Fe_Mn_Si_Al钢力学性能与显微结构研究_图文

1、第45卷 第4期 2010年4月钢铁Iron and SteelVo l.45,N o.4April 2010Fe Mn Si Al 钢力学性能与显微结构研究张继明, 孙卫华, 孙 浩(济钢集团有限公司,山东济南250101摘 要:对3种成分F e M n Si A l 钢的力学性能、显微结构和重位晶界进行了研究,结果表明:随着钢中M n 、Si 和Al 元素含量的降低,材料的屈服强度和抗拉强度逐渐升高,伸长率逐渐降低,低 值重位晶界出现频率依次为83 4%、36%和21%,并且钢中形变孪晶的数量逐渐减少。Fe 30M n 3Si 3A l 钢中形变孪晶分为一次孪晶和二次孪晶,一次孪晶和二次孪

2、晶生长方向成60 夹角,大部分二次孪晶分布在一次孪晶的两孪晶界之间,但在高应力的形变带内二次孪晶可穿过一次孪晶的孪晶界。关键词:显微结构;重位晶界;孪晶中图分类号:T G 156.99 文献标志码:A 文章编号: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作者简介:张继明(1977#,男,博士; E mail :jiming_z han g; 收稿日期:2008 11 24近年来,汽车工业的发展要求汽车结构材料具有轻量化和高安全性等特点,以降低油耗、减少环境污染等以缓解当前日益紧张的能源和环境问题。在汽车用板材中,为减轻车体重量,大量采用高强度钢板已成为必然趋势,而随着钢板强度的提高,其冲压成形加工过程中的回弹和弯曲开裂现象增多,降低了加工成形性1 2。研制和开发高强、高塑性钢是汽车工业近年研究的重点。Grassel 等3 4在试验研究Fe M n Si Al 系T rip 钢时发现,当锰的质量分数达到25%,铝

7、的质量分数超过3%,硅的质量分数在2%3%之间时,其抗拉强度和伸长率的乘积在50000MPa %以上,是高韧性TRIP 钢的2倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是TRIP 钢中的相变,故命名为孪生诱发塑性(TWIP钢。TWIP 钢具有中等的抗拉强度(约600MPa和极高的均匀伸长率(大于80%,较高的能量吸收能力和没有低温脆性转变温度等优点5 6。TWIP 钢的显微组织观察表明,变形过程中有大量的孪晶在奥氏体晶粒内形成7 8。本文选取3种不同成分的Fe Mn Si Al 系钢,研究化学成分对其显微结构与力学性能的影响。1 试验材料与方法试验用材料的主要化学成分为(质量分数,

8、%Fe 30M n 3Al 3Si,Fe 15M n 2Al 2Si 和Fe 15M n 3种成分。试验材料首先在50kg 真空感应炉中进行冶炼,氩气保护,然后浇注成200mm %200m m %300m m 长方坯。在1050&真空炉中进行均匀化处理,保温50h 。开始轧制温度为1150&,轧成15mm 厚的板材,轧后空冷。最后进行回火处理,回火温度为1000&保温8h,随炉冷却。从基板上截取试样进行力学性能试验和EBSD 试验。采用标准拉伸试样,尺寸为M12(l =2d ,d =5mm圆棒试样,拉伸试验在岛津液压伺服万能试第4期张继明等:Fe M n Si A l

9、钢力学性能与显微结构研究验机上进行,拉伸应变速率均为4.2%10 3s 1,加载应力方向平行于轧向。拉伸后截取EBSD 和T EM 试样。TEM 试样首先经机械研磨减薄,然后用冲样机剪成 3mm 圆片,最后采用电解双喷技术进行最终减薄处理,显微结构观察在JEM 200CX 透射电镜上进行。EBSD 试样经机械研磨抛光处理后,利用Struer s 电解抛光设备对表面进行抛光处理,抛光液为5%高氯酸酒精。EBSD 试验在JSM 6460LV 扫描电镜上进行,加速电压为25kV 。2 试验结果与讨论2.1 力学性能图1为Fe 30M n 3Si 3Al 、Fe 15M n 2Si 2Al 和Fe 1

10、5Mn 钢拉伸性能的应力 应变曲线和应变硬化指数,可以看出,随着钢中Mn 、Si 和Al 含量的降低,钢的屈服强度和抗拉强度增加,而伸长率大幅降低。Fe 30Mn 3Si 3Al 钢具有较低的屈服强度,约为250MPa 。而随着应变的增加,存在较长的加工硬化阶段,在伸长率达到78%时强度达到最大值600MPa,伸长率最大为82.5%。而Fe 15M n 2Si 2Al 和Fe 15M n 屈服强度和断裂强度相对较高,屈服强度为500M Pa 左右,拉伸强度分别为900M Pa 和1100MPa 左右,但其塑性大为降低,Fe 15M n 伸长率仅为36%左右(图1(a。在0.050.3的应变范围

