两相区退火温度对2%Al冷轧TRIP钢组织及性能的影响

赵 阳，袁晓云，陈礼清，刘相华，

（1.东北大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

两相区退火温度对2%Al冷轧TRIP钢组织及性能的影响

赵 阳1，袁晓云2，陈礼清2，刘相华1，2

（1.东北大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819）

两相区退火温度是影响TRIP钢显微组织和力学性能的重要工艺参数之一，因此有必要优化两相区退火温度使TRIP钢获得最佳的强韧性配合。利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和拉伸试验机研究了两相区退火温度对0.25C-1.5Mn-2.0Al冷轧TRIP钢显微组织和力学性能的影响。实验结果表明：在770～850℃退火并450℃贝氏体等温5 min处理后，实验钢的显微组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体。随着退火温度的升高，实验钢中的铁素体和残余奥氏体体积分数增加、贝氏体体积分数减少，屈服强度和抗拉强度降低。

含Al TRIP钢；退火温度；显微组织；力学性能

随着汽车工业的快速发展，提高汽车的燃油效率并增强其安全性成为迫切需要解决的问题。在汽车车身上大量采用高强度、高塑性钢板是解决上述问题的一个有效途径。由于相变诱导塑性钢（Transformation induced plasticity，TRIP）具有较高的强塑积及优良的成形性能，应用于汽车车身可降低油耗、减轻车重、提升汽车的安全等级，因此其在汽车上有较好的应用前景［1-2］。

冷轧TRIP钢的典型热处理工艺如图1所示，首先对TRIP钢进行两相区退火，然后再快速冷却至贝氏体区进行等温淬火，最后再将其空冷至室温。两相区退火处理后的组织为奥氏体和铁素体，部分奥氏体在贝氏体等温过程中转变为贝氏体，并有少量被保留下来，最终TRIP钢的相变组织包含铁素体、贝氏体和残余奥氏体。此外，在一些TRIP钢中还含有少量的马氏体组织。TRIP钢中残余奥氏体在拉伸变形过程中发生马氏体转变，因而通过相变强化提高其强塑性。通常在传统的TRIP钢中加入1.5%左右的Si以抑制碳化物的析出，使固溶碳原子向奥氏体中富集，从而获得在室温下亚稳态的残余奥氏体。但在TRIP钢中加入较高含量的Si（1%以上时）会引起带钢的表面质量问题，影响钢板的镀锌能力［3］。考虑到Al也具有抑制碳化物析出的作用，因此可采用Al部分或完全替代Si，以提高汽车用钢的表面质量，并改善其热镀性。目前，关于含铝TRIP钢的研究主要集中在其连铸工艺研究［4-5］以及力学性能的理论计算［6］等方面。而关于两相区退火温度对含铝TRIP钢组织和性能的影响方面的论文还不多见，为促进含铝TRIP钢的进一步应用，有必要开展这方面的研究工作。

图1 冷轧TRIP钢的典型热处理工艺Fig.1 Typical heat treatment process of cold rolled TRIP steel

1 实验材料及方法

实验钢经中频真空感应炉冶炼，浇注成25 kg的铸锭，其化学成分：w（C）=0.28%，w（Mn）= 1.55%，w（Si）=0.004%，w（Al）=2.06%，w（S）= 0.010%，w（P）=0.008%。首先将铸锭锻造成截面为40 mm（高）×120 mm（宽）的钢坯，再将钢坯放入1 200℃的加热炉中保温2 h，之后出炉热轧至5 mm，开轧温度为1 050℃，终轧温度为900℃。对热轧板进行酸洗以去除氧化铁皮，之后再对实验钢板进行冷轧，冷轧钢板的最终厚度为1 mm。

采用Formastor-FII型相变仪测定实验钢的临界点温度 Ac1=695℃，Ac3=925℃。由此可知（Ac1+Ac3）/2=810℃，并由此设定实验钢的退火温度分别为770、810和850℃。具体的实验方案如下：首先将冷轧钢板放入加热炉中退火，保温5 min后迅速取出放入450℃的盐浴炉中进行贝氏体等温处理，等温时间为5 min，之后再将试样取出空冷至室温。

