸实验测试TRIP钢的各项力学性能.

热轧钢的热处理工艺（见图2）为:将热轧后的实验钢进行固溶处理，即将试样分别放入加热到700、750、800、850 和 900 ℃的高温炉中，保温1.0 h，水冷.将淬火后的实验钢在200℃回火20 min.

热处理后，将试样分别制成金相、X射线衍射、SEM和TEM试样.金相试样采用4%的硝酸乙醇溶液处理2～3 s，然后在光学显微镜上观察其显微组织.采用X－350A型X射线衍射分析仪，利用γ相和α相衍射峰的积分强度确定残余奥氏体的体积分数.

将经过热处理的试样经线切割制备成拉伸试样.试样在电子拉伸试验机上以3 mm/min的速率进行拉伸试验.

2 实验结果与分析

2.1 残余奥氏体含量

利用XRD测得试样的衍射谱如图3所示，从图3（a）可以看出，在800℃的温度下，实验钢经固溶1 h并回火后得到了较多的奥氏体组织;而实验钢在900℃固溶1 h回火后，没有面心立方结构出现，即无奥氏体组织，如图3（b）所示.

在固溶温度800℃时，拉伸前后试样中残余奥氏体的变化量如图3（a）所示，试样拉伸变形之后，奥氏体的比例下降，体心立方相强度升高，通过计算可得，拉伸前实验钢的奥氏体体积分数φr=17.9%，拉断后φr=6.4%.这表明在固溶温度为800℃时，实验钢中大部分残余奥氏体在拉伸时发生相变转变为马氏体，发生TRIP效应;这部分奥氏体的转变不但增加了钢的塑性，而且提高了钢的强度.

2.2 显微组织

由2.1可知，在固溶温度800℃时，实验钢发生了明显的TRIP效应，因此选取固溶温度为800℃时的一组试样进行观察（见图4）.

图4（a）是实验钢固溶回火后的金相照片.实验钢的显微组织为铁素体，马氏体和少量残余奥氏体.图4（b）、图4（c）为实验钢固溶回火后的TEM组织，从中可观察残余奥氏体的形貌.试样中的残余奥氏体主要以薄膜状的形式分布在马氏体板条的间隙，或马氏体和铁素体之间的间隙，利于TRIP效应的发生.这是因为薄膜状的残余奥氏体含碳量远高于块状残余奥氏体含碳量，稳定性好，而块状奥氏体在很小的应变下就可以向马氏体转变，稳定性差，导致对TRIP效应贡献小，所以薄膜状的奥氏体对TRIP效应的贡献较大［9］.

实验钢拉伸前后的扫描电镜对比照片如图4（d）和图4（e）所示，经过拉伸变形后，铁素体沿着某一取向排列，呈细长状，位于马氏体和铁素体晶界处的残余奥氏体量有所减少.铁素体的变形对材料的塑性有增强作用，故实验钢拉伸后的塑性提高.

2.3 力学性能

实验钢固溶和回火后的力学性能如图5所示.

由图5（a）可知，随着固溶温度的升高，实验钢的抗拉强度先升高后降低.主要原因是随着温度的升高，马氏体相变驱动力增大，因此淬火后马氏体体积分数提高，奥氏体的体积分数显著下降，这个结论从XRD结果上得到证实（见图3）.当温度过高时，马氏体所占比例过高，材料塑性急剧下降，材料未达到抗拉强度即发生脆断，材料的抗拉强度下降.

图5 力学性能与固溶温度的关系Fig.5 Relationship between mechanical properties and solid solution tem perature

实验钢的断后延伸率随着温度的升高先小幅度增大后逐渐下降（750～900℃），这是因为随着温度的升高，马氏体的体积分数逐渐增加，奥氏体体积分数减少，而且平均晶粒尺寸逐渐增大，因此使得材料的塑性显著下降.

经过低温回火后，实验钢的抗拉强度随着温度的升高先增大后减小，断后延伸率始终增大，如图5（a）所示.分析得知，回火后马氏体基体的碳含量略有降低，渗碳体析出起弥散强化作用.实验钢（850～900℃淬火）中马氏体的体积分数远远高于前者（700～800℃淬火），而马氏体的强度主要来自过饱和碳的固溶强化效应，低温回火后，碳化物的析出比较多，虽然能起到弥散强化作用，但是却使得固溶强化效应大大降低了，因此材料的抗拉强度出现了下降.同时，回火后材料的淬火内应力得到部分消除，从而使材料的塑性明显提高.

低温回火后，材料的强塑积得到明显的提高，这主要归功于材料塑性的提高.材料在750～800℃固溶并回火后，综合性能较好，实验钢的抗拉强度为800～1 000 MPa，断后延伸率达到31%～40%，强塑积为（30～32）GPa%，远高于同等强度级别的传统TRIP钢.因此，可以通过实际生产中控制热处理工艺得到具有不同力学性能的中锰TRIP钢.

TRIP钢的力学性能与微观组织有着密切的关系.本实验钢固溶回火后最终获得由铁素体、马氏体和残余奥氏体组成的三相组织.钢的强度与淬火温度有关，随着淬火温度的提高，Ms点升高，利于发生马氏体相变，导致马氏体含量增多，强度因此提高.钢的塑性主要取决于显微组织中铁素体和残余奥氏体的相变诱发塑性，马氏体相的存在提高抗拉强度［10］，而残余奥氏体的应力诱导马氏体相变的特性，在提高强度的同时可以显著地增强塑性，铁素体作为软相对塑性有贡献.因此，实验钢良好的力学性能源于其各相微观组织的合理配比.

3 结论

（1）对w（Mn）=8%的实验钢进行了固溶加低温回火的热处理工艺，在变形过程中可获得明显的TRIP效应，实验钢具有良好的强度和塑性.

（2）本实验钢的显微组织为铁素体、马氏体和少量的残余奥氏体.在固溶温度为800℃并经过低温回火后，其残余奥氏体体积分数为17.9%，高于一般TRIP钢的残余奥氏体含量，拉断后残余奥氏体体积分数为6.4%，TRIP效应明显.

（3）力学性能分析结果表明:在750～800℃的固溶处理和200℃的回火处理下，实验钢的抗拉强度为800～1 000 MPa，延伸率达到31% ～40%，强塑积高达（30～32）GPa%，综合性能优越.该中锰TRIP钢在组织结构和力学性能上表现出良好的发展潜能，具有广泛的应用前景.

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Influence of the solid solution tem perature on m icrostructure and mechanical properties of M n TRIP steel

JIANG Jun，XIN Qi-bin，XUE Xin，DING Hua，MA Yong，WANG Li-ya，FANG Feng
（School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shengyang110004，China）

Based on the hot rolled TRIP steel（transformation induced plasticity steel）with 8%Mn，the influence of the heating processing on the microstructure and mechanical properties of the steel was studied.When the solid solution temperature is 800 ℃，it can get polyphase structure including ferrite、martensite and remaining austenite.Comparied with the common steel，mechanical property of the TRIP steel has a notable improvement.Under the condition of the solid solution and tempering temperature，the tensile strength of the experimental steels is 800～1 000 MPa，the specific elongation is up to 31% ～40%，and the productof tensile strength and elongation（TS×T.EL）is up to（30～32）GPa%.

heat rolled TRIP steel;Mn content;solution temperature;retained austenite;mechanical properties

TG 142.1

A

1671-6620（2012）03-0188-04

2012-05-07.

国家大学生创新性实验计划 （110132）.

蒋君 （1988—），女，东北大学硕士研究生，E－mail:jj2220222@126.com;丁桦 （1958—），女，东北大学教授，博士生导师.