锰对热轧态双相钢显微组织和力学性能的影响

D0I:10.13374/i.1ssm1001-053x.1992.05.005 北京科技大学学报 第14卷第5期 Vol.]4 No.5 1992年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1992 锰对热轧态双相钢 显微组织和力学性能的影响 李胜利* 田琮 撕要：用薄晶体透射电镜研究锰对热轧空冷后低碳Si一M双相俪的组织和力学性能的影 响，实验结果表明：钢中镭含量为1，？9%时，显微组织中出现珠光体。拉伸工程应力一应变 曲线有明显物理屈眼延伸。朝中锰含量越少、珠光体量越多时，应力一应变曲线上屈服平台 越长，锰含量大于2.09%时，轧态组织中不再出现非马氏体型转变产物珠光体。轧态组织中 的马氏体岛区，由几个微区组成。这些藏区分别为内孪晶马氏体区和位错板条马氏体区。 关键词：热轧双相钢，显微组织，力学性能，储 Influence of Manganese on the Microstructure and Mechanical Properties of As-Hot-Rolled Dual-Phase Steels Li Shengli Tian Cong' ABSTRACT:When the manganese content in steel is 1.79%,the as-hot-rolled microstructure consists some pearlite,and there is physical yield plateau in the stress-strain curve.The lower manganese con- tent,the more amount of pearlite,and the longer plateau of physical yield.But when the manganese content is more than 2.09%,there is no product of non-martensitic transformation.In the microstructure of as-hot-rolled steel,the island field of martensite is composed of several parts.They are dislocated lath martensite area and twinned martensite area respectively. KEY WORDS:as-hot-rolled dual-phase steel,microstructure,mechanical properties,manganese ①1991-01-25收稿 ◆材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering) ·518·

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷第 期 年 月 锰对热轧态双相钢 显微组织和力学性能的影 响 ① 李胜利 ‘ 田 综 ‘ 摘 要 用薄 晶体透射 电镜研 究锰 对 热轧 空冷 后低碳 一 双 相 钢 的组 织和 力学性 能的影 响 。 实验结果表 明 钢 中锰含量 为 时 ， 显 微组织 中出现珠光体 。 拉伸工程应力 一 应 变 曲线有 明显物理屈 服 延 伸 。 钢 中锰含量越少 、 珠光体量越多 时 ， 应 力 一 应变 曲线上 屈 服平 台 越长 。 锰含量大于 时 轧态 组织 中不再 出现非 马 氏体型转变产物珠光体 。 轧态 组织 中 的 马氏体 岛区 ， 由几个微 区 组成 。 这些 微区 分别为内孪 晶马 氏体 区 和 位错板 条 马 氏体 区 。 关镇词 热轧双 相 钢 ， 显微组织 ， 力学性能 ， 锰 五 、 一 一 弘翻己 云 甘 犷地 价 日尹 ， ， 一 一 ， 一 ， 几 ， 招 恤 ， 少 “ 一 师 一 一 ， 一 一 一 ， ， ， ① 一 一 收稿 ‘ 材料科学 与工程 系 氏， 出 咖 访 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．05．005

双相钢显微组织通常由铁素体和马氏体组成。McFarland W H于l968年第一个在美国提 出双相钢的专利。由于双相钢强度和范性的良好匹配，它除了可用于冲压钢外，近年来已逐 步拓宽到非冲压领域”。 双相组织可通过热处理或热轧两类方法获得。影响热轧态双相钢组织及性能的因素有合 金元素和轧制工艺。轧制工艺的制订需考虑合金元素的影响。研究合金元素对热轧条件下获 得所需的双相组织和性能的影响是有意义的。 1试验用钢和试验方法 试验用钢采用工业纯铁加碳、硅及金属锰，经真空感应炉冶炼得到。钢锭经1200℃加热 锻成60mm×60mm方坯，再经1200℃加热开轧，850℃终轧成8.4mm的盘条，轧后空冷。钢 的化学成分如表1所示。 表1试验用钢的化学成分，% Table 1 Composition of experimental steels,% 化学成分 钢代号 Mn Si F 0.09 1.35 1.37 0.010 0.009 G 0.09 1.79 1.39 0.010 0.009 0.08 2.09 1.30 0.011 0.01】 A 0.08 2.22 1.39 0.010 0.009 H 0.09 2.42 1.39 0.010 0.009 组织形貌观察在S一250NK3扫描电镜下进行。薄膜样品在H一800透射电镜下观察，加 速电压为200kV。在光学显微镜下，用计点法测定了轧态组织中马氏体体积百分数。 拉伸试验在MTS一l0液压伺服拉伸试验机上进行。试样直径5.0mm,标距长度50mm, 应变速率1.27mm/min。 2试验结果 2.1试验用钢的热轧态组织 试验用钢热轧态组织如图1所示。其中(a)、(b)、(c)分别为H钢、A钢和J钢的组织。 这3种钢的显微组织均为铁素体加马氏体。从图中暗色的铁素体基体中可看到等轴状铁素体 的晶界。图1()为G钢的组织。该钢的组织为铁素体基体上分布着白色的组织区，经鉴别， 它包括马氏体和珠光体。F钢的组织中有较多的片层状珠光体；局部铁素体的晶界处有少量马 氏体。 透射电镜下组织结构研究的结果表明，H、A、J3种钢的组织结构为马氏体和含有较高位 ·519·