沿实验钢板轧制方向切取拉伸试样、金相试样和XRD试样。拉伸试样标距段长度为50 mm，宽度为12.5 mm，在CMT5105微机控制电子万能试验机上进行拉伸实验，拉伸速率为3 mm/min。金相试样经研磨、抛光、4%的硝酸酒精（体积分数）腐蚀后，采用FEI QUANTA600型扫描电子显微镜对实验钢的显微组织进行观察。采用D/Max 2400X射线衍射仪测定实验钢中的残余奥氏体含量，为去除试样表面的变形层，采用电解抛光的方法去除残余应力。电解抛光液成分为酒精、高氯酸和水，体积比例为13：2：1，电解抛光时工作电压

式中：Vγ为残余奥氏体的体积分数；Iγ为奥氏体（200）γ、（220）γ、（311）γ晶面衍射峰的平均积分强度；Iα为铁素体（200）α、（211）α晶面衍射峰的平均积分强度。利用Image-Pro Plus软件计算铁素体的体积分数VF，则贝氏体的体积分数VB=1-Vγ-VF。为25 V，腐蚀时间为30 s。2θ角从40°到100°，扫描速度为1°/min。残余奥氏体的含量计算式

2 实验结果与讨论

2.1 显微组织

图2为实验钢经770、810和850℃退火并450℃贝氏体等温淬火后的SEM形貌照片，可见实验钢经不同温度退火后的显微组织均由铁素体（F）、贝氏体（B）和残余奥氏体（RA）构成。

铁素体呈等轴状分布，贝氏体呈板条状分布（如图2a中箭头所指处），TEM观察则表明实验钢中的残余奥氏体可以分为块状和薄膜状两大类（如图3所示）。块状残余奥氏体尺寸大约在1 μm左右，大多沿铁素体晶界分布，也有少量的块状残余奥氏体分布于铁素体晶粒内部；而薄膜状残余奥氏体大多分布在铁素体晶粒内部，也有部分薄膜状残余奥氏体沿铁素体晶界分布。

表1列出了实验钢经不同温度退火后各相的体积分数，可见随着两相区退火温度的升高，铁素体和残余奥氏体含量增加，而贝氏体的含量降低。史文等［7］的研究结果同样表明：残余奥氏体体积分数随着退火温度的升高而增加，这与本文的研究结果是相一致的。在拉伸变形过程中，残余奥氏体转变为马氏体，这种相变提供了局部硬化效果、延迟了局部颈缩的发生，使相变均匀扩散至整个材料，因而提高了TRIP钢塑性和强度［8］。TRIP钢的性能受残余奥氏体含量及稳定性影响较大，从增强TRIP效应方面考虑，应适当提高退火温度来增加残余奥氏体的体积分数。

图2 不同退火温度后实验钢的扫描电镜照片Fig.2 SEM morphology of experimental steel annealed at different temperatures

图3 残余奥氏体的TEM形貌照片Fig.3 TEM images of retained austenite

表1 不同退火温度后实验钢中各相的体积分数Tab.1 Volume fractions of ferrite，bainite，and retained austenite at different annealing temperatures

2.2 力学性能

图4为实验钢经不同温度退火后的应力-应变曲线。可见实验钢的应力-应变曲线均具有不连续屈服现象，这是由变形时材料的加工硬化和加工软化同时发生而引起的。TRIP钢在变形过程中会由于位错塞积发生加工硬化；而加工软化可能是由于残余奥氏体向马氏体发生转变产生应力松弛造成的，也有可能是变形过程中位错挣脱柯氏气团的钉扎作用而产生的［3］。表2列出了实验钢经不同温度退火后的力学性能，可见随着退火温度的升高，屈服和抗拉强度降低，延伸率略有增加。用抗拉强度乘以延伸率即强塑积来表征实验钢板的能量吸收能力，发现不同退火温度下实验钢的强塑积相差不大，说明退火温度对实验钢强塑积几乎没有影响，在770～850℃退火时实验钢都具有良好的能量吸收能力。

图4 实验钢经不同温度退火后的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of experimental steel annealed at different temperatures

