材料研究学报, 2025, 39(10): 765-776 DOI: 10.11901/1005.3093.2024.464

研究论文

高温回火对低碳中锰钢微观组织和力学性能的影响

展之德1, 刘琪琪1, 董敬文1,2, 祁震1, 罗小兵1, 柴锋1, 师仲然,1

1 钢铁研究总院有限公司工程用钢研究院 北京 100081

2 武汉科技大学 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 武汉 430081

Effect of Tempering Temperatures on Microstructure and Mechanical Property of a Test Low-carbon Medium-manganese Steel

ZHAN Zhide1, LIU Qiqi1, DONG Jingwen1,2, QI Zhen1, LUO Xiaobing1, CHAI Feng1, SHI Zhongran,1

1 Institute for Structul Steels, Central Iron and Steel Research Institute Company Limited, Beijing 100081, China

2 The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China

通讯作者: 师仲然,高级工程师,18001263520@126.com,研究方向为高强船体结构钢

收稿日期: 2024-11-25   修回日期: 2025-03-21  

基金资助: 钢铁研究总院重大基金(23G60320ZD)

Corresponding authors: SHI Zhongran, Tel:18001263520, E-mail:shizhongran@cisri.com.cn

Received: 2024-11-25   Revised: 2025-03-21  

Fund supported: Major Fund Project of the Central Iron Steel Research Institute(23G60320ZD)

作者简介 About authors

展之德,男,1997年生,硕士

摘要

将低碳中锰钢Fe-4Mn-3.5Ni-2Cu-0.05C-0.018Nb-0.018Ti在860 ℃淬火1 h后水冷,再分别在600、640和670 ℃回火2 h,然后分别用JBN-300C摆锤冲击实验机和WE-300液压拉伸实验机进行冲击实验和拉伸实验。结果表明,在不同温度回火的实验钢,其微观组织均由回火马氏体/铁素体+逆转变奥氏体+新鲜马氏体构成。随着回火温度的提高实验钢的抗拉强度和加工硬化指数随之提高,屈服强度和低温冲击功降低。在600和640 ℃回火的实验钢,其抗拉强度的提高主要依赖相变诱导塑性效应生成的新鲜马氏体,其加工硬化性能随着回火温度的提高而改善。回火温度提高到670 ℃新鲜马氏体的含量显著提高,虽然加工硬化能力和抗拉强度进一步提高,但是实验钢变得硬而脆和颈缩提前,从而使其延伸率降低。低温冲击功降低的原因,一个是逆转变奥氏体机械稳定性降低和相变缓解应力集中的效果减弱,使裂纹形成功降低;另一个是孪晶和块状逆转变奥氏体数量的增多导致断裂模式转变为晶间断裂,裂纹易沿着孪晶界和原奥氏体晶界高速扩展而降低了裂纹扩展功。实验钢中Nb/TiC的析出,有助于晶粒细化。同时,回火温度的提高使富Cu相粗化,使实验钢的屈服强度显著降低。

关键词: 金属材料; 中锰钢; 逆转变奥氏体; 孪晶; 富铜相

Abstract

Hot rolled plates of a low-carbon medium-manganese test steel 4Mn (Fe-4Mn-3.5Ni-2Cu-0.05C-0.018Nb-0.018Ti, in mass fraction) were heated at 860 oC for 1 h and then water quenching, followed by tempering treated at 600, 640, and 670 °C for 2 h respectively. Next, the effect of tempering process on the microstructure and mechanical property of the steel plates was assessed via SEM+EBSD, XRD, TEM, pendulum impact testing machine and hydraulic tensile testing machine. The results indicate that the microstructure of the steels tempered at different temperatures is composed of tempered martensite/ferrite + reversed austenite + fresh martensite. With the increasing tempering temperature, the ultimate tensile strength and work hardening index increase sequentially, while the yield strength and low-temperature impact toughness decreases sequentially. For tempering at 600 and 640 oC, the increase in ultimate tensile strength is primarily due to the transformation-induced plasticity effect formed by a fresh martensite, with the improving work hardening capability of the steel gradually as the temperature rises. For tempering at 670 oC, the content of fresh martensite significantly increases, enhancing the work hardening capacity and further boosting the ultimate tensile strength. However, the steel becomes excessively hard and brittle, leading to premature necking and a reduction in elongation. The decrease in low-temperature impact toughness is due to two factors, on one hand the mechanical stability of reversed austenite decreases, weakening its ability to mitigate stress concentrations through transformation, resulting in a reduction in the energy required for crack initiation; on the other hand, the increase of twins and blocky reversed austenite leads to a shift in the fracture austenite grain boundaries, thereby reducing the crack propagation energy. The precipitation of Nb/TiC in steel can help refine the grain size. In addition, the Cu-rich phase coarsens with the increase of tempering temperature, significantly reducing the yield strength.

