冷軋壓下率對Fe-10Mn-6Al-0.4C鋼微觀組織及力學性能的影響

關鍵詞：中錳鋼；壓下率；顯微組織；力學性能；輕量化

0 引言

在“雙碳”“中國制造2025”戰(zhàn)略推動下，汽車輕量化成為重要發(fā)展方向。近年來，汽車輕量化對先進高強鋼（AHSS）的發(fā)展提出了更高要求。由于第一代汽車用鋼力學性能不足，第二代汽車用鋼加入了昂貴的合金元素，開發(fā)兼具低成本與高性能的第三代汽車用鋼成為重點研究目標之一。中錳鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的強度和塑性組合，被認為是先進高強鋼中最有潛力的鋼種之一，可滿足汽車輕量化與先進高強鋼的結合及日益發(fā)展的要求。高強低密度鋼主要通過添加鋁元素來降低其密度，實現(xiàn)輕量化。研究表明，每減少10%汽車質量，可使燃油消耗降低6%至8%，排放降低3%至4%，不僅輕量化效果明顯，還可降低制動距離，增加汽車安全性，兼具生態(tài)效益與社會效益。中錳鋼主要的強化機制包括固溶強化、細晶強化、位錯強化和應變硬化。其中奧氏體穩(wěn)定性對性能起著關鍵影響，其穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括化學成分、晶粒尺寸、晶粒取向和相之間的應變分配等。中錳鋼中通常會加入Nb、Cu和V等合金元素來調控晶粒尺寸、奧氏體穩(wěn)定性和析出物來優(yōu)化材料性能。ZHAOZ Z研究中錳鋼短時退火加淬火工藝對奧氏體晶粒尺寸的影響，研究表明，隨著退火溫度的增加奧氏體晶粒平均尺寸先減少后增加，這是當溫度過高導致奧氏體長大速度增加。CALLAHAN M研究表明，F(xiàn)e-MnAl-C高強度輕質鋼變形過程中常表現(xiàn)出不穩(wěn)定塑性現(xiàn)象，如Portevin-Le Chatelier帶和Lüders帶，這不利于獲得良好的表面質量。鋁元素的加入可以減緩Portevin-Le Chatelier帶和Lüders帶，促進δ鐵素體的形成，還可抑制滲碳體的形成。δ鐵素體在焊接時的熔核區(qū)和熱影響區(qū)不會形成完全的馬氏體組織，進而彌補完全馬氏體化帶來的焊點硬化。目前對添加Cu、Ni等合金元素的Fe-Mn-Al-C系鋼組織性能調控研究較為廣泛，而對不添加合金元素的Fe-Mn-Al-C系鋼組織性能調控需進一步研究。為了實現(xiàn)強度和塑性的匹配，本研究選擇了Fe-10Mn-6Al-0.4C鋼，并通過調控冷軋壓下率和退火來改善其性能，實現(xiàn)強度-塑性的良好匹配，利用電子背散射衍射（EBSD）技術分析了冷軋壓下率對微觀結構演變與力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼在50kg中頻真空感應熔煉爐中進行冶煉，其化學成分（質量分數(shù)，%）為0.4C、10Mn、6Al、0.3Si、0.0093P、0.0084S，其余為Fe。而后澆鑄成40kg的鋼錠，將鋼錠熱鍛后切割成尺寸為40 mm×60 mm×80 mm（厚×寬×長）的坯料。將鑄坯加熱到1200℃保溫30 min，使用RAL-NEU型φ350 mm×350 mm高剛度二輥熱軋機軋至4 mm并冷卻至室溫。圖1所示為用Thermo-calc熱力學模擬的全成分相圖。根據圖1可以看出，當溫度升高至670℃時，α鐵素體發(fā)生相變形成奧氏體。在1080℃時，F(xiàn)CC相（奧氏體相）占比最高，在此溫度下BCC為δ鐵素體，約為14.5%。試驗鋼中鋁元素質量分數(shù)較高，δ鐵素體在凝固后會保留至室溫，不參與α→γ。隨著溫度的升高，BCC（高溫δ鐵素體）開始增多現(xiàn)象，這是奧氏體開始向δ相轉變，至1300℃有液相出現(xiàn)相變逐漸完成，最后為液相。熱軋板經過700℃退火60 min后冷卻至室溫再酸洗后進行冷軋，其壓下率分別為40%、60%及70%。冷軋板經過750℃退火30 min后空冷至室溫。

