高锰奥氏体孪生诱发塑性(twinning-induced plasticity,TWIP)钢具有较高的抗拉强度,且塑性良好,有利于机动车辆减轻重量、降低油耗及室温下复杂零部件的成型加工[1,2]。因此,TWIP钢在机动车辆领域具有广阔的应用前景,吸引了人们的广泛关注。

大量研究[3,4,5]表明,TWIP钢的优异力学性能源于变形过程中的高加工硬化率。TWIP钢在变形过程中产生的形变孪晶可以有效地细化晶粒,减少位错运动自由程,产生动态Hall-Petch效应,进而显著提高钢的加工硬化率。形变孪晶的产生与层错能的大小密切相关[6]。一般而言,当层错能大于45 mJ/m2时,位错滑移是唯一的变形机制;当层错能在15~45 mJ/m2范围内时,位错滑移与形变孪生共同作用来维持塑性变形;当层错能小于15 mJ/m2时,主要以位错滑移及变形诱发马氏体相变作为主要变形机制,并产生相变诱发塑性(transformation-induced plasticity,TRIP)效应。由此可知,层错能的大小显著影响高锰奥氏体钢的变形机制,使钢的力学性能发生变化。

TWIP钢的层错能取决于多种因素,如变形温度、合金成分等[7,8,9,10]。研究[8]发现,Al含量的增加会提高TWIP钢的层错能、减弱动态应变时效(DSA),从而导致加工硬化率和抗拉强度的降低以及延伸率的提高。同样,C含量的增加也可提高TWIP钢的层错能。但与增加Al含量后的效果相比,增加C含量可使DSA增强,并促使变形过程中产生更加细密的形变孪晶,导致屈服强度、抗拉强度及延伸率同时提高[9]。此外还发现,铬钼合金化起到固溶强化、降低层错能、弱化DSA的作用,导致TWIP钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率同时增加[10]。

Mn作为TWIP钢中的一种重要合金元素,对扩大奥氏体相区、降低马氏体点、提高奥氏体稳定性起着重要作用[11]。同时,Mn含量也影响层错能的大小,进而影响TWIP钢产生形变孪晶的临界应力及加工硬化行为[4,12]。但目前关于Mn含量对TWIP钢拉伸变形行为影响的研究还很不充分。文献[7,13]研究了不同Mn含量Fe-Mn-Al-C系TWIP钢的拉伸性能,但二者的研究结果却不一致。文献[13]表明,随着Mn含量的增加,钢的抗拉强度和延伸率均降低,屈服强度却无明显的变化规律,他们认为这是由于Mn含量的增加使钢在变形过程中产生了较少形变孪晶的缘故。而文献[7]表明,随Mn含量的增加,钢的屈服强度和抗拉强度均降低,而延伸率则无明显变化。值得注意的是,文献[7]中实验用钢的晶粒尺寸不同,这也可能导致其拉伸性能结果的可比性受到影响。文献[14]研究了Mn含量对Fe-Mn-C系无铝高锰奥氏体钢的拉伸性能的影响,发现Mn含量的增加导致钢的抗拉强度和屈服强度下降,但塑性提高,认为这是由于随着Mn含量的增加,钢的变形机制发生了变化,即从低Mn含量时产生TRIP和TWIP 2种效应到高Mn含量时只产生了TWIP一种效应所造成的。

然而,关于Mn含量如何影响变形过程中只产生TWIP一种效应的Fe-Mn-C系无铝高锰钢的拉伸性能和加工硬化机制等,目前尚不清楚。文献[15]利用唯象模型并根据其它文献的结果,分析了以孪生为主要变形机制的Fe-Mn-C系TWIP钢的拉伸性能,发现随着Mn含量的增加,TWIP钢的屈服强度和抗拉强度同时降低,但未对变形过程中的显微组织演化及应变硬化机制等加以分析。同时注意到,文献[15]利用了其它不同文献的结果,从而导致无法排除其它因素(晶粒尺寸、应变速率等)对拉伸行为可能产生的影响,使其结果的可比性降低。对于Fe-Mn-C系TWIP钢,由于未添加Al,不存在Al对DSA的抑制作用,其变形过程中产生的DSA和形变孪晶均会对钢的应变硬化行为产生影响[12,16]。考虑到Mn原子与自由C原子之间存在交互作用,Mn含量除了影响层错能外,对DSA[17,18]及位错滑移模式[19,20]也会产生影响,进而对TWIP钢的拉伸变形行为产生影响。本工作以2种不同Mn含量Fe-Mn-C系无铝TWIP钢(即Fe-13Mn-1.0C和Fe-22Mn-1.0C)为对象,研究Mn含量对以形变孪晶为主要变形机制的Fe-Mn-C系TWIP钢的拉伸性能、孪生行为及应变硬化规律的影响。

2种实验用钢的化学成分及计算得到的层错能如表1所示。采用真空感应炉熔炼,熔炼过程中通入Ar气进行气氛保护,然后浇铸成锭。将铸锭在1473 K保温4 h进行均匀化处理后,热锻成截面尺寸约为35 mm×45 mm的钢坯,空冷至室温。利用电火花线切割机从钢坯切取厚度为6 mm的板坯,冷轧至3 mm厚板材。为了排除晶粒尺寸因素对拉伸性能的影响,对冷轧后的Fe-13Mn-1.0C和Fe-22Mn-1.0C钢分别在1373 K保温2和30 min进行固溶处理,然后立即水淬,获得晶粒尺寸大致相同(平均晶粒尺寸分别为49.8、50.2 μm)的单相奥氏体组织,如图1所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   Fe-13Mn-1.0C和Fe-22Mn-1.0C钢固溶处理后的OM像

Fig.1   OM images of Fe-13Mn-1.0C (a) and Fe-22Mn-1.0C (b) steels after solution treatment at 1373 K for 2 and 30 min, respectively

表1   2种TWIP钢的化学成分及根据文献[3]计算的层错能

Table 1   Chemical compositions and stacking fault energies (SFE) of the experimental TWIP steels