Keywords: metallic materials; medium manganese steel; reversed austenite; twin crystal; copper-rich phase

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本文引用格式

展之德, 刘琪琪, 董敬文, 祁震, 罗小兵, 柴锋, 师仲然. 高温回火对低碳中锰钢微观组织和力学性能的影响[J]. 材料研究学报, 2025, 39(10): 765-776 DOI:10.11901/1005.3093.2024.464

ZHAN Zhide, LIU Qiqi, DONG Jingwen, QI Zhen, LUO Xiaobing, CHAI Feng, SHI Zhongran. Effect of Tempering Temperatures on Microstructure and Mechanical Property of a Test Low-carbon Medium-manganese Steel[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2025, 39(10): 765-776 DOI:10.11901/1005.3093.2024.464

开发海洋资源,亟需高强、高韧和易焊接的船体钢[1]。锰含量为3%~12%的中锰高强钢机械性能和耐磨性优异,可用于制造汽车和船舶[2, 3]。中锰高强钢的强度和塑性良好,能承受较大的载荷和冲击,是第三代先进高强钢(AHSS)的候选者[4, 5]。中锰钢优异的力学性能源于其马氏体+逆转变奥氏体双相组织。这种微观组织得益于合金成分的独特设计和高温回火热处理工艺。中锰钢中的逆转变奥氏体使其低温韧性显著改善[6,7]。王长军等[8]对3.5Mn钢进行两相区淬火生成了大量薄膜和板条结构的逆转变奥氏体,使其-120 ℃的冲击功达到120 J。Wu等[9]、Zhou等[10]和潘涛[11]在钢中马氏体板条间生成的薄膜状逆转变奥氏体使裂纹偏折改善了钢的低温韧性。钢中逆转变奥氏体的尺寸、分布状态、稳定性和含量都影响其低温韧性[12~16]。同时,逆转变奥氏体能在钢的拉伸过程中发生相变诱导塑性(TRIP)效应,使其塑性和强度同时提高。Zou等[17]控制轧制工艺在5Mn-1.4Ni-0.12V钢中产生层状微观结构,使其抗拉强度达到1145 MPa,延伸率达到23.2%。Wang等[18]将钢中新鲜马氏体的体积分数从9.8%提高到57.8%,使其对抗拉强度的贡献从13.7%提高到68.8%,使钢的最高抗拉强度达到1150 MPa。

逆转变奥氏体的生成,须将钢在较高的温度回火。但是,较高的回火温度会使钢的基体软化而降低其屈服强度。为此,可添加适当的合金元素提高钢的屈服强度。杨才福等[19]在高强度船体钢中添加1%的Cu使屈服强度提高了270~350 MPa。张正延等[20]使钢在过时效状态下生成尺寸为6~50 nm的Cu粒子,每1%Cu的析出强化增量能达到约90 MPa。在钢中添加适量的Ni元素可避免产生Cu脆,Ni元素还能稳定逆转变奥氏体。优化Ni、Cu和Mn的添加量可控制沉淀机制和组织含量,研发出所需的高强钢[21,22]

使中锰钢中逆转变奥氏体与析出相适当结合,是研发性能优异的高强韧中锰体系船体钢的关键。逆转变奥氏体的生成和析出相的变化,都与回火温度密切相关。但是,现有关于在高温回火条件下逆转变奥氏体的演变规律及其对冲击中裂纹的形成和扩展的影响的研究较少。鉴于此,本文对一种低碳中锰钢进行淬火+回火的热处理,研究回火温度对其力学性能的影响。

1 实验方法

实验钢的化学成分(质量分数,%)为:Fe-4Mn-3.5Ni-2Cu-0.25Si-0.05C-0.018Nb-0.018Ti-0.038Al(记为4Mn钢)。用真空感应炉熔炼4Mn钢,然后铸成50 kg的钢锭,最后锻造成尺寸为150 mm × 110 mm × 60 mm的板坯。将板坯加热到1200 ℃均质化处理2 h后进行5道次轧制,每次的压下率不低于20%,最终轧制成厚度为12 mm的板材。