對不同壓下率的冷軋退火板使用SEM和EBSD進行表征，取樣平面為平行于軋制方向的側面（RD）。使用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕后使用FEI-Quanta-650FEG型熱場發(fā)射掃描電鏡進行檢測，再使用掃描電鏡配套的EBSD進行表征，試樣在5%C3H8O3+15%HClO4+80%CH3CH2OH的混合溶液下進行電解拋光，掃描步長為0.25 μm，后期利用OIManalysis7.0軟件對晶粒尺寸與晶粒取向等數(shù)據進行分析處理。

用電火花線切割機在退火板上切割拉伸試樣，試樣的拉伸方向與軋制方向一致。試樣總長度為52 mm，標距長度為15 mm，標距厚度為1 mm。采用Instron3382雙立柱落地式電子萬能材料試驗機在室溫下進行拉伸試驗，應變速率為0.0075 mm/s。每種條件下的樣品測試3個平行試樣，斷后伸長率取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 冷軋板和退火板微觀組織演變

圖2所示為冷軋板和退火板的SEM組織，可看出冷軋板由條帶狀δ鐵素體、馬氏體（M）、奧氏體（A）和α鐵素體組成，經過冷軋變形后出現(xiàn)馬氏體，這是由于形變誘導了馬氏體相變產生的。隨著壓下率的增大，馬氏體逐漸增多，這是由于變形量的增加導致更多的不穩(wěn)定奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。不同壓下率冷軋板在退火后組織均由奧氏體、等軸狀α鐵素體和條帶狀δ鐵素體組成。隨著變形程度的增加，可看出組織分布更加均勻，δ鐵素體仍呈條帶狀分布，奧氏體逐漸呈等軸狀分布，α鐵素體分布在奧氏體周圍。壓下率為40%與60%時退火板中α鐵素體較細小，而70%退火板中α鐵素體明顯變大，這是因為70%退火板的晶粒畸變能過高，在退火過程中引起的α鐵素體晶粒粗大。

2.2 退火板EBSD分析

不同冷軋壓下率退火試樣的EBSD照片如圖3所示。由IPF圖3（a）～（c）可知，壓下率為40%退火板中晶粒取向主要以＜101＞及＜111＞為主，奧氏體晶粒主要沿著＜101＞方向分布。壓下率為60%退火板中δ鐵素體晶粒取向主要以＜001＞方向為主，細小的晶粒在3個取向上均有分布。壓下率為70%退火板中δ鐵素體的晶粒取向主要為＜111＞方向，奧氏體的晶粒取向仍為＜101＞方向。

由相分布圖3（d）～（f）可看出，深色為鐵素體，淺色為奧氏體，奧氏體和α鐵素體與條帶狀δ鐵素體形成層狀結構。隨著壓率的增加，奧氏體由長條狀變?yōu)榈容S狀且更加細小，奧氏體相占比從49.8%降低至40.7%后增加至46.7%。可看出壓下率為60%和70%退火板中層狀分布相比40%退火板更為均勻，而60%退火板的α鐵素體更加均勻的分布在奧氏體周圍，這是由于隨著壓下率的增加，再結晶程度增加晶粒更加細小及組織更加均勻。由晶界圖3（g）～（i）可知，在2°～5°時，晶界顏色最深，5°～15°時，晶界顏色稍微變淺，而15°～18°時，晶界顏色最淺。壓下率的增加，大角度晶界呈先增加后減少且大部分在鐵素體中。壓下率為40%退火板中小角度晶界占比為43.7%，大角度晶界占比為56.3%，可以看出奧氏體晶界中存在著大量的亞結構，這是由于奧氏體再結晶程度較低。壓下率為60%退火板中小角度晶界占比29.7%，大角度晶界占比70.3%，與40%退火板相比，大角度晶界占比增加13.7%，這是由于隨著壓下率的增加再結晶程度增加。壓下率為70%退火板中，小角度晶界占比27.1%，大角度晶界占比為72.9%，比60%退火板中大角度晶界占比增加1.6%。由此可看出壓下率為70%退火板再結晶程度略高于60%退火板。

