1 000 MPa级TRIP钢的组织性能及强化机理

2014-02-09王业勤

山东冶金 2014年1期

关键词：贝氏体细化铁素体

王业勤

（莱芜钢铁集团有限公司生产处，山东莱芜 271104）

试验研究

1 000 MPa级TRIP钢的组织性能及强化机理

王业勤

（莱芜钢铁集团有限公司生产处，山东莱芜 271104）

鉴于热镀锌TRIP钢在成分和工艺上的特殊性，试验采用低Si含P以及V微合金化的成分设计思路，并进行镀锌连续退火工艺模拟，分析其微观组织和性能。探讨了残余奥氏体稳定性的影响因素及强化机理。结果表明，添加P和采取较高的冷轧变形量均有利于提高残余奥氏体量及其稳定性。在残余奥氏体的形变诱导马氏体相变、贝氏体和V析出的强化作用以及铁素体晶粒细化的共同作用下，抗拉强度和强塑积分别达到1 035 MPa和25 875 MPa·%。

TRIP钢；强化机理；连续退火；微观组织；力学性能

1 前言

相变诱发塑性（TRIP）钢能解决高强钢强度和塑性的矛盾，因而成为新钢种开发的竞争热点。本研究重点分析了1 000 MPa级热镀锌用TRIP钢的组织性能，探讨了残余奥氏体稳定性的影响因素及强化机理，为工业生产超高强TRIP钢提供参考。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

鉴于热镀锌TRIP钢在成分和工艺上的特殊性，本次试验用钢采用低Si含P以及V微合金化的成分设计思路，主要化学成分见表1。该钢Ac1为760℃，Ac3为930℃。

表1 试验用钢的化学成分（质量分数）%

2.2 试验方法

试验用钢经真空冶炼而成，然后将钢坯热锻至70 mm厚。在1 200℃的箱式加热炉中保温2 h，热轧至5 mm厚。热轧后酸洗，最终冷轧至1.0 mm厚的薄板，冷轧压下量达到80%。冷轧钢板用连续退火模拟实验机进行连续退火试验，试验用料的规格为：600 mm×300 mm×1.0 mm（长×宽×厚）。热处理工艺为：以10℃/s的加热速率将试样加热到845℃［此温度选择为（Ac1+Ac3）/2］，保温300 s；然后以≥40℃/s的冷速快速冷却到460℃（锌锅温度），保温20 s，随后以5℃/s的冷却速率冷却到室温。利用扫描电镜观察试样的组织形貌；用H-800型透射电镜观察残余奥氏体形貌及位错析出；用D/max 2400型X射线衍射仪测定试样的残余奥氏体量，根据文献［1］叙述的方法计算。

3 试验结果与分析

3.1 微观组织分析

试验用钢经过连续退火处理后，扫描组织由多边形铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成（见图1），其体积分数分别为57.2%、26.5%和16.3%。由于冷速非常快（≥40℃/s），因此在由临界区温度冷却到锌锅温度（460℃）的过程中，无先共析铁素体生成。铁素体晶粒尺寸非常细小，平均为（2.5±0.5）μm。

图1 试验钢连续退火试样的扫描组织

基体组织中存在尺寸不一的块状残余奥氏体，这些块状残余奥氏体主要以3种形式存在于组织中：1）沿铁素体晶界分布；2）分布在铁素体晶粒或贝氏体晶粒中，残余奥氏体的尺寸很小，它们将把铁素体和贝氏体晶粒分割成更小的晶粒；3）分布在铁素体和贝氏体的交界处。贝氏体温度较高时（460℃），C原子的扩散能力较强，因而虽然在贝氏体区等温很短（～20 s），但残余奥氏体中碳浓度足以满足发生TRIP效应所要求的化学稳定性。为了证明这些弥散分布的块状组织为残余奥氏体，图2给出了透射电镜下残余奥氏体的特征。图2c中的衍射斑表明图2b中标记处为［110］的面心立方结构。

此外，在透射电镜下还可观察到基体中存在高密度位错（见图3a），V的析出弥散分布在铁素体基体中，析出粒子直径在3～18 nm（见图3b、c）。

图2 试验钢组织中残余奥氏体的TEM形貌

图3 试验钢基体组织中位错的TEM形貌和析出物的EDS分析

3.2 力学性能分析

连续退火后试样的工程应力—应变曲线见图4，拉伸性能见表2。工程应力-应变曲线显示为连续屈服状态。在不损失塑性性能的条件下（延伸率为25.0%），试样的抗拉强度达到1 035 MPa，这除了残余奥氏体的形变诱导马氏体相变、贝氏体以及V析出的强化作用外，铁素体晶粒的细化也一个重要因素。试验钢中多边形铁素体晶粒的细化主要归咎于以下两个主要原因，一是由于80%的大冷轧压下量，增大冷轧变形量所具有的细化晶粒的现象，简单地讲，就是由于大量的变形所造成钢板组织的破碎，使再结晶时产生的均匀分布的晶核所引起的；另外V的添加也细化了晶粒。在这些因素的综合作用下，强度得到提高。