从钢板上截取若干个直径为3 mm长度为10 mm的标准试样,用Formaster-FII全自动相变仪上测出4Mn钢在平衡状态下的奥氏体转变开始温度Ac1 (630 ℃)和终了温度Ac3 (775 ℃),并据此确定热处理参数。热处理制度为:860 ℃淬火1 h + 600 ℃/640 ℃/670 ℃回火2 h。

使用尺寸为10 mm × 10 mm × 55 mm的夏比V形缺口标准样和JBN-300C摆锤冲击实验机进行冲击实验。实验时用液氮冷却保温,实验温度分别为-40、-60和-84 ℃。对在-60 ℃进行实验的试样额外进行示波冲击,记录力-位移-能量曲线。

在拉伸样品上沿着垂直于轧制方向截取半螺纹圆棒试样,其直径为5 mm、标距为25 mm。在WE-300液压拉伸实验机上进行室温拉伸实验。每种条件下的冲击和拉伸实验测试3个平行试样,取其结果的平均值。

使用Quanta 650扫描电镜(SEM)观察冲击断口形貌和微观组织。用配备D8 ADVANCE的X射线衍射仪(XRD)检测试样中的奥氏体含量。奥氏体的体积分数(Vγ )[23]

Vγ=1.4Iγ/(1.4Iγ+Iα)

式中IγIα 分别为奥氏体相和铁素体相衍射峰的强度。制备试样使用的电解抛光液为6% (质量分数)高氯酸酒精溶液,电压为25 V,电解时间10 s。使用配备EDAX Velocity Super超快电子背散射衍射(EBSD)探头的JSM-7200F场发射扫描电镜分析实验钢的EBSD晶体取向,步长为0.2 μm,像素为600 × 600。制备EBSD实验样品的方法与测试XRD谱试样的相同。用加速电压为200 kV的JEM-F200冷场发射透射电子显微镜/FEI F30高分辨透射电子显微镜(TEM)和自带100 mm2电制冷能谱仪(EDS)观察表征逆转变奥氏体和析出相的分布和形态。TEM试样的制备:先从金相样上切取厚度为0.3 mm的薄片,再将其机械研磨成50 um厚的薄片并冲成带有孔径为3 mm小孔的圆片。最后在6%的高氯酸酒精溶液中(电压为25 V,温度为-20 ℃)进行电解双喷减薄。

根据EBSD相图检测逆转变奥氏体的含量和分布。用碳膜复型萃取法表征在不同温度回火后4Mn钢中的析出相。

2 实验结果

2.1 回火温度对微观组织的影响

图1给出了4Mn钢淬火态和在不同温度回火后的SEM照片。可以看出,4Mn钢淬火后的组织几乎全为淬火马氏体(QM)。在3个温度回火的4Mn钢其微观组织类型相同,均由逆转变奥氏体(Reversed austenite)+新鲜马氏体(FM)+回火马氏体(TM)/铁素体(F)构成。新鲜马氏体是在逆转变奥氏体惯习面上生成的,与逆转变奥氏体母体保持切变共格,因此二者在扫描电镜下难以区分,需要更加微观的检测方法。随着回火温度的提高4Mn钢中逆转变奥氏体+新鲜马氏体的占比随之提高(白色的条状或块状凸起区域),回火马氏体/铁素体的占比降低。新鲜马氏体的生成,使得在较高温度时效热处理重新出现马氏体强化,使4Mn钢保持较高的抗拉强度[24]

图 1

图 1   4Mn钢淬火和回火后的SEM照片

Fig.1   SEM images of quenching and tempering of 4Mn steel (a) quenched, (b) 600 oC, (c) 640 oC, (d) 670 oC