研究表明，在材料的塑性變形過程中，統(tǒng)計儲存位錯（SSD，statistical storage dislocation）遠遠小于幾何必須位錯（GND，geometrically necessary dislocations）。SSD是通過均勻塑性應變而形成的，而GND與局部非均勻變形引起的塑性應變梯度有關。圖4（a）～（c）中深色區(qū)域表示GND密度較低，而淺色區(qū)域表示GND密度較高。從GND圖中可知，位錯在晶界處聚集較多，隨著壓下率的增加，退火板中位錯密度逐漸降低，壓下率為40%退火板中奧氏體存在較多的變形晶粒，當中位錯密度較高。壓下率為60%和70%退火板中由于再結晶程度的增加位錯密度降低，但60%退火板中位錯分布更為均勻。GOS（grain orientation spread）通常用來表征組織的局部應變，這可區(qū)分晶粒內應變的大小，還可區(qū)分部分再結晶組織中各晶粒是否為再結晶長大的晶粒，從而表征部分再結晶組織。圖4（d）～（f）中深色區(qū)域GOS值最小（＜2°）被認為是再結晶晶粒，較為淺色區(qū)域（2°～5°）被認為是不完全再結晶，而淺色區(qū)域（＞5°）被認為是變形晶粒。由GOS圖可知隨著壓下率增加再結晶程度增大，而壓下率為40%、60%和70%退火板再結晶程度分別為69%、81.6%和83.5%。

圖5所示為不同壓下率退火板的GND密度分布，圖中ρFG-NDagv、ρGNA-Dagv分別為鐵素體、奧氏體的幾何必須位錯平均密度?？梢钥闯鲭S著壓下率的增加，退火后鐵素體和奧氏體的GND密度變化趨勢一致，但是變化值卻有顯著差異，鐵素體中GND密度由2.8×1014/m2降低至2.2×1014/m2，而奧氏體中GND密度從4.3×1014/m2顯著下降至1.6×1014/m2后降低至1.4×1014/m2。結合圖3中的相組成圖和圖4中GOS圖可知，壓下率為40%退火板中存在較大尺寸的奧氏體變形晶粒，而鐵素體大部分為再結晶晶粒。這是由于在冷軋時，部分不穩(wěn)定的奧氏體先于鐵素體產生形變生成馬氏體提高了強度，而鐵素體相較于馬氏體是軟相，在后續(xù)冷軋時鐵素體變形量增大，晶粒內部畸變能充足，所以鐵素體再結晶程度大；而奧氏體中生成了馬氏體，在后續(xù)冷軋時變形量降低，導致畸變能不足，降低了奧氏體再結晶程度，所以退火后奧氏體變形產生的位錯未能完全釋放，使較多GND得以保留。當壓下率進一步增加時，馬氏體和奧氏體混合組織的畸變能增加，退火時總體再結晶程度變大，晶粒得到明顯細化且使奧氏體趨于均勻，所以壓下率為60%退火板奧氏體GND密度明顯下降。由于壓下率為70%退火板的壓下率進一步增加，退火時再結晶程度增加，使晶粒變大。當晶粒長大到一定程度時，晶粒內部出現(xiàn)新的GND壁從而消除了晶界處部分GND，使GND密度降低。

圖6所示為退火板晶粒尺寸分布，圖中Fave、Aave分別為鐵素體、奧氏體平均晶粒尺寸。隨著壓下率的增加鐵素體平均晶粒尺寸由7 μm增加至10.74 μm，奧氏體平均晶粒尺寸由4.98μm逐漸減少到了2.2 μm后又增加至4.14 μm。壓下率為40%和60%時退火板鐵素體晶粒呈雙峰分布，PATRAS等研究表明鐵素體呈雙峰分布可增加材料的伸長率。根據WUX等研究，晶粒尺寸小于5 μm為細晶（FG），大于5 μm為粗晶（CG），退火板奧氏體和鐵素體粗晶與細晶占比見表1。隨著壓下率的增加鐵素體細晶占比由49.19%增加到51.88%后降低到44.78%，而奧氏體細晶占比由58.63%增加到95.98%后又降低到73.46%?？梢钥闯觯F素體和奧氏體都隨著壓下量的增加細晶占比先增加后減少，這是由于壓下率的增加使再結晶時更容易形核且長大，畸變能量過多導致。

2.3 冷軋壓下率對退火板力學性能的影響

圖7所示為退火板的工程應力-應變和加工硬化率曲線，力學性能數(shù)據見表2。由圖7（a）可知，退火板的工程應力應變曲線上均沒有Lüders帶。隨著壓下率的增加，退火板屈服強度由804.6MPa增加至818.7MPa而后降低至765.8MPa，抗拉強度由910.6MPa增加至962.3MPa而后降低至886.7MPa，伸長率由19.2%增加到34.3%后降低至30.2%。從表2中可看出壓下率為70%時退火板屈服強度有所下降，這是由于70%退火板中鐵素體占比降低，而鐵素體奧氏體雙相鋼中屈服強度主要是由鐵素體的晶粒尺寸和占比決定的，且40%和60%的退火板中變形晶粒占比大于70%退火板。

