热处理工艺对Fe-Mn-Al-C钢组织和性能的影响_侯美伶.pdf

书书书作者简介:侯美伶(1989 )，女，硕士，工程师;E-mail:houmeiling citicsteel com。收稿日期:2022-07-28DOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00047热处理工艺对 Fe-Mn-Al-C 钢组织和性能的影响侯美伶，李晨潇，孔祥伟，白云(江阴兴澄特种钢铁有限公司研究院，江阴 214400)摘要:利用 SEM、XD、EPMA 等试验方法，对不同退火、固溶以及时效工艺下 Fe-Mn-Al-C 钢的组织演变规律和力学性能进行研究。结果表明，900 1 050 退火温度对试验钢的组织与性能影响较大，随着退火温度的升高晶粒尺寸增大、碳化物逐渐回溶，强度降低、塑韧性提高，在 1 050 保温 2 h 空冷时抗拉强度为 1 036 MPa，断后伸长率为 39%，冲击功 41 J，强塑积40 GPa%;经1 050 保温2 h 水冷固溶后时效处理，试验钢组织为奥氏体+铁素体+碳化物，随着时效温度的增高，碳化物逐渐析出，使试验钢的强度增加、塑韧性降低。600 时效时，抗拉强度 1 145 MPa、断后伸长率 22%、冲击功 28 J，综合力学性能全部满足设计要求。关键词:Fe-Mn-Al-C 钢;退火温度;时效温度;力学性能;显微组织Effect of Heat Treatment Process on Microstructureand Properties of Fe-Mn-Al-C SteelHou Meiling，Li Chenxiao，Kong Xiangwei，Bai Yun(esearch Institute，Jiangyin Xingcheng Special Steel Co，Ltd，Jiangyin 214400)Abstract:The microstructure evolution and mechanical properties of Fe-Mn-Al steel under different annealing，solution andaging processes are studied by meansa of SEM，XD and EPMA The results show that the 900-1 050 annealing temper-ature has a great influence on the microstructure and properties of the tested steel With the increase of annealing tempera-ture，the grain size increases，the carbide gradually redissolved，the strength decreases，and the plasticity-toughness im-proves When the annealing temperature is at 1 050 for 2 h air cooling，the tensile strength is 1 036 MPa，the elongationis 39%，the impact energy is 41 J and the best plasticity-strength is 40 GPa%The microstructure of the test steel isaustenite+ferrite+carbides after solution treatment at 1 050 for 2 h and water cooling With the increase of agingtemperature，carbides precipitate gradually，which increases the strength and decreases the plasticity and toughness of thetest steel When aged at 600，the tensile strength is 1 145 MPa，the elongation is 22%and the impact energy is 28 J，the comprehensive mechanical properties all meet the design requirementsKey Words:Fe-Mn-Al-C Steel;Annealing Temperature;Aging Temperature;Mechanical Properties;MicrostructureFe-Mn-Al-C 钢是一种新兴的结构材料，拥有优异的性能和减重特性。锰可扩大奥氏体相区，降低马氏体转变温度，常温下也可以得到相当数量的奥氏体，在变形过程中奥氏体能够向马氏体转变或者奥氏体内部形成变形孪晶，即是利用 TIP 效应和TWIP 效应来提高钢的塑性。铝作为一种轻量化元素1，可以大幅降低材料的密度2。另外，铝可以扩大铁素体区，稳定并增加-铁素体的含量。除此之外，铝对堆垛层错能的作用效果会对钢的强韧化机制产生影响3。Fe-Mn-Al-C 钢强度远高于传统铝合金、镁合金，比强度、比刚度可与钛合金媲美，其综合制造成本与不锈钢相当，其焊接、加工等工艺性能显著优于传统钛合金轻质结构材料。作为新型轻量化材料，在未来有望实现批量化生产，应用于汽车、船舶、土木、航空航天和军事等领域，前景广阔。王英虎4 在试验室条件下制备低密度钢，在 500 时效 3 h 后塑性最好;时效 9 h 后强化效果最明显。本试验对 Fe-Mn-Al-C 钢进行不同温度和时间的热处理，研究退火、固溶及时效工艺对其组织结构和力学性能影响，为获得满足力学性能要求(抗拉强度1 100 MPa 级、伸长率20%、冲击功25 J)的热处理工艺参数，提供工业化生产指导。