不同工艺热处理后汽车用中锰钢的显微组织与力学性能.pdf

55MATERIALS FOR MECHANICALENGINEERINGVol.47No.10Oct.20232023年10 月第47 卷第10 期2023机械工程材料D0I:10.11973/jxgccl202310009不同工艺热处理后汽车用中锰钢的显微组织与力学性能张丽凤，王社则?，田博彤（1.山西工程科技职业大学汽车工程学院，太原0 30 0 31;2.太原理工大学材料科学与工程学院，太原0 30 0 2 4）摘要：对汽车用中锰钢先分别进行不同温度（15 0,5 5 0，6 0 0，7 5 0）预热、7 5 0 淬火、一7 5 深冷处理，再进行逆相变退火处理，研究了不同工艺热处理后的显微组织与力学性能。结果表明：预热处理后中锰钢中的残余奥氏体含量均较铸态高，当预热温度为6 0 0 时残余奥氏体体积分数达到最大值42.2%，此时组织为块状/板条状马氏体十残余奥氏体；随着预热温度升高，逆相变退火后中锰钢的抗拉强度增大，断后伸长率和强塑积先增大后减小，当预热温度为6 0 0 时，强塑积达到最大值5 1.99GPa%；相较于火十逆相变退火，深冷十逆相变退火处理后中锰钢的抗拉强度和屈服强度较小，断后伸长率、强塑积和一40 冲击功较高。关键词：中锰钢；逆相变退火；深冷处理；显微组织；力学性能中图分类号：TG142.1;U465.11文献标志码：A文章编号：10 0 0-37 38（2 0 2 3)10-0 0 5 5-0 7Microstructure and Mechanical Properties of Medium Manganese Steel forAutomobile after Different Heat TreatmentsZHANG Lifeng,WANG Sheze,TIAN Botong(1.School of Automotive Engineering,Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology,Taiyuan 030031,China;2.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:The medium manganese steels for automobile were treated by preheating at different temperatures(150,550,600,750),q u e n c h i n g a t 7 5 0 ,c r y o g e n i c t r e a t m e n t a t -7 5 ,r e s p e c t i v e l y,a n d t h e n w e r esubjected to reverted transformation annealing.The microstructure and mechanical properties after different heattreatments were studied.The results show that the retained austenite content in medium manganese steel afterpreheating was higher than that in as-cast steel.The volume fraction of the retained austenite reached the maximumvalue of 42.2%after preheating at 600 C,and the microstructure was composed of block/strip martensite andretained austenite.With the increase of preheating temperature,the tensile strength of medium manganese steelafter reverted transformation annealing increased,and the elongation after fracture and the product of strength andelongation increased first and then decrease.When the preheating temperature was 600 C,the product of strengthand elongation reached the maximum value of 51.99 GPa%.Compared with those after quenching and revertedtransformation annealing,the tensile strength and yield strength of the medium manganese steel after cryogenictreatment and reverted transformation annealing were smaller,and the elongation after fracture,the product ofstrength and elongation and the impact energy at-4o C were higher.Key words:medium manganese steel;reverted transformation annealing;cryogenic treatment;microstructure;mechanical