Fe_Mn_Si_Al鋼力學(xué)性能與顯微結(jié)構(gòu)研究_圖文

1、第45卷 第4期 2010年4月鋼鐵Iron and SteelVo l.45,N o.4April 2010Fe Mn Si Al 鋼力學(xué)性能與顯微結(jié)構(gòu)研究張繼明, 孫衛(wèi)華, 孫 浩(濟鋼集團有限公司,山東濟南250101摘 要:對3種成分F e M n Si A l 鋼的力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)和重位晶界進行了研究,結(jié)果表明:隨著鋼中M n 、Si 和Al 元素含量的降低,材料的屈服強度和抗拉強度逐漸升高,伸長率逐漸降低,低 值重位晶界出現(xiàn)頻率依次為83 4%、36%和21%,并且鋼中形變孿晶的數(shù)量逐漸減少。Fe 30M n 3Si 3A l 鋼中形變孿晶分為一次孿晶和二次孿晶,一次孿晶和二次孿

2、晶生長方向成60 夾角,大部分二次孿晶分布在一次孿晶的兩孿晶界之間,但在高應(yīng)力的形變帶內(nèi)二次孿晶可穿過一次孿晶的孿晶界。關(guān)鍵詞:顯微結(jié)構(gòu);重位晶界;孿晶中圖分類號:T G 156.99 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:0449 749X(201004 0068 04Study on Mechanical Properties and Microstructureof Fe Mn Si Al SteelsZH AN G Ji m ing , SU N Wei hua, SUN H ao(T echnolog y Center of Jinan I ron and Steel G ro up Cor p

3、o ration,Ji !nan 250101,Shando ng ,ChinaAbstract:T he mechanical pr operties,micro st ruct ur es and co incidence site lat tice g rain boundar y o f such F e M n Si Al stees as F e 30M n 3Si 3Al,F e 15M n 2Si 2A l and Fe 15M n wer e investig ated.T he results sho w that y ield st reng th and tensile

4、 str eng th increase and t he elo ng atio n r educe w ith decrease in M n,Si and A l content of steel.Frequency o f Co incidence site latt ice g rain boundary (CSL is 83.4%,36%and 21%for three steels,r espectively.Deformat ion tw in is co mprised of the primar y tw in and the secondar y tw in.T he a

5、ng le betw een the primary tw in and secondary twin is about 60deg ree.M o st o f secondar y tw ins g row in the pr imar y twins.H ow ever,so me of seconda r y tw ins trav erse the pr imary tw ins bo undaries in the heavy defor mation band.Key words:m icrostr ucture;coincidence site lat tice gr ain

6、bo undary ;tw in作者簡介:張繼明(1977#,男,博士; E mail :jiming_z han g; 收稿日期:2008 11 24近年來,汽車工業(yè)的發(fā)展要求汽車結(jié)構(gòu)材料具有輕量化和高安全性等特點,以降低油耗、減少環(huán)境污染等以緩解當(dāng)前日益緊張的能源和環(huán)境問題。在汽車用板材中,為減輕車體重量,大量采用高強度鋼板已成為必然趨勢,而隨著鋼板強度的提高,其沖壓成形加工過程中的回彈和彎曲開裂現(xiàn)象增多,降低了加工成形性1 2。研制和開發(fā)高強、高塑性鋼是汽車工業(yè)近年研究的重點。Grassel 等3 4在試驗研究Fe M n Si Al 系T rip 鋼時發(fā)現(xiàn),當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到25%,鋁

7、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%,硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%3%之間時,其抗拉強度和伸長率的乘積在50000MPa %以上,是高韌性TRIP 鋼的2倍。由于該類合金的高強韌性來自形變過程中孿晶的形成而不是TRIP 鋼中的相變,故命名為孿生誘發(fā)塑性(TWIP鋼。TWIP 鋼具有中等的抗拉強度(約600MPa和極高的均勻伸長率(大于80%,較高的能量吸收能力和沒有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度等優(yōu)點5 6。TWIP 鋼的顯微組織觀察表明,變形過程中有大量的孿晶在奧氏體晶粒內(nèi)形成7 8。本文選取3種不同成分的Fe Mn Si Al 系鋼,研究化學(xué)成分對其顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。1 試驗材料與方法試驗用材料的主要化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),