图4 试验钢的工程应力—应变曲线

表2 试验钢试样力学性能

此外，P和Si在钢中的某些作用是相似的［2］，在热镀锌过程中，高Si含量使锌层的润湿性变差，且极易形成脆性的合金层，从而减弱镀层与基板的结合力，本次试验钢成分设计上，降低了Si含量并加入了一定量的P。事实证明，P也有利于残余奥氏体的保留。在本次试验中，由于460℃的贝氏体温度较高，在贝氏体相变过程中，碳的扩散容易进行，试验钢的残余奥氏体量达到16.3%，这些稳定性很高的残余奥氏体在变形过程中同时提高了钢的强度和塑性。

本次试验的冷轧变形量达到80%，这将增加变形带密度，从而把铁素体和珠光体晶粒分割成尺寸更小的晶粒。此外，位错密度在冷轧过程中也会增加，在连续退火过程中仅仅发生部分回复以至于在基体组织中得以保留（图3a）。晶粒中层错能的增大致使自由能和扩散率增加，结果在再加热过程中促进奥氏体的长大速率。而扩散率增加在再加热过程中的进一步影响是使奥氏体中富集C，进而增加奥氏体的稳定性，这也是在本次试验中残余奥氏体体积分数较高（16.3%）的重要原因，而残余奥氏体在变形过程中能同时提高钢的强度和塑性。

各向异性指数（r）和加工硬化指数（n）主要用来评价钢的成形能力。随着r值的增加，极限拉伸比增大；随着n值的增加，应变均匀分布且冲压成形性提高［3］。试验钢的n值为0.26，r值为1.15。试验钢表现出极好的成形能力，这主要是因为当铁素体、贝氏体和残余奥氏体混合存在于组织中时，铁素体承受应变硬化，应变能通过位错的堆积在铁素体晶粒内累积。累积的应变能为残余奥氏体的应变诱导相变提供所需的机械驱动力，在应变诱导相变作用下，这种能量被吸收，位错堆积也被松弛，因而铁素体晶粒软化。应变诱导马氏体相变使软化的铁素体晶粒再一次发生应变硬化。由于残余奥氏体在塑性变形过程中的应变诱导相变使上述的过程不断重复发生。在高应变条件下应变诱导相变也可稳定地进行，因而应变硬化能力的急剧下降可得以抑制，从而优化其成形能力。

4 结论

4.1添加P和采取较高的冷轧变形量均有利于提高残余奥氏体量及其稳定性，使得本次试验中残余奥氏体量达到16.3%。

4.2在残余奥氏体的形变诱导马氏体相变、贝氏体和V析出的强化作用、以及铁素体晶粒细化的共同作用下，抗拉强度和强塑积分别达到1 035 MPa和 25 875 MPa·%。

［1］Shi W,Li L,Yang C X,et al.Strain-induced Transformation of Retained Austenite in Low-carbon Low-silicon TRIP Steel Containing Aluminum and Vanadium［J］.Materials Science and Engineering A，2006，429：247-251.

［2］Jimenez M E,Dijk N H,Zhao L,et al.The Effect of Aluminium and Phosphorus on the Stability of Individual Austenite Grains in TRIP Steels［J］.Acta Materialia，2009，57：533-543.

［3］Lee C G,Kim S J,Lee T H,et al.Effects of volume fraction and stability of retained austenite on formability in a 0.1C-1.5Si-1.5Mn-0.5Cu TRIP-aided cold-rolled steel sheet［J］.Materials Science and Engineering A，2004，371：16-23.

Abstract:Through tuyere sampling,the changes of the coke,alkali metal and slag component in the tuyere area of Laiwu Steel’s No.1 1 080 m3were detected and analyzed in detail.The results showed that in BF scaffolding accretion operation,the coke in tuyere area cracks seriously,the permeability and liquid-penetration of the deadman get worse and the content of alkali metal is high;After getting rid of the nodulation,the average size of tuyere coke has a decrease trend with the increase of PCI ratio,and the coke size from the edge to centre of hearth reduces;The slag composition varies in tuyere area,and the slag alkali is lower in edge than that in centre.

Key words:blast furnace;tuyere sampling;tuyere coke;alkali metal

Microstructure,Mechanical Propertiesand Strengthening Mechanismof 1000 MPa GradeTRIP Steel

WANG Yeqin
（The Production Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

In view of the specialties of hot-dip galvanized TRIP steel in composition and process,the designing idea for composition of low silicon and phosphorus-containing,vanadium micro-alloying was used in this experiment,and the process of hot-dip galvanization after continuous annealing was simulated.The microstructure and mechanical properties were analyzed,and the factors influencing the stabilization of retained austenite and the strengthening mechanism were investigated.The results showed that adding phosphorus and using a higher cold rolling reduction are all beneficial to improving the volume fraction and the stabilization of retained austenite.Under the joint action of the deformation induced martensite transformation of retained austenite,the strengthening effect of bainite and vanadium precipitation,and the refinement of ferrite grains,the product of tensile strength and strength-elongation reach to 1 035 MPa and 25 875 MPa·%respectively.

TRIP steel;strengthening mechanism;continuous annealing;microstructure;mechanical property