property收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 2；修订日期：2 0 2 3-0 7-0 4基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 2 0 YFB0301012-4）；山西省重点研发计划项目（2 0 17 KKJH）作者简介：张丽凤（198 0 一），女，山西太原人，副教授，硕士0引言高强塑积(抗拉强度与断后伸长率的乘积)钢在近年来随着汽车轻量化、车身碰撞安全性等要求的56MATERIALS FORMECHANICAL ENGINEERING张丽凤，等：不同工艺热处理后汽车用中锰钢的显微组织与力学性能2023机械工程材料提高下得到了快速发展11；目前汽车钢已从第一代高强低强塑积(5 15 GPa%)DP钢/TRIP钢发展至强塑积不小于30 GPa%的第三代钢2-3。第三代汽车用高强塑积钢的研究主要集中在中锰钢上，一般通过优化中锰钢中碳、锰、硅等合金元素含量以及调控逆相变退火温度和时间等工艺参数来获得良好的综合性能4-6 。目前已证实成分优化和热处理工艺改进能在一定程度上提高中锰钢的强塑性，但是关于中锰钢原始组织对最终热处理后的显微组织和性能的影响研究较少。此外，预热处理和深冷处理已被证实有利于高强钢的组织细化和性能提升，如预热处理有助于提升钢铁材料韧塑性，深冷处理有助于提升钢铁材料的强度和耐磨性能7-8 ,但是目前大多采用单独预热处理或者单独深冷处理工艺，而将预热处理/深冷处理与逆相变退火相结合来调控中锰钢显微组织进而提升综合性能的研究鲜有报道。因此，作者将预热处理/深冷处理与逆相变退火工艺相结合，研究了不同工艺热处理后中锰钢的显微组织和力学性能，为高强塑积汽车钢的开发与工业生产提供理论依据。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验材料为Fe-0.2C-7Mn-3Al中锰钢，由太原钢铁（集团）有限公司提供，主要化学成分（质量分数/%)为0.2 0 C,7.14Mn，2.9 4A l,0.0 0 9 P，0.0 0 3S，余Fe。在RT3-300型退火炉中对中锰钢铸锭进行11853h 均匀化退火，空冷至室温，再锻造成20mm厚板材。使用DIL402C型热膨胀仪测得中锰钢的奥氏体转变开始温度Acl和奥氏体转变终了温度Ac3分别为6 0 0，6 8 4。采用线切割法从中锰钢板材上截取若干尺寸为200mmX100mm20mm的试样。取部分试样，在SX-5-12型箱式电阻炉中进行预热处理，温度分别为15 0，5 5 0，6 0 0，7 5 0，保温时间为6 h，空冷至室温，再置于HPRG-5-10型盐浴炉中进行6 5 0 X5min逆相变退火，空冷至室温。部分试样进行75030 m in 水淬十6 0 0 X6h逆相变退火处理，空冷至室温。部分试样先进行一7 5 X2h深冷处理，空冷至室温，再进行6 0 0 6 h逆相变退火，空冷至室温。1.2试验方法使用线切割法在不同热处理态试样上取尺寸为10mmX10mmX10mm的金相试样,经6 0#1500砂纸逐级打磨，金刚石磨膏抛光，清洗吹干，采用体积分数3.5%硝酸乙醇溶液腐蚀后，使用FEIQuanta650型扫描电子显微镜（SEM)观察显微组织。使用D/Max-2500/PC型X射线衍射仪(XRD)测定残余奥氏体含量9，采用铜靶，K。射线，工作电压为2 0 kV,工作电流为30 mA，扫描速率为2（）min-1,步长为0.0 2。在不同热处理态试样上取厚度为1mm的薄片，经打磨、冲裁成直径为3mm的圆片后，使用DJ2000型双喷电解减薄仪进行减薄，电解液为体积分数10%高氯酸乙醇溶液，温度为一40,使用H-800型透射电子显微镜（TEM)观察微观形貌。使用FEIQuanta650型扫描电子显微镜(SEM)进行电子背散射衍射（EBSD)分析。切取如图1(a)所示的拉伸试样，使用MTS-810型液压伺服万能材料试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为2 mmmin-1。切取如图1(b)所示的冲击试样，使用TSG2040型冲击试验机进行一40 低温冲击试验，保温时间为5 min。2试验结果与讨论2.1显微组织由图2 可见：铸态中锰钢的显微组织为窄而细长的板条马氏体；经过15 0 预热处理后，中锰钢组织转变为块状或板条状马氏体，以及均匀分布的10.021.605O$0.03其余2X45R59TXOIIN0.8/27.535551021212(a)拉伸试样(b)冲击试样图1拉伸试样与冲击试样的形状与尺寸Fig.1Shape and size of tensile specimen(a)and impact specimen(b)57MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING张丽凤，等后工艺热处理汽车用中锰钢的显微组织与力学性能2023机械工程材料2um2um2um(a)铸态(b)150预热处理(c)550预热处理2um2um(d)600预热处理(e)750预热处理图2 铁铸态与不同温度预热处理中锰钢的显微组织Fig.2Microstructure of as-cast(a)and different-temperature preheated(b-e)medium manganese steel白色碳化物；当预热处理温度升高至5 5 0 后，组织中出现了明显的颗粒状碳化物，局部有块状马氏体；当预热处理温度升高至6 0 0 时，形成了片层状组织，白色碳化物颗粒数量减少且尺寸增大；当预热处理温度继续升高至7 5 0 时，组织中可见板条状和块状马氏体，白色碳化物基本消失。