8、%Fe 30M n 3Al 3Si,Fe 15M n 2Al 2Si 和Fe 15M n 3種成分。試驗材料首先在50kg 真空感應(yīng)爐中進行冶煉,氬氣保護,然后澆注成200mm %200m m %300m m 長方坯。在1050&真空爐中進行均勻化處理,保溫50h 。開始軋制溫度為1150&,軋成15mm 厚的板材,軋后空冷。最后進行回火處理,回火溫度為1000&保溫8h,隨爐冷卻。從基板上截取試樣進行力學(xué)性能試驗和EBSD 試驗。采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,尺寸為M12(l =2d ,d =5mm圓棒試樣,拉伸試驗在島津液壓伺服萬能試第4期張繼明等:Fe M n Si A l

9、鋼力學(xué)性能與顯微結(jié)構(gòu)研究驗機上進行,拉伸應(yīng)變速率均為4.2%10 3s 1,加載應(yīng)力方向平行于軋向。拉伸后截取EBSD 和T EM 試樣。TEM 試樣首先經(jīng)機械研磨減薄,然后用沖樣機剪成 3mm 圓片,最后采用電解雙噴技術(shù)進行最終減薄處理,顯微結(jié)構(gòu)觀察在JEM 200CX 透射電鏡上進行。EBSD 試樣經(jīng)機械研磨拋光處理后,利用Struer s 電解拋光設(shè)備對表面進行拋光處理,拋光液為5%高氯酸酒精。EBSD 試驗在JSM 6460LV 掃描電鏡上進行,加速電壓為25kV 。2 試驗結(jié)果與討論2.1 力學(xué)性能圖1為Fe 30M n 3Si 3Al 、Fe 15M n 2Si 2Al 和Fe 1

10、5Mn 鋼拉伸性能的應(yīng)力 應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化指數(shù),可以看出,隨著鋼中Mn 、Si 和Al 含量的降低,鋼的屈服強度和抗拉強度增加,而伸長率大幅降低。Fe 30Mn 3Si 3Al 鋼具有較低的屈服強度,約為250MPa 。而隨著應(yīng)變的增加,存在較長的加工硬化階段,在伸長率達到78%時強度達到最大值600MPa,伸長率最大為82.5%。而Fe 15M n 2Si 2Al 和Fe 15M n 屈服強度和斷裂強度相對較高,屈服強度為500M Pa 左右,拉伸強度分別為900M Pa 和1100MPa 左右,但其塑性大為降低,Fe 15M n 伸長率僅為36%左右(圖1(a。在0.050.3的應(yīng)變范圍

11、內(nèi),Fe 30M n 3Si 3Al 鋼的n 值均勻而平穩(wěn),表明其在拉伸過程中具有良好的應(yīng)變分布,能夠承受局部的應(yīng)變;與前者相比,Fe 15Mn 2Si 2Al 的n 值隨應(yīng)變量增加n 值增加較快,但增量比較均勻;而Fe 15M n 的n 值變化較大,當(dāng)應(yīng)變量增加大約0.15時,n 值迅速增加,隨后n 值急劇降低,n 規(guī)律近似拋物線關(guān)系(圖1(b。Fe 15Mn 鋼n 值變化與其他兩種鋼不同,主要是由其成分所決定的,層錯能與成分密切相關(guān),M n 含量增加能夠顯著提高材料層錯能,降低加工硬化速率而增加塑性3。Si 使材料層錯能降低,而Al 則可以增加層錯能,當(dāng)材料中Si 和Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為3

12、%時,效果最顯著2。3種鋼中,Fe 15M n 層錯能最低,Fe 15M n 2Si 2Al 次之,Fe 30M n 3Si 3A l 層錯能最大。研究表明3,5,層錯能越低,材料在應(yīng)力作用下越容易發(fā)生形變誘導(dǎo)馬氏體相變,而隨著層錯能增加,馬氏體相變被抑制,當(dāng)層錯能增加到一定值時,材料在應(yīng)力作用下發(fā)生T WIP 效應(yīng),相變過程中主要通過孿晶的形成來延遲鋼的頸縮。所以,在拉伸過程中,Fe 15M n 鋼主要由于應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體形變而使材料具有較快的加工硬化速率,Fe 15M n 2Si 2Al 則同時發(fā)生了馬氏體相變和孿生,而Fe 30M n 3Si 3A l 主要由于發(fā)生孿生而使材料塑性增加,這