图2a~c给出了在600、640和670 ℃回火后的EBSD相图,图中的红色部分表示逆转变奥氏体。可以看出,随着回火温度的提高4Mn钢中逆转变奥氏体的含量先提高后降低。在640 ℃回火后逆转变奥氏体的含量达到28.1%,明显比在其余两个温度回火的逆转变奥氏体含量高。其原因是在670 ℃回火本应生成更多的逆转变奥氏体,但是在600 ℃回火与在670 ℃回火的钢中奥氏体的含量几乎相同。其原因是,在670 ℃回火后钢中的大部分逆转变奥氏体在冷却过程中转变为新鲜马氏体。图中黑色线代表取向差大于15°的大角度晶界;绿色线为取向差大于2°,小于15°的小角度晶界。逆转变奥氏体主要分布在晶界,特别是在大角度晶界。大角度晶界的能量较高,有大量的缺陷和畸变,是逆转变奥氏体的主要形核点[25]。在不同温度回火后逆转变奥氏体的平均尺寸,如图2d~f所示。可以看出,逆转变奥氏体平均尺寸的变化与含量变化的趋势相同。正是这些微米级的逆转变奥氏体,使中锰钢具有优良的塑性。

图 2

图 2   4Mn钢的EBSD像和逆转变奥氏体晶粒尺寸分布

Fig.2   EBSD images (a-c) and reversed austenite grain size distribution (d-f) of 4Mn steel (a, d) 600 oC, (b, e) 640 oC, (c, f) 670 oC (Black line 15°, 2° Green line 15°)


EBSD的检测区域微小,因此进一步根据XRD谱分析4Mn钢中逆转变奥氏体的含量。4Mn钢的XRD谱如图3a所示。可以看出,在不同温度回火的4Mn钢的谱中,奥氏体的衍射峰明显不同,特别是(002) γ 和(200) γ 的衍射峰。在淬火后4Mn钢的谱中只出现了α-Fe特征峰,没有γ-Fe的特征峰。这表明,在4Mn钢中几乎没有残余奥氏体,也证明回火后生成的都是逆转变奥氏体。由图3b可见,EBSD与XRD检测出的奥氏体含量的变化趋势相同,但是EBSD测出的逆转变奥氏体的含量略低。其原因可能是逆转变奥氏体的尺寸较小,特别是位于马氏体板条界面的细小板条状逆转变奥氏体。另一个原因是,测试区域的面积较小,逆转变奥氏体的分布不均匀。XRD谱的测试区域较大,因此测出的含量较为可靠。

图3

图3   4Mn钢的XRD谱和逆转变奥氏体的含量

Fig.3   XRD patterns (a) and reversed austenite content (b) of 4Mn steel


图4给出了在不同温度回火的4Mn钢的TEM照片。可以看出,在较高温度回火后钢中的马氏体板条几乎消失,逆转变奥氏体均匀地分布在马氏体基体上。在不同温度回火的4Mn钢中逆转变奥氏体的形貌均呈板条和块状结构,分布呈现出有序性。大部分马氏体板条间的板条状逆转变奥氏体与原奥氏体保持相同取向[26]。块状逆转变奥氏体倾向于在原奥氏体晶界生成,原奥氏体晶界的逆转变奥氏体其核心只与一侧的基体保持了K-S关系,被共格和非共格界面包裹使界面两侧的表面能和弹性应变能不同,因此易生成块状逆转变奥氏体[27]。同时,在670 ℃回火的钢中发现了孪晶,其生成与逆转变奥氏体稳定性的大幅度降低有关。

图4

图4   在不同温度回火的4Mn钢的TEM照片

Fig.4   TEM images of 4Mn steel (a, d) 600 oC, (b, e) 640 oC, (c, f) 670 oC


2.2 回火温度对析出相的影响

在不同温度回火的4Mn钢中析出相的类型和尺寸,如图5所示。从图5a可见,在600 ℃回火的钢中生成了3种尺寸的圆形或近圆形析出相,分别是直径约为40 nm和8 nm的Nb/TiC,以及20 nm的富Cu相。尺寸较小的Nb/TiC和富Cu相是强化相,而大尺寸的Nb/TiC强化效果很弱,但是能较强地钉扎晶界和细化晶粒。随着回火温度的提高富Cu相粗化,使强化效果逐渐减弱。Nb/TiC在淬火甚至轧制时已经生成,受回火温度的影响很小,所以没有显著的变化。

图5

图5   在不同温度回火的4Mn钢的析出相及其EDS

Fig.5   Precipitated phase (a-c) and EDS (d-i) of 4Mn steel (a, d-f) 600 oC, (b, g, h) 640 oC, (c, i) 670 oC