张宇光等［9］的研究结果表明：在某一退火温度下，TRIP钢中残余奥氏体含量及抗拉强度可同时达到最大值，即残余奥氏体通过TRIP效应显著提高TRIP钢抗拉强度。但本文研究结果却表明：当贝氏体体积分数降低时，TRIP钢屈服和抗拉强度随之降低，说明了贝氏体体积分数对TRIP钢的屈服和抗拉强度影响较大，而不是残余奥氏体的含量对其影响较大。关于哪种组织对TRIP钢的强度有主要贡献还有待于进一步实验研究。实验钢延伸率随着铁素体和残余奥氏体体积分数的增加而增加，说明了铁素体和残余奥氏体对TRIP钢的塑性影响较大，这与Bhadeshia［10］的计算结果一致。

3 结论

（1）实验钢经770～850℃退火并450℃等温淬火后的显微组织为残余奥氏体、贝氏体和铁素体。随着退火温度的增加，铁素体和残余奥氏体的体积分数增加，贝氏体的体积分数降低。

表2 不同退火温度下实验钢的力学性能Tab.2 Mechanical properties of experimental steel annealed different temperatures

（2）实验钢的屈服和抗拉强度随着退火温度的升高而降低，而延伸率则随退火温度升高而增加。在770～850℃退火时，实验钢具有良好的能量吸收能力。

［1］KWON E P，FUJIEDA S，SHINODA K，et al.Characterization of transformed and deformed microstructures in transformation induced plasticity steels using electron backscattering diffraction［J］.Materials Science and Engineering A，2011，528（15）：5007-5017.

［2］唐荻，米振莉，陈雨来.国外新型汽车用钢的技术要求及研究开发现状［J］.钢铁，2005，40（6）：1-5.

［3］王超，丁桦，姚春发，等.合金元素及热处理工艺对1000 MPa级TRIP钢性能的影响［J］.东北大学学报：自然科学版，2012，33（7）：953-957.

［4］BLAZEK K，YIN H B，SKOCZYLAS G，et al.高铝相变诱发塑性钢用硅钙和铝钙结晶器保护渣的开发评估［J］.世界钢铁，2013（3）：8-17.

［5］杨波，唐萍，文光华，等.高铝TRIP钢连铸过程中保护渣中Al2O3含量的变化对渣膜传热的影响［J］.中国有色金属学报，2011，21（4）：913-918.

［6］李麟，De COOMAN B C，WOLLANTS P，等.铝和硅对含磷TRIP钢力学性能的影响［C］//2003中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2003：776-779.

［7］史文，李麟，符仁钰.两相区退火对不同硅含量TRIP钢残留奥氏体和力学性能的影响［J］.金属热处理，2008，28（3）：10-14.

［8］贾书君，刘清友，刘明辉，等.两相区退火温度对TRIP钢组织和性能的影响［J］.材料热处理学报，2013，34（6）：110-114.

［9］张宇光，赵爱民，赵征志，等.两相区退火温度对TRIP780钢组织和性能的影响［J］.铸造技术，2009，30（11）：1423-1426.

［10］BHADESHIA H K D H.TRIP-Assisted steels?［J］.ISIJ International，2002，42（9）：1059-1060.

［］［］

Effect of intercritical annealing temperature on microstructure and mechanical properties of 2%Al cold rolled TRIP steel

ZHAO Yang1，YUAN Xiaoyun2，CHEN Liqing2，LIU Xianghua1，2

（1.School of Materials Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

The intercritical annealing temperature is an important parameter which affects obviously the microstructure and mechanical properties of TRIP steels，so it is essential to optimize the intercritical annealing temperature to obtain the extraordinary combination of strength and ductility.The effect of intercritical annealing temperature on microstructure and mechanical properties of 0.25C-1.5Mn-2.0Al cold rolled TRIP steel was investigated by scanning electron microscopy(SEM)，transmission electron microscopy(TEM)，X-ray diffraction(XRD)，and tensile test.The results show that the microstructure is composed of ferrite，bainite，and retained austenite after annealed at 770～850℃and subsequently bainitic isothermal treated at 450℃for 5 min. The volume fractions of ferrite and retained austenite increase with increasing the annealing temperature，while the volume fraction of bainite decreases.The yield strength and tensile strength decrease with increasing the annealing temperature.

TRIP steel containing aluminum；annealing temperature；microstructure；mechanical properties

October 17，2016）

TG113.1

A

1674-1048（2017）01-0010-05

10.13988/j.ustl.2017.01.003

2016-10-17。

国家自然科学基金资助项目(51501031)；青年教师科研启动基金(N140203001)。

赵阳（1981—），男，辽宁辽阳人，讲师。