本構Hollomon方程（σ=Kεn）可用來描述硬化過程，σ為真應力；K為硬化系數(shù)；ε為真應變；n為硬化指數(shù)。圖7（b）顯示了樣品的加工硬化率曲線。試驗鋼的加工硬化曲線包含3個階段。在第1階段開始時，加工硬化率迅速下降，下降趨勢與樣品中的位錯滑移和鐵素體變形有關。在第2階段，位錯相互作用以增加加工硬化。在第3階段，加工硬化率再次降低，這是由于位錯增殖速率趨于飽和。傳統(tǒng)馬氏體相變在變形過程中伴隨著連續(xù)的應力波動，但此退火板的加工硬化曲線沒有明顯的波動。壓下率為40%時退火板幾乎沒有第2階段的波動，這是由其基體中的殘余應力引起的，殘余應力增強了鐵素體的流動塑性并降低了彈性極限。當冷軋壓下率增大時，直線下降階段結束后，加工硬化率隨真應變的增加而迅速升高。這是由于隨著拉伸的進行位錯增殖速度迅速增加，從而導致加工硬化率突然上升。

壓下率為60%退火板有較好的綜合力學性能。一方面，在壓下率為60%退火板中鐵素體晶粒尺寸呈雙峰結構且細晶占比較多提高了屈服強度，而奧氏體細晶占比較大利于改善材料的強塑性。另一方面，結合圖4中GND和GOS圖可知，GND密度分布均勻且有少量變形晶粒存在時，對材料的強塑性有著關鍵作用，而層狀δ鐵素體中位錯密度較低在后續(xù)變形中在邊界附近產生GND位錯，而GND的堆積會在δ鐵素體相中產生長程內應力，這種應力被稱為背應力。細小的奧氏體相區(qū)與粗大的δ鐵素體相區(qū)之間相反的應力，使晶粒細小的奧氏體硬相區(qū)形變難度降低，而這種應力與背應力共同作用被稱為異質形變誘導強化（HDI，heterogeneous deformation induced）。HDI可增加材料的屈服強度和塑性，但HDI對于屈服強度的提升有限。

2.4 冷軋壓下率對退火板拉伸斷口的影響

為了研究輕質中錳鋼的斷裂演化機制，對拉伸試驗后的斷口進行分析。圖8所示為退火板的斷口掃描圖。由圖8（a）、（d）可知，壓下率為40%退火板有較多明顯的解理臺階和解理面并且韌窩數(shù)量較少，解理臺階是其斷后伸長率較差的原因。由圖8（b）、（e）可知，壓下率為60%退火板拉伸斷口為韌性斷裂特征，斷口微觀形貌主要為大小不一的韌窩，這可以有效緩解在裂紋處產生的應力集中，并且阻礙裂紋的運動。由圖8（c）、（f）可知，壓下率為70%退火板的斷口存在部分解理臺階，放大后可以看到細小的韌窩均勻分布在解理臺階的周圍，變形時在應力的作用下產生解理臺階，周邊的晶粒通過韌性斷裂形成韌窩釋放能量，緩解解理臺階處應力集中提高斷后伸長率。由于壓下率為60%比40%退火板有大量細小韌窩，并且無裂紋產生，所以伸長率較好。壓下率為70%時退火板出現(xiàn)了解理臺階，斷面伸長率低于60%退火板，但由于在解理臺階周圍存在著大量韌窩，所以伸長率高于40%退火板。

3 結論

1）冷軋板經750℃退火30 min后，隨著壓下率的增加，平均晶粒尺寸呈先減少后增加的趨勢。當壓下率為60%時，退火板組織由細小的等軸狀奧氏體、α鐵素體和條帶狀δ鐵素體組成，呈較為均勻的層狀分布，鐵素體晶粒尺寸呈雙峰分布。

2）通過EBSD分析可知，隨著壓下率的增加，退火板再結晶程度增加，晶粒得到明顯細化，壓下率為60%退火板細晶占比最多，而壓下率為70%的再結晶驅動力過大導致退火過程中晶粒粗化。

3）量化了不同壓下率退火板GND密度，隨著壓下率的增加鐵素體與奧氏體GND密度分別降低至2.2×1014/m2和1.4×1014/m2，有利于產生背應力強化，提高材料的力學性能，且在壓下率為60%時GND分布均勻產生較好的強化。

4）隨著壓下率增加，退火板的強度和塑性先增加后降低。在拉伸過程中均呈連續(xù)屈服，未出現(xiàn)Lüders帶。當壓下率為60%時，F(xiàn)e-10Mn-6Al-0.4C鋼退火板韌窩數(shù)量較多，強塑積達到33.01 GPa·%，具有優(yōu)異的強度和塑性。

本文摘自《鋼鐵》2024年第4期