由图3可见：15 0 预热十逆相变退火后，中锰钢组织中存在板条状和块状马氏体，以及颗粒状白色碳化物；当预热处理温度为5 5 0 时，马氏体呈平行相间的片层状，渗碳体部分发生溶解；当预热处理温度升高至6 0 0，片层状马氏体和白色碳化物较为明显，同时出现凸起的多边形组织；当预热温度继2um2um(a)150(b)5502um2um(c)600(d)750图3不同温度预热十逆相变退火后中锰钢的显微组织Fig.33 Microstructure of medium manganese steel after preheating at different temperatures and reverted transformation annealing58MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING张丽凤，等不同工艺热处理后汽车用中锰钢的显微组织与力学性能2023机械工程材料续升高至7 5 0 时，中锰钢组织中出现了凸起多边形和凹陷板条形态，这种凸起和凹陷形态是由于耐腐蚀性能不同而呈现出的10 图4中的灰色和白色分别表示奥氏体和铁素体/马氏体。由图4可见：15 0 预热处理十逆相变退火后，中锰钢中的残余奥氏体主要分布在马氏体板条界面处；当预热处理温度升高至5 5 0 时，残余奥氏体增多，且局部残余奥氏体与铁素体/马氏体形成了平行相间的片层结构，这与逆相变退火过程中部分渗碳体发生溶解，提供了逆转变所需的碳和锰元素，从而促进奥氏体形成有关1-13，当预热处理温度升高至600时，中锰钢中的残余奥氏体含量进一步增多且主要以短棒状形态存在，这与预热处理温度升高使得板条奥氏体发生合并有关14，当预热处理温度继续升高至7 5 0 时，除块状残余奥氏体外，基体组织中还出现了尺寸较大的多边形残余奥氏体。im2umLum(a)150(b)550(c)600(d)750 图4不同温度预热十逆相变退火后中锰钢的EBSD形貌Fig.4EBSD morphology of medium manganese steel after preheating at different temperatures and reverted transformation annealing由图5 可见：火处理后中锰钢的显微组织为板条状和块状马氏体；深冷处理后中锰钢的显微组织以板条马氏体为主，同时存在颗粒状碳化物；经淬火十逆相变退火处理后，中锰钢主要以板条马氏体为主，同时存在铁素体、奥氏体和颗粒状碳化物；经过深冷十逆相变退火处理后，中锰钢的显微组织与淬火十逆相变退火处理后相似，只是相对更加细化。由图6 可见，4种不同工艺热处理后的中锰钢中均存在马氏体和奥氏体相，相较于淬火处理，深冷处理后马氏体的板条形态更加突出，且晶粒相对细化，奥氏体数量增多。火和深冷处理后再经过逆相变退火处理的中锰钢中奥氏体含量较未逆相变处马氏体马氏体2um2um(a)淬火(b）深冷处理铁素体铁素体奥氏体奥氏体2um2um(c）淬火+逆相变退火(d）深冷处理+逆相变退火图5 7不同工艺热处理后中锰钢的显微组织Fig.5 Microstructure of medium manganese steel after heat treatment with different processes:(a)quenching;(b)cryogenic treatment;(c)quenching and reverted transformation annealing;(d)cryogenic treatment and reverted transformation annealing59MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING张丽凤，等后工艺热处理后车用中锰钢的显微组织与力学性能2023机械工程材料理时明显增多。由图7 可见，深冷处理后中锰钢的显微组织为板条马氏体十块状奥氏体十板条束间的薄膜状残余奥氏体，再经逆相变退火处理后，显微组织转变为块状马氏体十板条状马氏体十铁素体十残余奥氏体，且相界面由深冷处理后的平直状转变为蠕虫状，残余奥氏体含量增加。这主要是因为深冷处理会使得马氏体含量提高的同时细化组织，为逆相变退火过程中奥氏体的转变提供形核质点，并在逆相变退火的驱动力作用下形成较高含量的奥氏体组织15-6 1im2um(a)淬火(b)深冷处理2LimLm(c）淬火+逆相变退火（(d）深冷处理+逆相变退火图6 不同工艺热处理后中锰钢的EBSD形貌Fig.6 EBSD morphology of medium manganese steel after heat treatment with different processes:(a)quenching;(b)cryogenic treatment;(c)quenching and reverted transformation annealing;(d)cryogenic treatment and reverted transformation annealing100nm10um(a)深冷处理（b）深冷处理+逆相变退火图7 不同工艺热处理后中锰钢的TEM形貌Fig.7 TEM morphology of medium manganese steel after heat treatment with different processes:(a)cryogenic treatment;(b）crvogenic treatment and reverted transformation annealing由图8 可见，铸态（预热处理温度为0）中锰钢的残余奥氏体体积分数约为9.9%，经15 0，5 5 0，600，7 5 0 预热处理后的残余奥氏体体积分数分别为11.8%，19.6%，42.2%，2 3.1%。