1试验材料及方法采用 100 t 电弧炉-精炼-模铸工艺生产 Fe-Mn-Al-C 钢，通过加热-开坯-加热-轧制，制成厚度为8 mm钢板，化学成分见表 1，其密度为7 0 g/cm3。在轧制大板上切割适当尺寸的试样，进行不同的热69第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril2023处理工艺试验，试验方案如下:(1)退火:将试样分别加热到 900、930、950、1 000、1 050 保温 2 h，然后空冷至室温;(2)固溶:试样加热到1 050 保温 2h，然后水冷至室温;(3)固溶+时效:将经1 050 保温2 h 固溶处理后的试样分别在500、600、700 保温4 h，然后空冷至室温。从热处理后的试样上沿轧制方向取料，分别加工成标准 Charpy-V 型缺口冲击试样和板状的拉伸试样。冲击试样尺寸为 5 mm 10 mm 55 mm，试验温度为 40;拉伸试样采用全厚度板拉伸试样，夹持段长 度 为 75 mm，平 行 段 和 圆 弧 段 长200 mm。显微组织样品采用 4%硝酸酒精和硫酸铜溶液侵蚀，并利用金相显微镜和扫描电镜(SEM)进行观察。用理学 Smartlab 型 X 射线衍射仪分析试验钢的物相组成。使用电子探针对元素分布进行分析。表 1试验钢的化学成分/%Table 1Chemical composition of test steel/%CMnAl0 80 1 4016 00 24008 00 11 002试验结果与分析2 1退火温度对力学性能和组织的影响热轧态轧制方向组织如图 1 所示，可以看出晶粒较为细小，且沿轧制方向呈带状分布，晶内存在大量的变形孪晶。这主要是由于轧制温度较低，奥氏体晶粒变形后没有足够的动力进行回复和再结晶，因此组织有较强的方向性。如图2 热轧试验钢的 XD 衍射图显示，热轧后的试验钢X 射线衍射峰都为面心立方相衍射峰，所以热轧后的试验钢组织为单一的奥氏体组织。试验钢单一奥氏体组织具有较高的屈服和抗拉强度 5，二者之间的微小差异导致了试验钢的屈强比达0 96。热轧态试验钢的抗拉强度1 150 MPa，断后伸长率为21%，强塑积242 GPa%。图 3 为退火后试验钢的显微组织。经退火处理后组织明显均匀化，晶粒尺寸随着退火温度的增高逐渐增大。经过测量统计，分别以 900、930、950、1 000、1 050 5 个不同温度退火处理后，试验钢的晶粒尺寸依次为:19、19、22、22、44 m。当退火温度在1 050 时，出现 88 m 大尺寸晶粒。这是由于温度的升高，不仅有利于元素的扩散，而且增加了晶界的迁移速度，在同等的时间下晶粒长大明显。晶粒长大的驱动力为新旧组织的界面能差，晶粒尺寸越大，相同体积内的晶界总面积越小，界面能越低，状态越稳定6。另外，从 900 退火后的奥氏体晶内看，仍有大量的退火孪晶和弥散分布的未溶碳化物(Fe，Mn)3AlC8。随着退火温度的提高，孪晶逐渐减少，未溶碳化物逐渐回溶。当退火温度达1 050 时，碳化物基本固溶于奥氏体基体中，同时随着奥氏体晶粒尺寸的增大和晶内碳化物的回溶，其强度逐渐降低，塑韧性逐渐提高，力学性能检测数据见表 2。一方面晶粒尺寸的变大，应力集中可以促使临近晶粒的滑移系提前开动，有利于晶粒间的协调变形，使晶粒间均匀的进行塑性变形，提高试验钢的冲击韧性和断后伸长率;另一方面在延伸变形过程中，型碳化物同位错相切随奥氏体基体一起变形，有利于提高试验钢的强度7。在退火温度为1 050 时试验钢的抗拉强度为 1 036 MPa，断后伸长率 39%，强塑积达到最大值 40 4 GPa%。图 4 为退火后 SEM 像，可见退火后组织除了主体奥氏体组织，存在明显的第 2 相铁素体组织6。铁素 体 晶 粒 尺 寸 较 为 细 小，并 主 要 沿 着 奥 氏体晶界分布，晶内有少量存在。铁素体成为试验钢图 18 mm Fe-Mn-Al-C 钢板热轧态的微观形貌Fig 1Microstructure morphology of 8 mm Fe-Mn-Al-C steelplate in hot rolled state图 28 mm Fe-Mn-Al-C 钢板热轧态 XD 图谱Fig 2XD spectra of 8 mm Fe-Mn-Al-C steel plate in hotrolled state79第 2 期侯美伶等:热处理工艺对 Fe-Mn-Al-C 钢组织和性能的影响的软相组织，使退火后的试验钢屈强比由热轧态的0 96 下降后稳定在0 88。低屈强比能够使钢具有良好的冷变形能力和高的塑性变形功9。从表 2 可以看出，热轧态和经不同温度退火，钢板的综合力学性能数据不能满足性能指标要求。221 050 退火和固溶处理对性能和组织的影响将试样在 1 050 保温2 h，分别经空冷(退火)和水冷(固溶)至室温，沿轧制方向取金相试样，经打磨、抛光后，采用硫酸铜溶液腐蚀后观察微观组织，如图 5 所示。可以看见清晰的多边形奥氏体晶界，细小的铁素体沿奥氏体晶界分布，并整体沿轧向呈条带状，这主要是由于钢板带状偏析造成的。热轧试验钢在 1 050 固溶处理后为稳定奥氏体+铁素体两相组织，与试样的 XD 图谱相适应，如图6。图 3(a)900;(b)950;(c)1 050 退火后试验钢的显微组织Fig 3Microstructure of experimental steel after annealed temperatures:(a)900;(b)950;(c)1 050 表 2轧态和不同热处理态的力学性能Table 2Mechanical properties of rolled and different heat treated states工艺加热温度/保温时间/h冷却方式时效温度/时间/h屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%冲击功/J强塑积/GPa%标准要