热处理工艺对相变诱发塑性钢组织和性能的影响

姜英花 邝 霜

(1.首钢技术研究院，北京 100043；2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043 )

与传统汽车用钢相比，相变诱发塑性(TRIP)钢因TRIP效应而具有较高的强度和塑性。TRIP效应是指钢中的残留奥氏体在变形过程中诱发马氏体相变，从而提高钢的强度和塑性。随着我国汽车工业的发展，迫切需要提高TRIP钢的强度级别，因此高强级别TRIP钢的开发在我国具有极大的潜力，蕴涵着巨大的商机和市场[1- 3]。相比于双相钢，TRIP钢的断后伸长率较高，但由于其延伸凸缘性能不良，因而不能作为悬挂件的材料使用。TRIP钢的组织包含高塑性的铁素体和硬质的贝氏体或马氏体，有利于总延伸的提高，残留奥氏体的存在可进一步提高延伸性能。但是随着总延伸率的提高，钢的凸缘翻边性能和弯曲性能等由局部延伸决定的性能就会受损。文献报道，高的屈强比有利于提升钢的凸缘翻边性能和弯曲性能[4- 6]。因此，本文研究了热处理工艺对TRIP钢组织和性能的影响，以期开发出具有高屈强比的TRIP钢。

1 试验材料与方法

获得足够稳定的残留奥氏体是提高TRIP钢的强度和塑性的有效方法。C作为稳定奥氏体的重要元素，对于高强度级别非常必要，但考虑到钢的焊接性能，碳的质量分数不能高于0.25%。Mn也是稳定奥氏体的元素之一，考虑到强度级别，Mn的质量分数应高于1.5%，但是过高的Mn也会导致偏析恶化加工性，因此Mn的质量分数应控制在2.5%以内。Si在铁素体中的溶解度远远高于C、Mn在铁素体中的溶解度，Si在铁素体中的溶解在很大程度上提高了C、Mn在铁素体中的化学势。两相区退火时，在化学势的驱动下，C、Mn原子充分向奥氏体中扩散并聚集于奥氏体中，使得奥氏体稳定性进一步提高[7]。采用Thermo- Calc软件计算获得试验钢的两相区相分数，其平衡两相区温度为690～830 ℃。试验TRIP钢采用C- Mn- Si基本成分体系，化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested steel (mass fraction) %

采用Vatron连续退火热模拟机模拟了3种不同连退工艺，具体工艺曲线如图1所示，工艺参数如表2所示。其中传统一步法工艺(Ⅰ)为，将冷轧带钢加热到铁素体奥氏体两相区，在缓慢冷却过程中调节奥氏体量，在快速冷却过程中避开珠光体转变区，在贝氏体区残留奥氏体转变为贝氏体并向未转变奥氏体中排碳，使得贝氏体转变结束后残留的奥氏体稳定到室温。不经缓冷段的一步法工艺(Ⅱ)为，将冷轧带钢加热到完全奥氏体化区，不经缓冷区直接快速冷却避免多边形铁素体及珠光体的形成，在贝氏体区完成贝氏体转变，并残留奥氏体，最终形成贝氏体(或贝铁素体)和残留奥氏体的组织。两步法工艺(Ⅲ)是，先将冷轧带钢完全奥氏体化后，实现一次淬火形成一定比例的马氏体和未转变奥氏体，在二次退火过程中碳从马氏体向奥氏体中扩散。将热处理后的钢板沿轧制方向线切割，根据GB/T 228—2002加工拉伸试样，试样的标距为50 mm，在MTS万能试验机上进行力学性能测试。采用光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM)进行了微观组织分析。

图1 热处理工艺曲线Fig.1 Heat treatment process curves

表2 热处理工艺参数Table 2 Heat treatment process parameters

2 试验结果与分析

表3为3种不同连退工艺下获得的试验钢的力学性能。可以看出，工艺(Ⅰ)处理的钢的屈服强度和断后伸长率最低；工艺(Ⅲ)处理的钢的抗拉强度和断后伸长率最高；工艺(Ⅰ)处理的钢的屈强比最低，工艺(Ⅱ)处理的钢的屈强比最高。3种工艺处理的钢的强塑积依次递增，其中工艺(Ⅲ)处理的钢的强塑积最高。

图2为3种试验钢的显微组织。可以看出，工艺(Ⅰ)处理的钢的组织由大量多边形灰色铁素体、白色块状MA相(马氏体+残留奥氏体)和少量黑色贝氏体组成。工艺(Ⅱ)处理的钢的组织为黑灰色的条状贝氏体铁素体相，其间分布着白色条状奥氏体相和部分白色块状MA相。工艺(Ⅲ)处理的钢的组织为灰色条状马氏体，其间分布着白色条状奥氏体和部分白色块状MA相。据文献报道，以软相(类似铁素体)为基体的钢的屈服强度偏低，相反以硬相(贝氏体或贝铁素体或马氏体)为基体的钢的屈服强度较高。因此，工艺(Ⅰ)处理钢的低的屈服强度和屈强比是由其软相铁素体基体所致。为了进一步确定奥氏体相的具体形态，对试验钢进行透射电镜观察，如图3所示。从图3(a)中可见，邻近铁素体的低密度位错块状奥氏体和夹在贝氏体铁素体(马氏体)条间的薄膜状奥氏体。据文献报道，夹在条状基体之间的膜状残留奥氏体的碳富集度要高于块状残留奥氏体，因此膜状残留奥氏体的稳定性好于块状残留奥氏体[8]。从而，采用工艺(Ⅱ)和工艺(Ⅲ)处理的钢因含有薄膜状的残留奥氏体而具有较高的断后伸长率和强塑积。

3 结论

表3 试验钢的力学性能Table 3 Mechanical properties of the tested steels

图2 不同热处理工艺获得的试验钢的显微组织Fig.2 Microstructures of the tested steel obtained by different heat treatment processes

图3 试验钢的TEM形貌Fig.3 TEM morphologies of the tested steel

(1)采用工艺(Ⅰ)处理的TRIP钢的屈强比和强塑积均不高，其组织由多变形铁素体、贝氏体(马氏体)和块状奥氏体组成，其中铁素体基体是导致其屈强比较低的主要原因。

(2)采用工艺(Ⅱ)和(Ⅲ)处理的TRIP钢的屈强比和强塑积均较高，其强塑积在20 000 MPa%以上，其组织由硬相基体(贝氏体铁素体/马氏体)和薄膜状奥氏体组成。其中硬相基体提高了钢的屈服强度，稳定性较好的薄膜状奥氏体提高了钢的断后伸长率。