2.3 回火温度对力学性能的影响

2.3.1 4Mn钢的拉伸性能

图6给出了在不同温度回火的4Mn钢的工程应力应变曲线。可以看出,回火温度不同的钢其曲线显著不同。随着回火温度由600 ℃提高到670 ℃,曲线上的屈服平台消失。4Mn钢的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)等数据,列于表1。可以看出,随着回火温度的提高钢的抗拉强度由896 MPa提高到1114 MPa,屈服强度由857 MPa降低到654 MPa,屈强比(Rp0.2/Rm)由0.96降低到0.59,断后延伸率(A)先由23%提高到25%后降低到17%。4Mn钢在640 ℃回火时,由于640 ℃接近其Ac1点,亚稳态的逆转变奥氏体含量较高,因此发生相变的逆转变奥氏体显著增加而使其塑性最佳。

图6

图6   4Mn钢的工程应力-应变曲线

Fig.6   Engineering stress-strain curves of 4Mn steel


表1   4Mn钢的拉伸性能

Table 1  Tensile properties of 4Mn steel

SampleRm / MPaRp0.2 / MPaA / %Rp0.2 / Rm
600 oC896 ± 0.5857 ± 3.023 ± 0.50.96
640 oC913 ± 6.0700 ± 9.025 ± 0.50.77
670 oC1114 ± 6.5654 ± 3.017 ± 0.50.59

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2.3.2 4Mn钢的冲击性能

在不同温度回火的4Mn钢,其低温冲击功(KV2)和剪切断面率(SFA)列于表2。可以看出,相同实验温度下,随着回火温度的提高,回火的4Mn钢其低温冲击功和剪切断面率不断降低,特别是回火温度从600 ℃升高到640 ℃时,下降更为明显。图7给出了在不同温度回火的4Mn钢的冲击断口形貌(-60 ℃)。从解理区的形貌可见,回火温度不同的4Mn钢其解理区均呈现河流花样和类解理的小断面并有少量的撕裂棱和大量的舌状纹。这表明,4Mn钢的断裂是典型的准解理断裂[28]。随着回火温度的提高类解理的小断面减少,舌状纹明显增多。舌状纹是解理裂纹与形变孪晶相遇时产生的特殊形貌。这表明,回火温度由600 ℃提高到670 ℃,在冲击过程中晶内生成了越来越多的形变孪晶,显著影响4Mn钢的低温韧性。随着回火温度的提高,纤维区内的韧窝尺寸减小,区域面积占比显著降低。

表2   4Mn钢的低温冲击功和剪切断面率

Table 2  Low temperature impact energy and shear fracture ratio of 4Mn steel

Sample-40 oC-60 oC-84 oC
KV2 / JSFA / %KV2 / JSFA / %KV2 / JSFA / %
600 oC158 ± 8.666 ± 1.5125 ± 36.453 ± 8.769 ± 12.734 ± 3.8
640 oC91 ± 4.442 ± 1.557 ± 2.620 ± 1.545 ± 0.617 ± 2.3
670 oC48 ± 1.516 ± 1.541 ± 1.214 ± 1.234 ± 3.212 ± 2.6

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图7

图7   在不同温度回火的4Mn钢在-60 ℃的冲击断口形貌

Fig.7   Morphologies of the impact fracture of 4Mn steel at -60 oC (a, d) 600 oC, (b, e) 640 oC, (c, f) 670 oC


3 讨论

3.1 回火温度对4Mn钢低温冲击韧性的影响

图8给出了在不同温度回火的4Mn钢在-60 ℃的示波冲击位移-载荷-吸收能量曲线。可以看出,4Mn钢的低温冲击韧性显著不同。随着4Mn钢的回火温度从600 ℃提高到640 ℃,示波冲击曲线发生了变化,裂纹稳定扩展阶段几乎消失。随着回火温度的提高最大冲击力(Fm)几乎相同和最大载荷位移(Sm)降低,导致4Mn钢的裂纹形成功(Wi)从84.1 J减小到38.7 J。在随后的裂纹扩展阶段,随着回火温度的提高裂纹扩展功(Wp)从10.7 J减小到1.3 J (图8d)。这表明,在过高温度回火的4Mn钢冲击裂纹一旦形成立即发生失稳扩展,试样随即断裂。

图8

图8   4Mn钢的示波冲击位移-载荷-吸收能量曲线以及4Mn钢在不同回火温度下的裂纹形成功Wi和裂纹扩展功Wp

Fig.8   Oscillographic impact displacement-load-absorption energy curves of 4Mn steel at 600 oC (a), 640 oC (b), 670 oC (c), and Wi and Wp of 4Mn steel at different tempering temperatures (d)


