Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢性能及结构组织对比分析

杨洋，张贵杰

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)

Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢性能及结构组织对比分析

杨洋，张贵杰

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)

TWIP钢；显微组织；孪晶

通过对不同体系TWIP钢的研究，实际观察了Fe-0.4C-17Mn和Fe-17Mn-1.5Al-1Si在热轧后其力学性能与微观结构组织存在明显差别，通过夏比冲击试验对2种钢的冲击韧性进行了测定，通过拉伸试验测定了抗拉强度与延伸率，再对冲击断口进行扫描电镜观察。对与轧后状态透射电镜观察其内部位错孪晶及析出物状况。通过数据比较可知，适当加入合金元素对内部组织有较大影响，可增强其力学性能。

随着钢铁现代化的发展，尖端科技的应用及需求的增长，对于传统钢铁产业的要求不再局限于高产量、高利润，而转向高水准、高附加值的发展方向。自从TWIP钢[1]出产之日起，就注定了其非凡的性能和用途。它是继双相钢，TRIP钢之后第2代高强钢。它不但具有非常坚硬的强度，更为难能可贵的是拥有了非常优良的塑形。TWIP钢所具有的伸长率可达94 %，抗拉强度可达996 MPa[2-3]。在汽车领域，TWIP钢具有着非常广阔的应用前景。在汽车制造中，它可大量地用于替换原有钢材，不仅能够显著提高产品的质量，提升车身硬度，而且还能极大地减轻车身的自重，从而减低实际油耗，实现对石油这种不可再生资源的节约和利用是一种节约与保护，并有助于减少汽车尾气排放而造成的污染[4-5]。

1 试验

1.1 样品制备

该项试验所用的TWIP钢，是通过在氩气保护状态下，使用真空感应炉熔炼成型的20 kg铸锭，后通过热轧为3 mm的钢板，将Fe-17Mn-1.5Al-1Si与Fe-0.4C-17Mn在1 100 ℃下保温2 h后水冷。

静态拉伸试验在万能实验机上进行。金相通过打磨拉伸后用5 %硝酸酒精腐蚀，在电镜下观察拉伸前的组织。通过SEM电镜观察断口形貌。在10 %硝酸酒精腐蚀下双喷减薄，在透射电镜下观察孪晶与位错形态。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

拉伸试验后得到的Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢力学性能如表1所示，Fe-C-Mn系TWIP钢的力学性能如表2所示。

表1 Fe-17Mn-1.5Al-1Si拉伸数据记录

表2 Fe-0.4C-17Mn拉伸数据记录

2.2 显微组织

SEM电镜图像如图1所示为Fe-17Mn-1.5Al-1Si冲击断口扫描电镜图像，图2所示为Fe-0.4C-17Mn冲击断口扫描电镜图像。

图1 1号试验TWIP钢横向断口形貌

在1号TWIP样钢的冲击断口图像中，断口比较匀称，其断裂方式具有韧性断裂的特征，其中韧窝分布在断口处相比四周较多，这些韧窝的大小各异，尺寸不均匀，由断口中心向四周呈现出比较鲜明的减少态势。

图2 2号试验TWIP钢横向断口形貌

在2号TWIP样钢的冲击断口图像中，不论是在断口中心还是四周的韧窝大小数量均比第1组的韧窝数量明显，尺寸更加大，数量也偏多，其尺寸也较1号试样更加匀称，其中的断口形貌有较为明显的纤维状断裂特征。在这些SEM图像中，通过观察还能观察到其中一部分形态为不规则的长条中会有第2项粒子存在。通过验证可知在中部有一个大型的长条状韧窝，这些不规则形态中有形成空洞的现象这些空洞会不按照规则的方式进行扩张，这些带状或棒状夹杂物是造成裂纹的原因，经能谱分析可知这些第2项成分基本判定为MnC和MnS。