双相钢显微组织通常由铁素体和 马 氏体组成 。 于 年第一个在美国提 出双相 钢的专利 ‘ ，〕 。 由于双相钢强度和范性的 良好 匹配 ， 它除了可用于 冲压钢外 ， 近年来 已逐 步拓宽到非冲压领域闭 。 双相组织可通过热处理 或热 轧两类方法 获得 。 影响热轧态双相钢组织及性能的因素有合 金元素和轧制工艺 。 轧制工艺的制订需考虑合金元素的影 响 。 研究合金元素对热轧条件下获 得所需的双相组织和性能的影响是有意 义的 。 试验用钢和试验方法 试验用钢采用工业纯铁加碳 、 硅及金属锰 ， 经真空感应炉 冶炼得到 。 钢锭经 ℃ 加热 锻成 方坯 ， 再经 ℃ 加热开轧 ， ℃ 终轧成 招 的盘条 ， 轧后空冷 。 钢 的化学成分如表 所示 。 表 试验 用钢的化学成分 ， 户招 ， 化 学 成 分 钢代号 － ， 。 。 ， 。 ， 。 。 。 。 。 组织形貌观察在 一 扫描 电镜下进行 。 薄膜样 品在 一 透射 电镜下观察 ， 加 速 电压为 。 在光学显微镜下 ， 用计点法测定 了 轧态组织 中马 氏体体积 百分数 。 拉伸试验在 巧一 液压伺服拉伸试验机上进行 。 试样直径 ， 标距长度 ， 应变速率 。 试验结果 试验用钢的热轧态组织 试验用钢热 轧态组织如 图 所示 。 其 中 、 、 分别为 钢 、 钠和 钢的组织 。 这 种钢的显微组织均为铁素体加马 氏体 。 从图中暗色的铁素体基体 中可看到 等轴状铁素体 的 晶界 。 图 为 钢的组织 。 该钢 的组织 为铁素体基体上分布着 白色 的组织区 ， 经鉴别 ， 它包括马 氏体和珠光体 。 钢的组织 中有较多 的片层状珠光体 局 部铁素体的 晶界处有少量马 氏体 。 透射 电镜下组织结构研 究的结果表 明 ， 、 、 种钢的组织结构为马 氏体和含有较高位 · ·

图1试验用钢的热轧态显微组织(SEM)、1%HNO,CH5OH溶液浸蚀 (a)H钢(2.42%Mn);(b)A翻(2.22%Mn):(c)J钢(2.09%Mn):(d)G银(1.79%Mn) Fig.1 Microstructure of as-hot-rolled steels (SEM) 错密度的铁素体。组织中马氏体岛区的亚结构为内孪晶型马氏体和位错板条型马氏体并存， 如图2(a)、(b)、(c)。由图2(b)、(c)可以看到一个马氏体岛区由几个微区组成，微区分 别为内孪晶马氏体微区和位错板条马氏体微区，它们在岛区内相间排列。上述3种钢在透射 电镜下没观察到非马氏体型相变产物珠光体。G钢和F钢中则有一定量的非马氏体型转变产 物珠光体，图2()中部显示出F钢组织中的珠光体。由于F钢锰含量较少，相对来说，它 比G钢中珠光体的量要多。 H、A、J3种钢热轧态组织中马氏体体积百分数与锰含量的关系如图3所示（图中各点置 信度为94.5%)。 2.2试验钢轧态的力学性能 试验钢轧态的拉伸力学性能参数如表2所示。工程应力一应变曲线（部分段）如图4所 示。 ·520·