13、在后面顯微組織觀察中得到證實。 圖1 3種鋼的應(yīng)力 應(yīng)變曲線(a和應(yīng)變對硬化指數(shù)n 值的影響(bFig.1 Stress strain curves(aand effect of strain on n value of three steels with dif ferent chemical compositions(b2.2 斷口形貌觀察圖2為Fe 30Mn 3Si 3Al 鋼拉伸斷口形貌和拉伸過程中滑移形貌,從宏觀斷口可以看出在斷裂前,材料產(chǎn)生較大的塑性變形。斷口表面由起裂源和剪切唇組成,其中剪切唇面積約占斷口表面的3/4(圖2(a。斷口心部起裂源由大量的韌窩組成,在較大的韌窩壁上可以

14、觀察到大量細(xì)密的蛇形紋,表面在韌窩形成過程中材料塑性變形量較大(圖2(b。拉伸過程中,試樣表面產(chǎn)生大量平行排列的滑移線,在表面可以觀察到兩套滑移系,一次滑移和二次滑移系約成60&夾角,在滑移量較大的部位因應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋。研究發(fā)現(xiàn)9,T WIP 鋼在拉伸過程中,裂紋大部分在晶界處萌生,同時部分裂紋也沿孿晶界擴展,主要是因為在較大的應(yīng)變速率下,材料69鋼 鐵第45卷 圖2 Fe 30Mn 3Si 3Al 鋼拉伸斷口形貌(a、(b和裂紋觀察(cFig.2 Fractograph (a and band crack propagation(cof Fe 30Mn 3Si 3Al stee

15、l during tensile testing 產(chǎn)生大量的位錯,這些位錯在滑移過程中在誘發(fā)孿晶界大量塞積,正負(fù)位錯結(jié)合產(chǎn)生空位,致使裂紋沿孿晶界延伸。2.3 顯微組織TEM 觀察圖3為Fe 30Mn 3Si 3Al 鋼拉伸形變后的顯微結(jié)構(gòu)照片,可以看出,Fe 30Mn 3Si 3Al 鋼拉伸變形后顯微組織主要為長條狀的形變孿晶,板條狀孿晶寬度尺寸大小不等,在孿晶條內(nèi)存在高密度位錯。形變孿晶的選區(qū)衍射分析表明,電子束入射方向平行于011晶帶軸方向,衍射斑點關(guān)于(1-11-面呈鏡面對稱分布,表明選區(qū)內(nèi)平行孿晶板條之間構(gòu)成(1-11-孿晶關(guān)系。在較寬的一次孿晶板條內(nèi)存在大量的二次孿晶,相對于一次孿

16、晶,二次孿晶條的長度和寬度尺寸都比較小,一次孿晶和二次孿晶的生長方向基本上呈60 角(見圖3(b。圖4為Fe 15M n 和Fe 15M n 2Si 2Al 拉伸后顯微組織中的形變孿晶形貌,可以看出,由于鋼中M n 、Si 和Al 元素含量的減低,鋼中形變誘發(fā)孿晶的數(shù)量大為減少,尤其是在Fe 15Mn 鋼中,僅存在少量的針狀微孿晶,孿晶的寬度約為10nm。 圖3 Fe 30Mn 3Si 3Al 中形變孿晶TEM形貌(a 和選區(qū)電子衍射花樣(bFig.3 Morphology of deformation twinning(aand selected area diff raction patt

17、erns in 011zoneaxis of def ormation twinning(b2.4晶界特征分布圖4 Fe 15Mn 2Si 2Al(a和Fe 15Mn(b中的形變孿晶形貌和選區(qū)電子衍射花樣Fig.4 Morphology of deformation twinning in Fe 15Mn 2Si 2Al (aand Fe 15Mn (baf ter tensile testing and corresponding toselected area diffraction patterns圖5為不同成分試驗鋼的拉伸后的重位晶界的出現(xiàn)頻率,可以看出Fe 30M n 3Si 3A

