【原】西工大《Acta Materialia》：同时提高轻质钢强塑性和应变硬化能力

材料科学网 2023-02-03 发布于江西

展开全文

本研究报告了中等含量Al的Fe-21Mn-6Al-1C-xSi(x=0,1.5,3wt.%)轻质钢，其在固溶处理和时效处理过程中的初始组织、力学响应和变形组织。结果表明，固溶态钢中存在纳米长程有序域，其特征在0Si和1.5Si钢中呈L12型有序排列。550℃时效20h对0Si钢的组织影响不大，但在1.5Si钢中会导致κ′-碳化物析出。对于3Si钢，在550°C下时效1小时已经导致均匀分布的纳米尺寸κ'-碳化物(4.2nm)的析出。固溶处理钢的强度、塑性和应变淬透性都随着Si含量的增加而提高。随着时效时间的增加，具有κ'-碳化物时效钢的屈服强度(YS)增强，延展性降低。短时时效（1小时）处理的3Si钢表现出优异的强度-延展性协同作用，YS>900MPa，总伸长率>50%。添加Si后YS的增加源于晶界、固溶体和有序强化。对于0Si钢，应变硬化受高密度位错壁和微带的演变控制。3Si钢中动态滑移带细化(DSBR)和孪生诱导塑性的出现是Si合金化提高应变淬透性的主要原因。滑移带均匀分布在短时时效的3Si钢中，解释了其高延展性的原因。西北工业大学联合马普所将此工作以“Simultaneously enhancing strength-ductility synergy and strain hardenability via Si-alloying in medium-Al FeMnAlC lightweigh tsteels”为题发表在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》上。

论文链接：

https:///10.1016/j.actamat.2022.118611

在过去的几十年中，高锰奥氏体钢以其优异的力学性能在汽车应用中备受关注。典型的高锰奥氏体钢的化学成分通常由18–30wt.%的Mn、<12wt.%的Al、0.6–1.8wt.%的C组成。在低Al（0-3wt.%）情况下，由于在塑性变形过程中发生形变孪晶，此类钢表现出孪晶诱导塑性（TWIP）效应。随着铝含量的增加，此类钢的质量密度每1wt.%Al降低约1.3%，具有中等（4-7wt.%）和高（8-12wt.%）Al含量钢通常被指定为奥氏体轻质钢。

先前的研究表明，Al的添加促进了有序结构的形成。根据有序度和有序结构的分析，长程有序(LRO)域和具有L′12结构的κ′-碳化物会导致屈服强度的增加。例如，Yao等人的报道，由于有序κ'-碳化物的析出，Fe-30Mn-9Al-1.2C轻质钢的屈服强度在600°C下时效24小时后增加了约500MPa。在含7-10wt.%Al的轻质钢中，在470-700°C的时效过程中，可以形成有序结构。然而，Al含量的过度增加或长时间时效往往会导致其他复杂组织的形成，如层状κ-碳化物/α-铁素体组织、B2(FeAl)和D03(Fe₃Al)脆性金属间化合物化合物和β-Mn沿着晶界，降低高铝轻质钢的延展性。此外，高Al含量还会导致杨氏模量显着降低，并导致连铸过程中钢包水口堵塞。

高铝轻质钢具有较高的堆垛层错能(SFE)，范围为80至120mJ/m²，这是由于其高铝含量(8–12wt.%)。因此，TWIP和相变诱导塑性(TRIP)效应在钢中都受到抑制，并且其变形机制由位错滑移主导。对于此类钢，位错结构细分为滑移带或微带是其应变硬化行为的主要原因，此现象称为动态滑带细化(DSBR)或微带诱导塑性(MBIP)。在低铝TWIP钢的情况下SFE相对较低(18–50mJ/m²)，因此塑性变形以变形孪晶的连续形成为主要特征，导致“动态Hall-Petch”效应的产生并增加抗拉强度和延展性。然而，TWIP钢通常具有低屈服强度（≤∼300MPa）。尽管在TWIP钢的低铝奥氏体中可能存在短程有序(SRO)结构，但在提高屈服强度方面的作用微乎其微。迄今为止很少有人关注中铝(4-7wt.%)轻质钢，这可能是由于此类钢缺乏有序结构和弱TWIP效应。

图1 固溶处理的(a–d) 0Si、(e–h) 1.5Si和(i–l)3Si钢的组织结构：(a,e,i) EBSD-IPF图。其中，D是平均晶粒尺寸。(b,f,j) GND密度-EBSD，其中ρ_G是平均值。(c,g,k) 沿[001]γ轴选定区域衍射图案，其中主要γ衍射点和来自长程有序域的弱超晶格反射被发现。(d,h,l) TEM暗场图像取自长程有序域的(100)LRO或(110)LRO

与Al类似，添加Si也会降低奥氏体钢的质量密度，每1wt.%Si的密度降低约0.8%的密度。此外，它可以通过增加流动性来缓解浇注过程中钢包水口的堵塞。最近的从头计算和热力学计算表明，Si的添加在能量上有利于κ'-碳化物的形成，并增加了高铝轻质钢中κ'-碳化物的粗化动力学。尽管具有强化作用，但发现粗κ′-碳化物的形成会降低奥氏体钢的应变硬化率和延展性，这归因于粗κ'-碳化物会促进局部剪切的发生。

