合金元素 Al 對(duì) C-Si-Mn 系高強(qiáng)鋼高溫?zé)崃W(xué)影響

冷德平 肖洋洋 盧茜倩 崔 磊

近年來(lái)汽車行業(yè)節(jié)能減排的硬性需求極大激發(fā)了各大鋼企及科研院所對(duì)汽車用高強(qiáng)鋼的研發(fā)，從第一代DP/TRIP 鋼，第二代TWIP 鋼到第三代QP 鋼，一方面，高強(qiáng)鋼的發(fā)展逐步向兼具高強(qiáng)塑性及低成本方向發(fā)展，另一方面，隨著產(chǎn)品強(qiáng)度的不斷提升，對(duì)鋼企現(xiàn)有產(chǎn)線設(shè)備能力提出了不小挑戰(zhàn)[1-2]。

金屬材料的塑性變形抗力是指在給定的變形條件下，所研究的金屬材料能夠?qū)崿F(xiàn)塑性變形的應(yīng)力，是衡量其可鍛性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志。通過(guò)熱變形行為研究可以了解不同變形條件下的變形抗力，為提高軋制力的預(yù)報(bào)精度及保證軋鋼產(chǎn)品的尺寸精度提供依據(jù)，尤其在高強(qiáng)鋼強(qiáng)度逐步提升而現(xiàn)有產(chǎn)線設(shè)備能力不變的情況下，提前了解材料的軋制力并確定合適的試制工藝尤為重要，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值[3-4]。

目前汽車用高強(qiáng)鋼以C-Si-Mn 系產(chǎn)品為主，通過(guò)適當(dāng)QP 工藝或TRIP 工藝后可獲得良好的強(qiáng)塑性能及成形性能。本文擬添加部分Al 元素降低Si 元素含量，以提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量，并通過(guò)DIL805A/D 淬火/變形膨脹儀分析加入Al元素前后實(shí)驗(yàn)鋼熱變形抗力變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文所用實(shí)驗(yàn)鋼為Nb、Ti 微合金化C-Mn-Si-Al 鋼成分，其化學(xué)成分如表1 所示。鑄錠經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉，鑄坯經(jīng)鍛造后熱軋至厚度為10mm 的中間坯，隨后加工成φ5mm×10mm 的圓柱形試樣。利用Thermal-calc 熱力學(xué)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算所選用的數(shù)據(jù)庫(kù)為T(mén)CFE9 數(shù)據(jù)庫(kù)，由于P，S，N，O 含量很少，且對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，因此不計(jì)入成分計(jì)算。利用DIL805A/D 淬火/變形膨脹儀，采用單一變量法，分別研究變形溫度（880℃～1000℃）、變形量（10%、50%）和應(yīng)變速率（10s-1）對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)鋼變形抗力的影響，工藝路徑圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼熱變形工藝示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平衡相圖計(jì)算

為了確定不同溫度下實(shí)驗(yàn)鋼相組成及其所占比例，用Thermal-calc 軟件計(jì)算并作出實(shí)驗(yàn)鋼的相體積分?jǐn)?shù)圖，見(jiàn)圖 2。經(jīng)計(jì)算，1# 實(shí)驗(yàn)鋼的 Ac1 點(diǎn)溫度為 687℃，Ac3 點(diǎn)溫度為 826℃；2# 實(shí)驗(yàn)鋼的 Ac1 點(diǎn)溫度為 689℃，Ac3 點(diǎn)溫度為877℃。理論計(jì)算證明，適當(dāng)Al 元素能夠有效擴(kuò)大兩相區(qū)溫度窗口，有利于實(shí)際退火過(guò)程中高溫段相比例的調(diào)控，同時(shí)整體馬氏體相變溫度區(qū)間上移。

2.2 變形溫度及變形量對(duì)熱變形抗力的影響

圖3 為兩種不同成分實(shí)驗(yàn)鋼在不同變形溫度及變形量下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。隨著應(yīng)變的增加，變形抗力先增加達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，這主要與熱加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)硬化與軟化有關(guān)，當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，急劇加工硬化導(dǎo)致流變應(yīng)力快速上升；隨變形程度增大，動(dòng)態(tài)回復(fù)導(dǎo)致的軟化增大，流變應(yīng)力上升速度減慢；變形程度繼續(xù)增大，材料內(nèi)部形變存儲(chǔ)能逐漸增大，最終誘發(fā)部分再結(jié)晶，軟化作用與加工硬化作用達(dá)到平衡，流變應(yīng)力達(dá)到峰值并逐漸趨于平緩。當(dāng)溫度一定時(shí)，觀察圖3（a）與（c）、圖 3（b）與（d），變形量為 10%的各個(gè)溫度下的峰值應(yīng)力明顯小于變形量為50%的相應(yīng)溫度下的峰值應(yīng)力；當(dāng)變形量一定時(shí)，峰值應(yīng)力隨著變形溫度的增加而減小，這主要是因?yàn)樽冃螠囟壬邥r(shí)，原子的熱激活過(guò)程增強(qiáng)，位錯(cuò)的活動(dòng)能力增強(qiáng)，變形過(guò)程中可以有更多的位錯(cuò)進(jìn)行攀移和滑移，從而使軟化過(guò)程更為突出，流變應(yīng)力降低。

2.3 合金元素Al 對(duì)熱變形抗力的影響

圖4 為兩種成分實(shí)驗(yàn)鋼在840℃～1000℃不同溫度下，不同變形量與熱變形抗力應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)關(guān)系。除960 ℃變形溫度外，在相同變形量及變形溫度下，添加一定Al元素的2# 實(shí)驗(yàn)鋼的變形抗力峰值均大于無(wú)Al 元素的1#實(shí)驗(yàn)鋼，且隨著溫度增加，兩者應(yīng)力峰值差值呈減小趨勢(shì)。這是由于Al 元素具有較好的固溶強(qiáng)化效果，Al 元素的添加增加了C-Mn-Si 系鋼的流變應(yīng)力，有研究指出Al的強(qiáng)化效果之所以較高與其晶格錯(cuò)配參數(shù)及其與奧氏體中 C、N 親和力有關(guān)[5]；Hamada 等曾研究 Al 對(duì)高錳 TWIP鋼的影響，發(fā)現(xiàn)Al 元素能顯著提高實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形流變應(yīng)力[6]，與本文研究結(jié)果一致。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt.%）

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼相體積分?jǐn)?shù)圖

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼不同變形溫度及變形量下的應(yīng)力峰值

3 結(jié)論

（1）結(jié)果表明：變形溫度以及變形量對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼高溫變形抗力影響較大。變形量為10%的各個(gè)溫度下的峰值應(yīng)力明顯小于變形量為50%的相應(yīng)溫度下的峰值應(yīng)力；變形量一定時(shí)，峰值應(yīng)力隨著變形溫度的增加而減小。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼不同變形溫度及變形量下的熱變形抗力

（2）合金元素Al 對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼Ac3 溫度影響較大，適當(dāng)添加Al元素能夠有效擴(kuò)大兩相區(qū)溫度窗口，有利于實(shí)際退火過(guò)程中高溫段相比例的調(diào)控，同時(shí)整體馬氏體相變溫度區(qū)間上移。

（3）Al 元素可顯著提高實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形抗力，這主要與Al的固溶強(qiáng)化作用并延遲動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。