图3所示为Fe-17Mn-1.5Al-1Si拉伸后内部位错和孪晶情况的图像，图4为Fe-0.4C-17Mn拉伸后内部位错和孪晶情况的图像。

图3 1号样钢透射电镜观察的位错和孪晶图像

在图3中可看出1号试样的位错情况，在试样中发现了明显的晶格晶界存在，在晶界边缘会有大量的位错缠结现象，这些位错纵横交错相互交织在一起阻碍了晶格运动，并在部分区域出现了孪晶；在孪晶周围还伴随着位错的相互交割。这种微观组织形态有助于提升TWIP钢本身的优异力学性能。这些位错和孪晶大体上呈现出60 °左右位相偏差。这些大量取向不同位错的钉扎，可以有效地强化抗变形强度。

图4 2号样钢透射电镜观察的位错和孪晶图像

在图4可看得出2号试样中的位错数量很多，位错线的尺寸比较细密，位错与位错之间的间距不大，有些位错形成了团状，有些则成一定的角度并互相影响作用。在2号试样中发现了取向差大体上为60 °左右的T1与T2两组孪晶。2号钢与1号钢比较，其在位错与孪晶的相互位置关系上不及1号钢紧密。且局部分布没有互相明显交错的形态。

3 结论

(1)无论Fe-17Mn-1.5Al-1Si还是Fe-0.4C-17Mn都具有非常优异的力学性能，抗拉强度可达856 MPa，延伸率可达49.85 %，强塑积可达42 671 MPa·%。

(2)轧后的组织均为奥氏体，其中包含了退火孪晶和形变孪晶。Fe-17Mn-1.5Al-1Si对比Fe-0.4C-17Mn而言，韧窝深且细小，分布均匀，而韧窝中的夹杂物尺寸相应较小。

(3)Fe-17Mn-1.5Al-1Si与Fe-0.4C-17Mn在相同的Mn含量状态下，前者因为孪生现象更加明显，在电镜下能看到更多的位错缠结和形变孪晶，故加入适量的合金元素，可提升TWIP钢的综合性能。

[1] GRASSEL O, L. KRUGER, G. FROMMEYER, et al. High strength Fe-Mn-Al-Si TRIP/TWIP steels development properties-applica tion[J]. International Journal of Plasticity, 2000, 16(00):1391-1409.

[2] 周小芬, 符仁钰, 苏钰, 等. Fe-Mn-C系TWIP钢的拉伸应变硬化行为研究[J]. 钢铁, 2009, 44(3):71-74.

[3] 秦小梅, 邸洪双, 陈礼清, 等. TWIP钢Fe-23Mn-2Al-0.2C的组织及拉伸变形机制材料热处理学报[J]. 2012, 33(1):94-98.

[4] 李开锋, 李春福, 张凤春, 等. 回复与再结晶退火对TWIP钢组织及性能的影响[J]. 金属热处理, 2015, 40(2):77-80.

[5] 魏行翔, 汪宗科. TWIP钢拉伸过程中微观组织行为及力学性能分析[J]. 铸造技术, 2014(1):45-47.

Comparative Analysis of Properties and Microstructure TWIP Steel in Fe-C-Mn and Fe-Mn-Al-Si Systems

YANG Yang, ZHANG Gui-jie

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

TWIP steel; microstructure; twin crystal

A study of different systems of TWIP steel found that there are significant differences between the mechanical properties and microstructure of the hot-rolled Fe-0.4C-17Mn and Fe-17Mn-1.5Al-1Si, the impact toughness of those two kinds of steel were determined by Charpy impact test, the tensile strength and the elongation of them were determined by tensile experiment, after that, the impact fracture was observed by scanning electron microscopy. With the rolling state transmission electron microscope after them wrong twin and deposition conditions. Through a comparative analysis of the data, it is showed that addition of appropriate alloy elements has a great effect on the internal structure, which can even enhance the mechanical properties of the alloy.

2095-2716(2016)02-0006-04

TG142.1

A