11、内,Fe 30M n 3Si 3Al 钢的n 值均匀而平稳,表明其在拉伸过程中具有良好的应变分布,能够承受局部的应变;与前者相比,Fe 15Mn 2Si 2Al 的n 值随应变量增加n 值增加较快,但增量比较均匀;而Fe 15M n 的n 值变化较大,当应变量增加大约0.15时,n 值迅速增加,随后n 值急剧降低,n 规律近似抛物线关系(图1(b。Fe 15Mn 钢n 值变化与其他两种钢不同,主要是由其成分所决定的,层错能与成分密切相关,M n 含量增加能够显著提高材料层错能,降低加工硬化速率而增加塑性3。Si 使材料层错能降低,而Al 则可以增加层错能,当材料中Si 和Al 的质量分数均为3

12、%时,效果最显著2。3种钢中,Fe 15M n 层错能最低,Fe 15M n 2Si 2Al 次之,Fe 30M n 3Si 3A l 层错能最大。研究表明3,5,层错能越低,材料在应力作用下越容易发生形变诱导马氏体相变,而随着层错能增加,马氏体相变被抑制,当层错能增加到一定值时,材料在应力作用下发生T WIP 效应,相变过程中主要通过孪晶的形成来延迟钢的颈缩。所以,在拉伸过程中,Fe 15M n 钢主要由于应变诱导马氏体形变而使材料具有较快的加工硬化速率,Fe 15M n 2Si 2Al 则同时发生了马氏体相变和孪生,而Fe 30M n 3Si 3A l 主要由于发生孪生而使材料塑性增加,这

13、在后面显微组织观察中得到证实。 图1 3种钢的应力 应变曲线(a和应变对硬化指数n 值的影响(bFig.1 Stress strain curves(aand effect of strain on n value of three steels with dif ferent chemical compositions(b2.2 断口形貌观察图2为Fe 30Mn 3Si 3Al 钢拉伸断口形貌和拉伸过程中滑移形貌,从宏观断口可以看出在断裂前,材料产生较大的塑性变形。断口表面由起裂源和剪切唇组成,其中剪切唇面积约占断口表面的3/4(图2(a。断口心部起裂源由大量的韧窝组成,在较大的韧窝壁上可以

14、观察到大量细密的蛇形纹,表面在韧窝形成过程中材料塑性变形量较大(图2(b。拉伸过程中,试样表面产生大量平行排列的滑移线,在表面可以观察到两套滑移系,一次滑移和二次滑移系约成60&夹角,在滑移量较大的部位因应力集中而产生微裂纹。研究发现9,T WIP 钢在拉伸过程中,裂纹大部分在晶界处萌生,同时部分裂纹也沿孪晶界扩展,主要是因为在较大的应变速率下,材料69钢 铁第45卷 图2 Fe 30Mn 3Si 3Al 钢拉伸断口形貌(a、(b和裂纹观察(cFig.2 Fractograph (a and band crack propagation(cof Fe 30Mn 3Si 3Al stee

15、l during tensile testing 产生大量的位错,这些位错在滑移过程中在诱发孪晶界大量塞积,正负位错结合产生空位,致使裂纹沿孪晶界延伸。2.3 显微组织TEM 观察图3为Fe 30Mn 3Si 3Al 钢拉伸形变后的显微结构照片,可以看出,Fe 30Mn 3Si 3Al 钢拉伸变形后显微组织主要为长条状的形变孪晶,板条状孪晶宽度尺寸大小不等,在孪晶条内存在高密度位错。形变孪晶的选区衍射分析表明,电子束入射方向平行于011晶带轴方向,衍射斑点关于(1-11-面呈镜面对称分布,表明选区内平行孪晶板条之间构成(1-11-孪晶关系。在较宽的一次孪晶板条内存在大量的二次孪晶,相对于一次孪

16、晶,二次孪晶条的长度和宽度尺寸都比较小,一次孪晶和二次孪晶的生长方向基本上呈60 角(见图3(b。图4为Fe 15M n 和Fe 15M n 2Si 2Al 拉伸后显微组织中的形变孪晶形貌,可以看出,由于钢中M n 、Si 和Al 元素含量的减低,钢中形变诱发孪晶的数量大为减少,尤其是在Fe 15Mn 钢中,仅存在少量的针状微孪晶,孪晶的宽度约为10nm。 图3 Fe 30Mn 3Si 3Al 中形变孪晶TEM形貌(a 和选区电子衍射花样(bFig.3 Morphology of deformation twinning(aand selected area diff raction patt