随着回火温度的提高,裂纹形成功显著降低。其原因是,逆转变奥氏体的稳定性和含量发生了变化,从而影响了其增韧效果。在600 ℃回火的4Mn钢中含量适中的逆转变奥氏体具有较好的机械稳定性,在塑性变形中发生相变耗散了额外的能量。在相变过程中释放大量的相变潜热使应力降低,即新鲜马氏体的形核松弛了塑性变形产生的局部应力集中并延缓了裂纹的形成,使钢的裂纹形成功显著提高。回火温度略高于640 ℃(Ac1)时,平均分配到每个逆转变奥氏体中的C、Mn、Ni等元素的浓度降低,逆转变奥氏体的层错能(SFE)也随之降低。此时,逆转变奥氏体的稳定性也逐渐降低,相变诱导机制由应变诱导转变为应力诱导,增韧效果显著降低[29]。为了验证在两个温度回火的钢中逆转变奥氏体的元素分配,用TEM-EDS线扫测试了稳定奥氏体的Mn和Ni元素(图9)。可以看出,在更高温度回火的钢中逆转变奥氏体中Mn和Ni元素的含量都降低了,特别是Ni元素含量的降低更为显著。

图9

图9   在不同温度回火的4Mn钢逆转变奥氏体的STEM图及其EDS谱

Fig.9   STEM images (a, d) and STEM-EDS (b, c, e, f) of reversed austenitic of 4Mn steel (a-c) 600 oC, (d-f) 640 oC


回火温度进一步提高到两相区的670 ℃,虽然在回火过程中生成了大量逆转变奥氏体,但是其中大部分因热稳定性较低而在冷却过程转变为新鲜马氏体。逆转变奥氏体向新鲜马氏体的转变是在切变时发生的,极高的转变速度使合金元素来不及扩散,因此Mn和Ni等合金元素保留在新鲜马氏体内。这使得在室温下保留的少部分逆转变奥氏体晶内合金元素的含量仍然较低,其增韧效果也比较差。同时,回火时钢中生成的大量新鲜马氏体比回火马氏体更加脆硬,使其抗拉强度提高但是使韧性降低[30~33]

随着回火温度的提高裂纹扩展功也显著降低,因为钢中的孪晶与块状逆转变奥氏体增多。对图7中解理区断口形貌的分析表明,钢中孪晶的数量随着回火温度的提高而增加。孪晶处是高应力区,硬度较高。裂纹易沿着孪晶界高速扩展,使裂纹扩展功显著降低[34,35]。从图7c中断口的形貌可见,舌状花样极为凹凸不平和粗大。其原因是,在670 ℃回火的钢中保留了合金元素较为贫乏的逆转变奥氏体。这种逆转变奥氏体的层错能较低,热处理后就形成了孪晶结构。在冲击实验中,孪晶边界成为形变孪晶形核点,促进了形变孪晶生成。其次,大量块状的逆转变奥氏体也可能使裂纹高速扩展[36]。主要分布在原奥氏体晶界和板条界上的块状逆转变奥氏体,使断裂模式转变为晶间断裂。随着裂纹的扩展,裂纹尖端附近的逆转变奥氏体不断转化为新鲜的马氏体,使裂纹稳定但脆性地扩展[29]

以上结果表明,多种因素影响钢的低温韧性。在较低的温度(600 ℃)回火,4Mn钢中适量的高稳定性逆转变奥氏体和较少的新鲜马氏体使其低温韧性最佳。回火温度提高到640~670 ℃,逆转变奥氏体的含量和稳定性降低,新鲜马氏体和孪晶的含量逐渐提高,使钢的低温韧性显著降低。

3.2 4Mn钢中富Cu相的析出

在不同温度回火的4Mn钢其屈服强度降低的主要原因是析出强化效果的降低。而4Mn钢中起主要强化作用的是纳米Cu粒子,析出强化效果与其尺寸有关。由于在不同温度回火的4Mn钢中Cu粒子的半径大于5 nm,其析出强化增量是位错的Ashby-Orowan绕过机制产生的,可表示为[37]

σp=0.1115Gfv1/2dln(2.417d)

