合金元素 Al 对 C-Si-Mn 系高强钢高温热力学影响

2020-08-14冷德平肖洋洋卢茜倩

科技视界 2020年22期

冷德平肖洋洋卢茜倩崔磊

近年来汽车行业节能减排的硬性需求极大激发了各大钢企及科研院所对汽车用高强钢的研发，从第一代DP/TRIP 钢，第二代TWIP 钢到第三代QP 钢，一方面，高强钢的发展逐步向兼具高强塑性及低成本方向发展，另一方面，随着产品强度的不断提升，对钢企现有产线设备能力提出了不小挑战[1-2]。

金属材料的塑性变形抗力是指在给定的变形条件下，所研究的金属材料能够实现塑性变形的应力，是衡量其可锻性能优劣的重要标志。通过热变形行为研究可以了解不同变形条件下的变形抗力，为提高轧制力的预报精度及保证轧钢产品的尺寸精度提供依据，尤其在高强钢强度逐步提升而现有产线设备能力不变的情况下，提前了解材料的轧制力并确定合适的试制工艺尤为重要，具有重要的学术意义和工程价值[3-4]。

目前汽车用高强钢以C-Si-Mn 系产品为主，通过适当QP 工艺或TRIP 工艺后可获得良好的强塑性能及成形性能。本文拟添加部分Al 元素降低Si 元素含量，以提高产品的表面质量，并通过DIL805A/D 淬火/变形膨胀仪分析加入Al元素前后实验钢热变形抗力变化情况。

1 实验材料及方法

本文所用实验钢为Nb、Ti 微合金化C-Mn-Si-Al 钢成分，其化学成分如表1 所示。铸锭经真空感应炉冶炼，铸坯经锻造后热轧至厚度为10mm 的中间坯，随后加工成φ5mm×10mm 的圆柱形试样。利用Thermal-calc 热力学软件对实验钢进行热力学计算，计算所选用的数据库为TCFE9 数据库，由于P，S，N，O 含量很少，且对计算结果影响很小，因此不计入成分计算。利用DIL805A/D 淬火/变形膨胀仪，采用单一变量法，分别研究变形温度（880℃～1000℃）、变形量（10%、50%）和应变速率（10s-1）对两种实验钢变形抗力的影响，工艺路径图如图1 所示。

图1 实验钢热变形工艺示意图

2 实验结果与分析

2.1 平衡相图计算

为了确定不同温度下实验钢相组成及其所占比例，用Thermal-calc 软件计算并作出实验钢的相体积分数图，见图 2。经计算，1# 实验钢的 Ac1 点温度为 687℃，Ac3 点温度为 826℃；2# 实验钢的 Ac1 点温度为 689℃，Ac3 点温度为877℃。理论计算证明，适当Al 元素能够有效扩大两相区温度窗口，有利于实际退火过程中高温段相比例的调控，同时整体马氏体相变温度区间上移。

2.2 变形温度及变形量对热变形抗力的影响

图3 为两种不同成分实验钢在不同变形温度及变形量下的真应力-真应变曲线。随着应变的增加，变形抗力先增加达到峰值，随后逐渐降低，这主要与热加工过程的动态硬化与软化有关，当应变较小时，急剧加工硬化导致流变应力快速上升；随变形程度增大，动态回复导致的软化增大，流变应力上升速度减慢；变形程度继续增大，材料内部形变存储能逐渐增大，最终诱发部分再结晶，软化作用与加工硬化作用达到平衡，流变应力达到峰值并逐渐趋于平缓。当温度一定时，观察图3（a）与（c）、图 3（b）与（d），变形量为 10%的各个温度下的峰值应力明显小于变形量为50%的相应温度下的峰值应力；当变形量一定时，峰值应力随着变形温度的增加而减小，这主要是因为变形温度升高时，原子的热激活过程增强，位错的活动能力增强，变形过程中可以有更多的位错进行攀移和滑移，从而使软化过程更为突出，流变应力降低。

2.3 合金元素Al 对热变形抗力的影响

图4 为两种成分实验钢在840℃～1000℃不同温度下，不同变形量与热变形抗力应力峰值对应关系。除960 ℃变形温度外，在相同变形量及变形温度下，添加一定Al元素的2# 实验钢的变形抗力峰值均大于无Al 元素的1#实验钢，且随着温度增加，两者应力峰值差值呈减小趋势。这是由于Al 元素具有较好的固溶强化效果，Al 元素的添加增加了C-Mn-Si 系钢的流变应力，有研究指出Al的强化效果之所以较高与其晶格错配参数及其与奥氏体中 C、N 亲和力有关[5]；Hamada 等曾研究 Al 对高锰 TWIP钢的影响，发现Al 元素能显著提高实验钢的热变形流变应力[6]，与本文研究结果一致。