蒸戮 馨鬓薰翼 图 试验用 钢 的热 轧态 显 微 组 织 ， 饥 一 溶液 浸蚀 钢 钢 钢 钢 一 一 错 密度 的铁 素体 。 组织 中马 氏体 岛区的亚结构 为 内孪 晶型 马 氏体 和 位错 板 条 型 马 氏体并存 ， 如 图 、 、 。 由图 、 可 以看到 一个 马 氏体 岛区 由儿个微 区组成 ， 微 区分 别为 内孪晶马 氏体微 区和 位错板条 马 氏体微 区 ， 它 们在 岛区 内相 间排列 。 上述 种钢在透射 电镜下没观察到 非马 氏体型相 变产物珠光体 。 钢和 钢 中则有一定量 的非马 氏体型转 变产 物 珠光体 ， 图 中部显示 出 钢组织 中的珠光体 。 由于 钢锰 含量较少 ， 相对 来说 ， 它 比 钢 中珠光体 的量要 多 。 、 、 种钢热轧态组织 中马 氏体体积 百分数 与锰 含 量的关 系如 图 所示 图 中各点置 信度为 。 试验钢轧态的力学性能 试验钢轧 态 的拉伸力学性 能参数如表 所示 。 工 程应力 一 应变 曲线 部分段 如 图 魂所 · ·

☒2试验用钢的热轧态显微组织 (TEM) (a》H钢：(b)A钢： (c)J钢；(d)F钢 Fig.2 Microstructure of as-hot-rolled steels (TEM) 表2试验钢轧态的力学性能参数和组织类型 Table 2 Microstructure kinds and mechanical properties of as-hot-rolled steels 00.z 2 610 组织 钢代号 (MPa) (MPa) de (%) (%) 类型 639.9526.8 0.82 25.6 68.3 0.17 F+P+M ·5 G 733.6654.5 0.89 24.4 71-7 0.16 F+M+P F+M 760.5581.1 0.76 20.9 66.9 0.17 Vm=12.9% F+M A 1116.2666.5 0.59 16.2 47.0 0.23 0.13 Vm=34.7% F+M H 1180.3621.00.53 14.9 47.2 0.24 0.12 m=40.9% 从图3中可以看出，H钢和A钢无屈服延伸，呈现出双相钢典型的拉伸曲线特征。G钢 ·521·

撇薰薰薰薰 翼薰薰篡薰蘸薰 图 试 验用 钢 的热 轧 态 显 微 组 织 钢 钢 钢 钢 一 一 表 试验 钢轧态的 力学性能参数和组织类型 一 一 钢代号 援 乙一。 早石 丫 、 ， ， 十 十 一 一 一 。 一 从 图 中可 以看 出 ， 钢和 钢无屈 服 延伸 ， 呈现 出双相钢典 型 的拉伸 曲线特征 。 钢 · ·

和F钢均有明显的物理屈服，屈服延伸很长，有上、下屈服点，这些特征与马氏体加铁素体 双相钢的拉伸应力一应变曲线迥然不同。J钢的应力一应变曲线上有微小的屈服延伸，但无明 显的屈服平台，可看作是介于H钢（或A钢）和G钢（或F钢）两种拉伸曲线之间的过渡形 态。 40 1000 800 600 20 400 200 0 .052.152.252.52.45 0 8101214161B CMn)/% e/ 图3马氏体体积百分数与锰含量的关系（热轧态） 图4试验用朝的工程应力一应变曲线 Fig.3 Relationship between volume percent Fig.4 Engineering stress-strain curves of martensite and manganese content of steels of as-hot-rolled experimental steels 3 讨 论 试验用钢的锰含量从1.35%变化到2.42%。在本研究选定的热轧条件和轧材尺寸条件 下，钢中锰含量为1.79%时，轧态组织中即出现非马氏体型转变产物珠光体；当锰含量低至 1.35%时，轧态组织主要为铁素体加珠光体。这一结果表明，锰含量与组织类型密切相关。锰 在此类钢中的主要作用是推迟过冷奥氏体转变，有效地提高淬透性3)。锰不但影响双相组织 的类型，而且影响第二相马氏体的体积百分数。由于热轧态双相钢中马氏体是由析出先共析 铁素体后的奥氏体转变而来，因而，钢中锰含量越多，先共析铁素体析出越迟，在一定冷速 下，马氏体量也就越多。 锰对试验钢力学性能的影响，实质上是锰对组织影响的结果。试验用钢锰含量对轧态组 织中马氏体量的影响如图3所示。反映出的热轧钢的抗拉强度和伸长率与钢中锰含量的关系， 如图5所示。 拉伸试验的结果表明，当钢中锰含量由多向少变化时，拉伸应力一应变曲线表现为从无 物理屈服变为有明显的屈服平台。双相钢的初始屈服特征主要依赖于铁素体中的位错。热轧 双相钢铁素体中的位错，主要由马氏体相变的应变诱发产生。如果组织中有大量的珠光体，那 么，铁素体中位错的密度将大大降低。研究表明”，双相钢拉伸时发生连续屈服需满足两个条 件：(1)必须有足够量的可动位错，即可动位错密度必须超过发生连续屈服所需的临界值。 Sherman A M等c提出，铁素体中平均位错密度与马氏体体积百分数成线性关系。因此，要获 ·522·