预热处理后中锰钢中的残余奥氏体含量较铸态均有不同程度提升，尤其是当预热处理温度为6 0 0 时残余奥氏体含量达到最大，这主要是因为当预热处理温度到达奥氏体相变温度附近时会发生奥氏体转变而使得马氏体分解并形成残余奥氏体17 。当预热处理温度为7 5 0 时（高于Ac），中锰钢处于单相区，晶粒发生粗化的同时没有碳化物析出，此时残余奥氏体含量有所减小。2.2力学性能由表1可见，随着预热处理温度的升高，中锰钢的抗拉强度逐渐增大，断后伸长率和强塑积先增大后减小。当预热处理温度为6 0 0 时中锰钢的强塑积最大，为5 1.99GPa%，这主要与此时中锰钢逆60MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING张丽凤，等：不同工艺热处理后汽车用中锰钢的显微组织与力学性能2023机械工程材料MATERIALSFORMECHANICA454080151050100200300400500600700800温度/图8不同温度预热处理后中锰钢的残余奥氏体含量Fig.8Residual austenite content of medium manganese steel afterpreheating at different temperatures表1不同温度预热十逆相变退火后中锰钢的室温拉伸性能Table 1 Room temperature tensile properties of mediummanganese steel after preheating at differenttemperatures and reverted transformation annealing预热处理抗拉强度/屈服强度/断后强塑积/温度/MPaMPa伸长率/%(GPa%)150122710766.027.395501390109919.7627.47600139377937.3251.997501.52877118.9028.88相变退火后形成了块状/板条状马氏体十残余奥氏体组织，且短棒状残余奥氏体含量较高有关。块状/板条状马氏体的存在有助于提升中锰钢的硬度和强度，而残余奥氏体的存在有助于提升韧塑性18-19由图9和表2 可见，相较于淬火十逆相变退火处理，深冷处理十逆相变退火后中锰钢的抗拉强度和屈服强度减小，断后伸长率明显增大，强塑积提高了约5 1.6 1%。并且一40 冲击功也明显提高。深冷处理十逆相变退火后良好的强塑性和一40 冲击韧性主要与此时中锰钢中形成了较高含量的奥氏1600厂淬火+逆相变退火14001200深冷处理+逆相变退火80060040020000.10.20.30.4应变图9不同工艺热处理后中锰钢的应力-应变曲线Fig.9Stress-strain curves of medium manganese steel after heattreatment with different processes体和细小组织有关2 0 表2不同工艺热处理后中锰钢的室温拉伸性能和低温冲击功Table2Room temperature tensile properties andlowtemperature impact energy of medium manganesesteel after heat treatment with different processes抗拉强屈服强断后伸长强塑积/一40 冲热处理工艺度/MPa度/MPa率/%(GPa%)击功淬火十逆1.4558652333.466相变退火深冷处理+13356603850.7312逆相变退火3结论（1）15 0 7 5 0 温度下预热处理后，中锰钢中的残余奥氏体含量较铸态有不同程度提升，当预热温度为6 0 0 时残余奥氏体体积分数最大，为42.2%，此时组织为块状/板条状马氏体十残余奥氏体，短棒状残余奥氏体含量较高。（2）经预热处理十逆相变退火后，随着预热处理温度升高，中锰钢的抗拉强度逐渐增大，断后伸长率和强塑积先增大后减小，当预热处理温度为6 0 0 时，中锰钢的强塑积最大，为5 1.99GPa%。（3）相比淬火十逆相变退火处理，深冷处理十逆相变退火后锰钢的抗拉强度和屈服强度较小，断后伸长率、强塑积和一40 冲击功明显较高。参考文献：1赵征志，陈伟健，高鹏飞，等.先进高强度汽车用钢研究进展及展望J.钢铁研究学报，2 0 2 0，32（12）：10 5 9-10 7 6.ZHAO Z Z,CHEN W J,GAO P F,et al.Progress andperspective of advanced high strength automotive steel J.Journal of Iron and Steel Research,2020,32(12):1059-1076.2宋仁伯，霍巍丰，周乃鹏，等.Fe-Mn-AI-C系中锰钢的研究现状与发展前景J.工程科学学报，2 0 2 0，42（7）：8 14-8 2 8.SONG R B,HUO W F,ZHOU N P,et al.Research progressand prospect of Fe-Mn-Al-C medium Mn steels JJ.ChineseJournal of Engineering,2020,42(7):814-828.3张丽凤，王社则，田博彤.高强塑积汽车钢板的显微组织与力学性能J.塑性工程学报，2 0 2 1,2 8（11）：18 1-18 8.ZHANG L F,WANG S Z,TIAN B T.Microstructure andmechanical properties of automobile steel sheet with highstrength-ductility balance J 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