Acta Mater.：冷熱變形處理對超低碳中錳淬火分區回火鋼組織和力學性能的影響

【引言】

考慮到制造和安全，汽車領域用鋼主要集中于擁有高強度，高塑性和高韌性組合的低合金中錳鋼系。塑性一般主要來源于大量細小奧氏體的相變誘發塑性(TRIP)和孿晶誘發塑性(TWIP)的影響。然而，作為奧氏體穩定元素，碳的加入是有限，碳會影響焊接性能和造成塑性失穩(Portevin-Le Chatelier效應)。目前，一個有效的解決方案是采用納米沉淀硬化和相變誘發塑性(TRIP)相結合，在低成本下，同時提高合金的強度和延展性。本文將對超低碳中錳的冷扎和熱軋鋼進行淬火分區回火處理，研究其組織和力學性能，并對內在的納米沉淀硬化和相變誘發塑性(TRIP)的機制各自作用進行分析和評價。

【成果簡介】

近日，上海交通大學金學軍教授和李偉副教授（共同通訊作者）在Acta Materialia上在線發表了一篇名為 “ Effects of hot/cold deformation on the microstructures and mechanical properties of ultra-low carbon medium manganese quenching-partitioning-tempering steels ” 的文章。文中，研究人員對經淬火分區回火處理(QPT)的超低碳中錳的冷扎(CR)和熱軋(HR)鋼的組織和力學性能進行研究，發現多相組織演變強烈地依賴于錳的擴散和偏析過程；兩種QPT鋼的整體強度和塑性組合，是由沉淀硬化和相變誘發塑性（TRIP）綜合作用的結果，且受奧氏體的機械穩定性，體積分數，晶粒尺寸、形貌及位錯密度的強烈影響；揭示了沉淀硬化和TRIP效應對力學性能各自的具體影響：納米顆粒析出相造成了較高的背應力強化，而形變誘導馬氏體相變在寬應變狀態下可降低晶界處較大的應力集中，從而引起背應力軟化及后期變形階段有效的應力硬化。

【圖文導讀】

圖1. 三種預處理條件下的工程應力應變和應變硬化率曲線

（a）三種預處理條件下的工程應力應變和對應的應變硬化率曲線。與分區淬火QP的鋼相比，所有的QPT鋼的屈服強度（YS）都從650 MPa增加到了900 MPa，總延伸率（TE）也從20%增加到25%以上。這表明在經淬火分區回火處理的冷軋鋼（CR-QPT）中存在多級的應力-應變。

（b）存在一個與多變形機制有關的“凸”現象。

圖2.?SEM和XRD圖

QP 和 QPT鋼中的SEM圖（圖a，b，c，d）和X射線衍射圖譜（圖e）。

(a)顯示HR-QP鋼呈板條式鐵素體的典型形態，

(b)顯示CR-QP鋼則有大量的超細晶奧氏體，

(c)表明在HR-QPT鋼中的可逆奧氏體在板條界面處形核。

(d)與CR-QP鋼相比，CR-QPT鋼中奧氏體的形貌和體積分數幾乎保持穩定，對應于(e)中相應的的X射線衍射圖譜。

圖3.?加載-卸載-重載的應力-應變系列曲線

（a, b）顯示的是各試樣的加載-卸載-重載的應力-應變行為曲線；

（c-e）分別是CR-QP，HR-QPT和?鋼的有效應力和背應力與塑性應變構成的曲線圖。在應力應變曲線上，特征磁滯回線和屈服是典型的包申格效應現象。與QP鋼相比，QPT鋼表現出顯著的背應力強化，但有效應力在前期變形階段卻幾乎保持不變。在后期變形階段，CR-QPT鋼出現一個明顯的背應力軟化和有效應力硬化，而在HR-QPT鋼中，背應力仍保持較高值。

（f）奧氏體的體積分數變化曲線表明，TRIP效應發生在很寬的變形區域內，明顯的例子是在CR-QPT鋼中的高應變區。

?圖4. BSE圖

（a，b）CR-QPT 鋼和HR-QPT鋼試樣在工程應變為2 %時的背散射電子形貌圖；

（c，d）分別是（b）中的紅色和綠色的方框內的放大示意圖。從中可看到，在HR-QPT鋼中，出現了一條幾乎平行于拉伸軸的主裂紋，然而，在CR-QPT 鋼則沒有發現裂紋。與遠離主裂紋區域相比，副裂紋則主要位于逆變奧氏體周圍，特別是奧氏體/鐵素體界面附近。

圖5.?多級背應力和有效應力與應變的關系曲線圖

多級背應力和有效應力與應變的關系曲線圖：(a)CR-QPT鋼，(b)HR-QPT鋼。

階段1：納米沉淀硬化造成較高的背應力強化的同時，卻沒有引起基體內位錯及鐵素體/奧氏體界面處的GNDs的大量產生。

階段2：顯著誘發馬氏體相變來緩解晶界處較大的應力集中，同時伴隨晶粒內部顯著的位錯積累，產生有效的應力硬化。

階段3：較高背應力的持續存在造成頸縮過程中的晶界裂紋產生。

表1. 各中錳鑄鋼化學成分和相應的時效過程。CR：冷軋；HR：熱軋；QP：淬火分區：QPT：淬火分區回火

表2. 不同溫度下三種預處理條件下的力學性能

表3. bcc基體和和沉淀物中Ni，Al和Mn元素的平均含量（at。％）及兩種QPT鋼中相應的沉淀參數（粒徑和密度）

表4. 元素Mn和Ni的含量(at。％)以及分去過程中CR和HR樣品的Ms溫度的估計值

【小結】

本文通過對經冷熱變形的超低碳中錳鋼進行一定的QPT處理，對其微觀結構和力學性能進行了研究，并設計了多相微觀組織演化過程。此外，還研究了納米沉淀硬化和TRIP效應的各自作用及失效機制。可以得出以下結論：

• 通過創新的淬火分配回火工藝可以控制組合的納米沉淀硬化和轉化誘導的塑性效應。雖然HR-QPT鋼比CR-QPT鋼具有更高的析出強化效果，但兩種QPT鋼的總體強度主要是受復合多相的組成，包括奧氏體體積分數，晶粒尺寸，形態和原始位錯密度的影響。
• 引入的納米沉淀硬化導致較高的背應力強化，而在CR-QPT鋼中的寬應變狀態下的誘發馬氏體轉變降低了晶界中的大應力集中，導致后應力軟化和后期變形階段的有效應力硬化。然而，在HR-QPT鋼的晶界處維持較大的內應力也使損傷裂紋形成容易，這成為最終斷裂的原因。
• 晶界裂紋在HR-QPT鋼的失效過程中起關鍵作用。晶間裂紋不僅起源于具有明顯應力集中的Mn富集的奧氏體/鐵素體界面，而且易受奧氏體邊界裂紋擴展的影響。然而，由于降低了溶質在粗奧氏體晶粒的邊界偏析，因此在CR-QPT鋼中保留了較高的耐損傷性。CR-QPT鋼的再次回火處理可促進相界面中富集的Mn擴散到先奧氏體內部，這是由于鐵素體中的納米沉淀物阻阻礙奧氏體/鐵素體界面得遷移，有助于 Mn均勻分布及相晶界脆化。

【文獻信息】

文獻鏈接：Effects of hot/cold deformation on the microstructures and mechanical properties of ultra-low carbon medium manganese quenching-partitioning-tempering steels（Acta Mater.: 2017，DOI: org/10.1016/j.actamat.2017.08.003）

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