18、l 在拉伸后重位(CSL晶界( 29的比例分?jǐn)?shù)為83.4%,其中99%的為 3重位晶界。這是由于Fe 30Mn 3Si 3A l 拉伸后大量 3孿晶的生成,使得CSL 晶界( 29的比例大幅增加。而對于Fe 15Mn 2Si 2A l 和Fe 15M n 來說,由于M n 含量和Si 、Al 元素的降低,使鋼的T WIP 效應(yīng)降低,鋼中CSL 晶界出現(xiàn)頻率大為降低,尤其是在Fe 15M n 鋼中,CSL 晶界( 29的出現(xiàn)只有21%。圖5 3種鋼中CSL 晶界的統(tǒng)計分布Fig.5 Frequency of C SL grain boundary in threesteels af ter te

19、nsile testing70第4期張繼明等:Fe M n Si A l鋼力學(xué)性能與顯微結(jié)構(gòu)研究材料劇烈塑性變形時,應(yīng)變協(xié)調(diào)機制與晶體結(jié)構(gòu)及層錯能密切相關(guān)。中、高層錯能的面心立方(fcc和體心立方(bcc金屬,主要依靠位錯滑移協(xié)調(diào)塑性變形10 11。而對于那些低層錯能金屬材料,由于位錯的滑移尤其是交滑移變得困難,這時候形變主要通過形變誘導(dǎo)相變12或者孿生的方式來協(xié)調(diào)13 14。Gr assel等3研究了不同成分的TWIP鋼力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)隨著鋼中錳含量的增加,材料的屈服強度和抗拉強度逐漸降低;另外,在同樣的錳含量的情況下,3Si 3Al具有最佳的力學(xué)性能。本研究也證明了這一點,隨著鋼中錳、硅和鋁

20、含量的降低,鋼的強度增加,塑性降低,鋼的T WIP效應(yīng)減弱。這主要是隨著M n、Si和A l元素的降低,材料形變由孿生為主過渡為位錯滑移和相變?yōu)橹?在Fe 15M n 2Si 2Al和Fe 15Mn的形變組織中孿晶非常少,尤其是后者,基體上只分布少量的針狀微孿晶(見圖4。近年研究發(fā)現(xiàn),多晶材料的沿晶斷裂與晶界的結(jié)構(gòu)與類型密切相關(guān),低能晶界能夠抑制材料的斷裂,而那些高能晶界或者普通晶界往往成為裂紋形核和擴展的優(yōu)先位置15。隨著材料中低值晶界出現(xiàn)頻率的增加,材料的斷裂應(yīng)力得到大幅升高。主要是因為多晶材料中大量的普通晶界形成一個晶界網(wǎng)絡(luò),隨即分布的重位晶界打斷了普通晶界的連通性,有效抑制了裂紋沿普通

21、晶界的傳播,從而使材料的強韌性得到改善和提高。Fe 30Mn 3Si 3Al 中大量低值CSL晶界的出現(xiàn),能夠有效抑制微裂紋的萌生和擴展,延緩了材料的斷裂,從而使其塑性得到顯著改善。3 結(jié)論Fe 30Mn 3Si 3Al、Fe 15Mn 2Si 2Al和Fe 15Mn 鋼拉伸性能表明,隨著錳、硅和鋁含量降低,材料屈服強度和抗拉強度逐漸升高,伸長率逐漸降低,鋼中形變孿晶數(shù)量逐漸減少。Fe 30M n 3Si 3Al鋼中形變孿晶分為一次孿晶和二次孿晶,一次孿晶和二次孿晶生長方向成60夾角,大部分二次孿晶分布在一次孿晶的兩孿晶界之間,但有些二次孿晶穿過一次孿晶,生長方向和形變帶一致。不同成分鋼中重合

22、位置晶界的出現(xiàn)頻率存在顯著差異,隨著M n、Si和Al元素降低,低CSL晶界比例由Fe 30Mn 3Si 3Al的83 4%降低為Fe 15Mn 2Si 2Al的36%和Fe 15Mn 鋼中的21%。參考文獻:1 米振莉,唐荻,嚴(yán)玲,等.高強度高塑性T WIP鋼的開發(fā)研究J.鋼鐵,2005,40(1:58.2 李殿魁.現(xiàn)代汽車工業(yè)用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.上海鋼研,1997,2(3:41.3 Gras sel O,Kruger L,Frommeyer G,et al.H igh Stren gthFe M n (Al,SiT RIP/T WIP Steels Development Proper

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