式中G为室温下纯Fe的切变模量(为80650 MPa),fv 为析出相的体积分数,d为析出相的平均尺寸。这表明,纳米富Cu相的尺寸越大其析出强化效果越弱。逆转变奥氏体中的富Cu相难以统计,且析出量不能定量计算。可使用Thermo-Calc软件计算富Cu相的析出量与时效温度的关系。结果表明,在660 ℃过时效状态的钢中平均1%的富Cu相仍能产生约172 MPa的强化增量[38]。根据其研究结果,本文作者使用Thermo-Calc软件模拟估算了在不同温度回火的4MnCM钢(4Mn钢+少量Cr,Mo)中富Cu相的体积分数,分别为1.51%、1.30%和1.08% (图10)。Cr和Mo是碳化物形成元素不参与富Cu相的析出,因此4MnCM钢和4Mn钢中富Cu相的析出量相同。结合碳膜复型中对富Cu相尺寸的测量,根据式(2)计算出4Mn钢中纳米富Cu相的析出强化增量分别为291.5、234.4和181.3 MPa。

图10

图10   用Thermo-Calc软件计算出的钢中Cu的析出量随时效温度的变化[39]

Fig.10   Amount of Cu precipitated in steel during ageing process calculated by Thermo-Calc software[39]


3.3 4Mn钢的拉伸变形

图6可见,在不同温度回火的4Mn钢其应力应变曲线显著不同,拉伸变形也不同。在600 ℃回火的4Mn钢中生成了机械稳定性较高的逆转变奥氏体,因此其强塑性匹配较好。随着回火温度提高到640 ℃,逆转变奥氏体含量的提高使TRIP效应增强,不仅在塑性变形初期发生相变,在变形过程中也逐步转变,从而持续地提供强化和塑性贡献,进一步提高钢的抗拉强度和延伸率。回火温度提高到670 ℃,大量逆转变奥氏体在冷却过程转变为新鲜马氏体。这些新鲜马氏体具有高密度的位错,能提高钢的强度和硬度,但是不利于塑性变形[39,40]。保留下来的逆转变奥氏体机械稳定性较低,其中大部分在塑性变形初期就发生了相变而影响增塑效果。

根据均匀塑性变形阶段的部分真应力应变数据计算了在不同温度回火的4Mn钢的加工硬化指数n,分别为0.07,0.20和0.26。n值表征钢的均匀塑性变形能力。适当提高n值有利于促进拉伸时发生均匀塑性变形,与在640 ℃回火的钢具有最高25%的延伸率一致。虽然在670 ℃回火的钢其n值最高,但是延伸率最低(图11a)。其主要原因是,大量新鲜马氏体显著提高了4Mn钢的加工硬化能力。随着应变的增加钢的强度随之提高,使4Mn钢变得过于硬而脆,从而在到达较高延伸率之前即断裂[41]。这一变化趋势也可由4Mn钢的加工硬化曲线证实(图11b)。在拉伸变形开始时,随着屈服的发生加工硬化率均迅速降低。真应变达到大约0.01%时,加工硬化率降低的速率逐渐降低并趋于稳定。随着真应变的增加4Mn钢的加工硬化率随着回火温度的提高先升高后降低。

图11

图11   4Mn钢的断后延伸率和n值对应关系以及4Mn钢的加工硬化曲线

Fig.11   Corresponding between percentage elongation after fracture and n value of 4Mn steel (a), work hardening curves of 4Mn steel (b)


4 结论

(1) 回火温度的提高,使4Mn钢的组织由逆转变奥氏体+新鲜马氏体+回火马氏体/铁素体构成。各相组织含量的变化和富Cu相粗化的共同作用,使钢的抗拉强度提高和屈服强度降低。

(2) 随着回火温度的提高,4Mn钢中逆转变奥氏体的稳定性降低,相变由应变诱导变为应力诱导,相变缓解应力集中效果的减弱使裂纹形成功降低。裂纹扩展功降低的原因,一是大量块状逆转变奥氏体的生成使断裂模式转变为晶间断裂;二是孪晶的增多使裂纹易沿孪晶界高速扩展。同时,大量脆硬的新鲜马氏体使抗拉强度提高,也使低温韧性降低。

(3) 4Mn钢的加工硬化指数n随着回火温度的提高而增大。适当提高n值有利于促进拉伸时发生均匀塑性变形和提高加工硬化能力。钢中含量过高的新鲜马氏体虽然使加工硬化提高,但是使钢变得过于硬而脆和颈缩提前,从而降低其延伸率。

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