Acta Mater.：冷热变形处理对超低碳中锰淬火分区回火钢组织和力学性能的影响

【引言】

考虑到制造和安全，汽车领域用钢主要集中于拥有高强度，高塑性和高韧性组合的低合金中锰钢系。塑性一般主要来源于大量细小奥氏体的相变诱发塑性(TRIP)和孪晶诱发塑性(TWIP)的影响。然而，作为奥氏体稳定元素，碳的加入是有限，碳会影响焊接性能和造成塑性失稳(Portevin-Le Chatelier效应)。目前，一个有效的解决方案是采用纳米沉淀硬化和相变诱发塑性(TRIP)相结合，在低成本下，同时提高合金的强度和延展性。本文将对超低碳中锰的冷扎和热轧钢进行淬火分区回火处理，研究其组织和力学性能，并对内在的纳米沉淀硬化和相变诱发塑性(TRIP)的机制各自作用进行分析和评价。

【成果简介】

近日，上海交通大学金学军教授和李伟副教授（共同通讯作者）在Acta Materialia上在线发表了一篇名为 “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，研究人员对经淬火分区回火处理(QPT)的超低碳中锰的冷扎(CR)和热轧(HR)钢的组织和力学性能进行研究，发现多相组织演变强烈地依赖于锰的扩散和偏析过程；两种QPT钢的整体强度和塑性组合，是由沉淀硬化和相变诱发塑性（TRIP）综合作用的结果，且受奥氏体的机械稳定性，体积分数，晶粒尺寸、形貌及位错密度的强烈影响；揭示了沉淀硬化和TRIP效应对力学性能各自的具体影响：纳米颗粒析出相造成了较高的背应力强化，而形变诱导马氏体相变在宽应变状态下可降低晶界处较大的应力集中，从而引起背应力软化及后期变形阶段有效的应力硬化。

【图文导读】

图1. 三种预处理条件下的工程应力应变和应变硬化率曲线

（a）三种预处理条件下的工程应力应变和对应的应变硬化率曲线。与分区淬火QP的钢相比，所有的QPT钢的屈服强度（YS）都从650 MPa增加到了900 MPa，总延伸率（TE）也从20%增加到25%以上。这表明在经淬火分区回火处理的冷轧钢（CR-QPT）中存在多级的应力-应变。

（b）存在一个与多变形机制有关的“凸”现象。

图2. SEM和XRD图

QP 和 QPT钢中的SEM图（图a，b，c，d）和X射线衍射图谱（图e）。

(a)显示HR-QP钢呈板条式铁素体的典型形态，

(b)显示CR-QP钢则有大量的超细晶奥氏体，

(c)表明在HR-QPT钢中的可逆奥氏体在板条界面处形核。

(d)与CR-QP钢相比，CR-QPT钢中奥氏体的形貌和体积分数几乎保持稳定，对应于(e)中相应的的X射线衍射图谱。

图3. 加载-卸载-重载的应力-应变系列曲线

（a, b）显示的是各试样的加载-卸载-重载的应力-应变行为曲线；

（c-e）分别是CR-QP，HR-QPT和 钢的有效应力和背应力与塑性应变构成的曲线图。在应力应变曲线上，特征磁滞回线和屈服是典型的包申格效应现象。与QP钢相比，QPT钢表现出显著的背应力强化，但有效应力在前期变形阶段却几乎保持不变。在后期变形阶段，CR-QPT钢出现一个明显的背应力软化和有效应力硬化，而在HR-QPT钢中，背应力仍保持较高值。

（f）奥氏体的体积分数变化曲线表明，TRIP效应发生在很宽的变形区域内，明显的例子是在CR-QPT钢中的高应变区。

图4. BSE图

（a，b）CR-QPT 钢和HR-QPT钢试样在工程应变为2 %时的背散射电子形貌图；

（c，d）分别是（b）中的红色和绿色的方框内的放大示意图。从中可看到，在HR-QPT钢中，出现了一条几乎平行于拉伸轴的主裂纹，然而，在CR-QPT 钢则没有发现裂纹。与远离主裂纹区域相比，副裂纹则主要位于逆变奥氏体周围，特别是奥氏体/铁素体界面附近。

图5. 多级背应力和有效应力与应变的关系曲线图

多级背应力和有效应力与应变的关系曲线图：(a)CR-QPT钢，(b)HR-QPT钢。

阶段1：纳米沉淀硬化造成较高的背应力强化的同时，却没有引起基体内位错及铁素体/奥氏体界面处的GNDs的大量产生。

阶段2：显着诱发马氏体相变来缓解晶界处较大的应力集中，同时伴随晶粒内部显著的位错积累，产生有效的应力硬化。

阶段3：较高背应力的持续存在造成颈缩过程中的晶界裂纹产生。

表1. 各中锰铸钢化学成分和相应的时效过程。CR：冷轧；HR：热轧；QP：淬火分区：QPT：淬火分区回火

表2. 不同温度下三种预处理条件下的力学性能

表3. bcc基体和和沉淀物中Ni，Al和Mn元素的平均含量（at。％）及两种QPT钢中相应的沉淀参数（粒径和密度）

表4. 元素Mn和Ni的含量(at。％)以及分去过程中CR和HR样品的Ms温度的估计值

【小结】

本文通过对经冷热变形的超低碳中锰钢进行一定的QPT处理，对其微观结构和力学性能进行了研究，并设计了多相微观组织演化过程。此外，还研究了纳米沉淀硬化和TRIP效应的各自作用及失效机制。可以得出以下结论：

• 通过创新的淬火分配回火工艺可以控制组合的纳米沉淀硬化和转化诱导的塑性效应。虽然HR-QPT钢比CR-QPT钢具有更高的析出强化效果，但两种QPT钢的总体强度主要是受复合多相的组成，包括奥氏体体积分数，晶粒尺寸，形态和原始位错密度的影响。
• 引入的纳米沉淀硬化导致较高的背应力强化，而在CR-QPT钢中的宽应变状态下的诱发马氏体转变降低了晶界中的大应力集中，导致后应力软化和后期变形阶段的有效应力硬化。然而，在HR-QPT钢的晶界处维持较大的内应力也使损伤裂纹形成容易，这成为最终断裂的原因。
• 晶界裂纹在HR-QPT钢的失效过程中起关键作用。晶间裂纹不仅起源于具有明显应力集中的Mn富集的奥氏体/铁素体界面，而且易受奥氏体边界裂纹扩展的影响。然而，由于降低了溶质在粗奥氏体晶粒的边界偏析，因此在CR-QPT钢中保留了较高的耐损伤性。CR-QPT钢的再次回火处理可促进相界面中富集的Mn扩散到先奥氏体内部，这是由于铁素体中的纳米沉淀物阻阻碍奥氏体/铁素体界面得迁移，有助于 Mn均匀分布及相晶界脆化。

【文献信息】

文献链接：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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