低密度fe-mn-al-c钢的氢脆性能研究

低密度fe-mn-al-c钢的氢脆性能研究

在保证车辆强度和安全的前提下，尽量降低车辆质量，提高车辆动力量，实现节能减排，是当前汽车工业发展的重要方向。如果汽车的重量小于10%，则可以降低约7%的燃油消耗。低密度汽车制造是实现汽车轻量化的重要手段。1材料和方法1.1热处理铸锭过程采用真空熔炼炉制备了2种不同Al含量的Fe-Mn-Al-C中锰低密度钢锭，主要化学成分如表1所示。铸锭切头铣面后在Carbolite&Gero高温炉中进行1125℃保温60min热处理，然后锻造成50mm×70mm×90mm锻坯，并空冷至室温。锻坯加热至1175℃保温60min后进行热轧，开轧和终轧温度分别为1075和875℃，经过8道次轧制成25mm厚钢板。1.2电化学充氢装置从热轧钢板上取样进行打磨、机械抛光和腐蚀后，在奥林巴斯GX51型光学显微镜和日立S-4800型扫描电镜上观察显微组织。采用自制电化学充氢装置对热轧态Fe-Mn-Al-C钢试样(6mm×6mm×35mm)进行充氢，装置包括CDM10-WYJ型直流稳压电源和HH-3AHH-4A型恒温水浴锅等，充氢过程中试样为阴极、Pt片为阳极，充氢溶液为0.5mol/L硫酸+0.25g/L硫脲+蒸馏水的混合溶液，充氢时间为10～180min，电流密度为10～100mA/cm2结果与讨论2.1拉伸性能对比分析热轧8.9Al和12.2Al钢的光学显微组织和扫描电镜显微组织分别如图1和图2所示。热轧8.9Al和12.2Al钢的显微组织都为铁素体、奥氏体和碳化物。8.9Al钢中奥氏体晶界呈连续网状分布，基体为铁素体，黑色区域放大后可见块状碳化物(图1(c、d));12.2Al钢中铁素体和奥氏体呈沿轧制方向的条状分布特征，黑色区域放大后可见细小的奥氏体晶粒和尺寸约在3μm以下的碳化物(图2(c、d))。能谱分析表明，8.9Al和12.2Al钢中碳化物均主要含有Fe、Mn、Al和C元素，结合文献可知热轧8.9Al和12.2Al钢的室温拉伸性能结果如表2所示。对比分析可知，热轧12.2Al钢的屈强强度和抗拉强度相较于8.9Al钢分别提高了12.0%和11.9%，断口伸长率和强塑积相较于8.9Al钢分别降低了24.5%和15.4%。可见，提高Fe-Mn-Al-C钢中Al含量有助于提升钢的强度，但对塑性产生不利影响。这主要是因为8.9Al钢中含有相对较少的κ-碳化物，奥氏体晶粒尺寸较大，在保持较高强度的同时具有较高的塑性2.2强度和断后拉伸性能对热轧8.9Al和12.2Al钢进行不同时间的充氢处理，充氢不同时间的Fe-Mn-Al-C钢中氢含量变化曲线如图3所示，电流密度为10mA/cm热轧8.9Al和12.2Al钢在不同电流密度下充氢处理后钢中氢含量的变化曲线如图4所示，充氢时间为60min。对比分析可知，随着电流密度的增大，8.9Al和12.2Al钢的氢含量都呈现逐渐降低的趋势，电流密度低于50mA/cm表3为不同充氢时间下Fe-Mn-Al-C钢的室温拉伸性能测试结果。随着充氢时间的延长，8.9Al和12.2Al钢的抗拉强度和断后伸长率都呈逐渐降低的趋势;虽然未充氢时12.2Al钢的抗拉强度高于8.9Al钢，断后伸长率低于8.9Al钢，但经过10、30和60min充氢处理后，12.2Al钢的抗拉强度和断后伸长率均明显降低，且都小于相同充氢时间下的8.9Al钢。可见，Fe-Mn-Al-C钢的抗拉强度和断后伸长率与氢含量都呈负相关性，即氢含量越高，Fe-Mn-Al-C钢的强塑性越差，这表明Fe-Mn-Al-C钢具有较高的氢脆敏感性，在制备过程中应该尽量降低钢中氢的含量。图5为8.9Al和12.2Al钢的抗拉强度随充氢时间的变化曲线。可见，充氢前，8.9Al钢的抗拉强度低于12.2Al钢，但随着充氢时间的延长，8.9Al钢的抗拉强度降低幅度较小，而12.2Al钢的抗拉强度呈急剧下降趋势。由此可见，12.2Al钢的氢脆敏感性要明显高于8.9Al钢，这主要是因为二者的微观组织不同造成相同充氢时间下的氢含量存在差异采用脆化指数(EI)来评价Fe-Mn-Al-C钢的氢脆敏感性，用材料断后伸长率损失来表示为式中:A图6为低密度Fe-Mn-Al-C钢的断后伸长率和断后伸长率损失随充氢时间的变化曲线。可见，随着充氢时间的延长，8.9Al和12.2Al钢的断后伸长率都呈逐渐降低的趋势，而断后伸长率损失呈逐渐升高的趋势;在相同充氢时间下，8.9Al钢的断后伸长率损失远小于12.2Al钢，即8.9Al钢相对12.2Al钢具有更好的抗氢脆性能。这主要是因为热轧8.9Al和12.2Al钢中碳化物的形成会在与基体界面结合处产生氢陷阱并造成氢的吸附和聚集，当材料的局部氢浓度达到一定临界值时，会在内应力和外加应力作用下产生氢致裂纹萌生和扩展3充氢过程对al钢力学性能的影响(1)热轧12.2Al钢的屈强强度和抗拉强度相较于8.9Al钢分别提高了12.0%和11.9%，断后伸长率和强塑积相较于8.9Al钢分别降低了24.5%和15.4%;8.9Al和12.2Al钢的密度分别为6.7715和6.6399g/cm(2)随着充氢时间的延长，8.9Al和12.2Al钢的抗拉强度和断后伸长率都呈逐渐降低的趋势;充氢前8.9Al钢的抗拉强度低于12.2Al钢，经过10、30和60min充氢处理后，12.2Al钢的抗拉强度和断后伸长率明显降低，且都小于相同充氢时间下的8.9Al