17、erns in 011zoneaxis of def ormation twinning(b2.4晶界特征分布图4 Fe 15Mn 2Si 2Al(a和Fe 15Mn(b中的形变孪晶形貌和选区电子衍射花样Fig.4 Morphology of deformation twinning in Fe 15Mn 2Si 2Al (aand Fe 15Mn (baf ter tensile testing and corresponding toselected area diffraction patterns图5为不同成分试验钢的拉伸后的重位晶界的出现频率,可以看出Fe 30M n 3Si 3A

18、l 在拉伸后重位(CSL晶界( 29的比例分数为83.4%,其中99%的为 3重位晶界。这是由于Fe 30Mn 3Si 3A l 拉伸后大量 3孪晶的生成,使得CSL 晶界( 29的比例大幅增加。而对于Fe 15Mn 2Si 2A l 和Fe 15M n 来说,由于M n 含量和Si 、Al 元素的降低,使钢的T WIP 效应降低,钢中CSL 晶界出现频率大为降低,尤其是在Fe 15M n 钢中,CSL 晶界( 29的出现只有21%。图5 3种钢中CSL 晶界的统计分布Fig.5 Frequency of C SL grain boundary in threesteels af ter te

19、nsile testing70第4期张继明等:Fe M n Si A l钢力学性能与显微结构研究材料剧烈塑性变形时,应变协调机制与晶体结构及层错能密切相关。中、高层错能的面心立方(fcc和体心立方(bcc金属,主要依靠位错滑移协调塑性变形10 11。而对于那些低层错能金属材料,由于位错的滑移尤其是交滑移变得困难,这时候形变主要通过形变诱导相变12或者孪生的方式来协调13 14。Gr assel等3研究了不同成分的TWIP钢力学行为,发现随着钢中锰含量的增加,材料的屈服强度和抗拉强度逐渐降低;另外,在同样的锰含量的情况下,3Si 3Al具有最佳的力学性能。本研究也证明了这一点,随着钢中锰、硅和铝

20、含量的降低,钢的强度增加,塑性降低,钢的T WIP效应减弱。这主要是随着M n、Si和A l元素的降低,材料形变由孪生为主过渡为位错滑移和相变为主,在Fe 15M n 2Si 2Al和Fe 15Mn的形变组织中孪晶非常少,尤其是后者,基体上只分布少量的针状微孪晶(见图4。近年研究发现,多晶材料的沿晶断裂与晶界的结构与类型密切相关,低能晶界能够抑制材料的断裂,而那些高能晶界或者普通晶界往往成为裂纹形核和扩展的优先位置15。随着材料中低值晶界出现频率的增加,材料的断裂应力得到大幅升高。主要是因为多晶材料中大量的普通晶界形成一个晶界网络,随即分布的重位晶界打断了普通晶界的连通性,有效抑制了裂纹沿普通

21、晶界的传播,从而使材料的强韧性得到改善和提高。Fe 30Mn 3Si 3Al 中大量低值CSL晶界的出现,能够有效抑制微裂纹的萌生和扩展,延缓了材料的断裂,从而使其塑性得到显著改善。3 结论Fe 30Mn 3Si 3Al、Fe 15Mn 2Si 2Al和Fe 15Mn 钢拉伸性能表明,随着锰、硅和铝含量降低,材料屈服强度和抗拉强度逐渐升高,伸长率逐渐降低,钢中形变孪晶数量逐渐减少。Fe 30M n 3Si 3Al钢中形变孪晶分为一次孪晶和二次孪晶,一次孪晶和二次孪晶生长方向成60夹角,大部分二次孪晶分布在一次孪晶的两孪晶界之间,但有些二次孪晶穿过一次孪晶,生长方向和形变带一致。不同成分钢中重合

22、位置晶界的出现频率存在显著差异,随着M n、Si和Al元素降低,低CSL晶界比例由Fe 30Mn 3Si 3Al的83 4%降低为Fe 15Mn 2Si 2Al的36%和Fe 15Mn 钢中的21%。参考文献:1 米振莉,唐荻,严玲,等.高强度高塑性T WIP钢的开发研究J.钢铁,2005,40(1:58.2 李殿魁.现代汽车工业用钢的现状与发展趋势J.上海钢研,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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