另一方面，添加Si会降低奥氏体钢的SFE。例如，Fe-18Mn-0.6C钢的SFE(19.3mJ/m²)在添加1.5和3wt.%Si后分别降低到13.8和4.8mJ/m²，导致更早出现TWIP甚至TRIP效应，从而提高应变硬化率和延展性。因此，预计Si的添加可以促进有序结构的形成和中铝轻质钢中的TWIP效应，Lai等人已经在经过固溶处理Fe-26.7Mn-5.6Al-3Si-1C钢中被验证。然而，Si在有序结构的形成和演化中的作用以及它们对中铝轻质钢强度的贡献仍有待阐明。检查变形诱导微观结构的发展及其对Si合金中铝轻质钢中应变硬化行为的贡献也特别重要。

图2 时效0Si、1.5Si和3Si钢的显微硬度和显微组织：(a) 在550°C时效时效的0Si、1.5Si和3Si钢的显微硬度与时效时间的函数关系；(b,d,f,h,j) 沿[001]γ区选区衍射图案；(c,e,g,i,k) 从{110}LRO或{110}κ'反射中获取的TEM暗场图

图3 固溶处理0Si、1.5Si和3Si钢中LRO域和κ'-碳化物的原子尺度表征：(a–d,f) 快速傅里叶逆变换图像。(e,g,h) HRTEM图像，其中插图是相应的快速傅里叶变换图像；(i) LRO域或κ'-碳化物的平均尺寸；(j)体积分数随时效时间的变化。

图4 3Si钢3D-APT：(a) APT样本3D重建，其中晶粒内κ'-碳化物由7at.% C等值面突出显示；(b) C-Al(at.%)的3D浓度图；(c) 原子浓度相对于7at.% C等值面的邻近直方图，定量显示单个元素的配分行为；(d) 使用杠杆规则从APT数据确定的晶粒内κ'-碳化物的体积分数

在这项研究中，Si对中Al（Fe-21Mn-6Al-1C-xSi）轻质钢的显微组织、力学响应和变形机制的影响治疗和老化的状态进行了调查。通过考虑使SFE值尽可能低和保持足够的Si溶解度之间的折衷来选择标称成分。首先，固溶处理的Fe-21Mn-6Al-1C-x的初始微观结构使用电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)和三维原子探针断层扫描(3D-APT)来表征硅钢及其在时效过程中的演变。然后，通过TEM[2]检查这些钢中由变形引起的微观结构，包括位错和孪晶子结构。这些钢的SFE是通过弱光束暗场(WBDF)成像[28]测量的，并与热力学预测值进行了比较。最后，基于实验结果和可用的理论模型讨论了Si添加对屈服强度和应变硬化行为的贡献。

图5 固溶处理的0Si、1.5Si和3Si钢的力学性能和断口：(a)工程应力-应变曲线；(b)拉伸性能；(c)真应力-应变曲线和应变硬化曲线；(d)断口SEM

本次工作将具有中等含量Al的（Fe-21Mn-6Al-1C-xSi）奥氏体钢，经过固溶处理和时效后，详细调研其初始微观结构、力学响应和变形引起的微观结构变化，得出以下结论：

1）在固溶处理的0Si、1.5Si和3Si钢中，存在纳米尺寸的LRO。前两种钢的LRO为L12晶体结构，后一种钢的LRO为L'12晶体结构。对于0Si钢，在550°C下时效长达20h对其显微组织几乎没有影响，但对于1.5Si钢，相同的时效处理会导致析出具有L'12晶体结构的κ'-碳化物。3Si钢在550°C下时效1小时导致κ'-碳化物析出，表明Si的添加促进了L'12型排序。

2）固溶处理钢的YS、UTS、UEL和TEL都随着Si含量的增加而提高，即Si合金化克服了强度-延展性的不平衡现象。当真实应变达到～25%及以上时，这些钢在相同应变水平下的应变硬化率也随着Si含量的增加而提高，表明Si合金化提高了应变硬化性。时效处理对力学性能几乎没有影响，因为没有κ'-碳化物析出物。然而，对于时效过程中析出κ′-碳化物的钢，YS和UTS随着时效时间的增加而增加，同时伴随着UEL和TEL的降低。3Si钢在550℃时效1h后表现出优异的强塑协同作用，YS>900MPa，TEL>50%。

3）在塑性变形开始时，固溶处理钢和时效钢的位错活动均以平面位错滑移为主。在0Si钢中，具有累积应变的微观结构演变的主要特征是HDDW和平行微带在单个晶粒内的顺序出现和倍增，其中变形孪晶仅发生在接近最终失效的应变水平。在3Si钢中，其SFE测量为49±4mJ/m²，塑性变形的早期阶段以平面滑移带的倍增为特征，滑移带趋于均匀分布，从而导致DSBR效应。当工程应变达到35%及以上时，这种钢中逐渐形成相当薄的(<20nm)变形孪晶，从而导致TWIP效应。在短时间（1小时）时效的3Si钢中，DSBR效应仍然存在，并且逐渐形成的滑移带的分布相对均匀，尽管TWIP效应被κ'-碳化物的析出所抑制。