和 钢均 有 明显 的物理屈服 ， 屈 服延伸很长 ， 有上 、 下屈服点 ， 这些特征与马 氏体加铁素体 双相钢 的拉伸应力 一 应变曲线迥然不同 。 钢的应力 一 应变 曲线上有微小的屈 服延伸 ， 但无明 显 的屈 服平台 ， 可看作是介于 钢 或 钢 和 钢 或 钢 两种拉伸曲线之 间的过 渡形 态 。 ’ 。 协 。 ， 了、 〕 蛋、 。 ‘ 少斗共二司司 。 ‘ 之淤 ‘ ’ 一、 一 一 一兴三二立二匕二二三 。 ，二之代二户产尸二一一尸一甲一，一 屏 十 曰︼︸ 姻 声十 芝几口 “ 厂一 了 图 马 氏体体积百 分数与锰含量的关系 热轧态 扭 明 址 吧 图 讼 · 试验 用 钢的工程 应 力一 应变曲线 加 一 印 脚 姗 一 一 加 团 讨 论 试验用钢 的锰含量从 变化到 。 在本研究选定 的热轧条件和 轧材尺寸条件 下 ， 钢 中锰含量为 时 ， 轧态组织 中即出现非马 氏体型转变产物珠光体 当锰含量低 至 时 ， 轧态组织主要为铁素体加珠光体 。 这一结果表明 ， 锰含量与组织类型 密切相关 。 锰 在此类钢 中的主要 作用是推迟过冷奥 氏体转变 ， 有效地提高淬透性 〔 、 ‘ 〕 。 锰不但影 响双相组 织 的类型 ， 而且影 响第二相马 氏体的体积百分数 。 由于热轧态双相钢 中马 氏体是 由析 出先共析 铁素体后 的奥氏体转变而来 ， 因而 ， 钢 中锰含量越多 ， 先共析铁素体析 出越迟 ， 在一定冷速 下 ， 马 氏体量也就越多 。 锰对试验钢力学性能的影 响 ， 实质上是锰对组织影 响的结果 。 试验用钢锰含量对轧态组 织中马 氏体量的影响如图 所示 。 反 映 出的热轧钢 的抗拉强度和 伸长率与钢 中锰含量 的关系 ， 如图 所示 。 拉伸试验的结果表明 ， 当钢 中锰含量 由多向少变化时 ， 拉伸应力 一 应变曲线表现 为从无 物理屈 服变为有明显 的屈服平 台 。 双相钢的初始屈服特征主要依赖于铁素体中的位错 。 热轧 双相钢铁素体中的位错 ， 主要 由马 氏体相变的应变诱发产生 。 如果组织 中有大量 的珠光体 ， 那 么 ， 铁素体中位错 的密度将大大降低 。 研究表 明〔幻 ， 双相钢拉伸时发生连续屈服需满足 两个条 件 必须有足够量的可动位错 ， 即可动位错密度必 须超过发生连续屈 服所需 的临界值 。 等旧提出 ， 铁素体 中平均位错密度与马 氏体体积百分数成线性关系 。 因此 ， 要 获 · ·

得一定量的位错密度，必须具有一定的马氏体 量。试验用J钢出现非连续屈服，可能是由于马 氏体量少，在铁素体中诱发的位错密度达不到 1200 26 所需的临界值所致。(2)铁素体中的位错必须 是可动的。由于试验钢在室温长期放置（近1星0 年)，长时间的室温时效，可能造成间隙原子向。 位错周围扩散，使可动位错钉扎。H钢和A钢， 800 78 由于马氏体量很多，可动位错密度很大，时效 600L 过程中即使有部分位错被钉扎，也并没改变其 1.401.601.802.002.102.20 [Mn]/ 连续屈服特征。J钢则不同，由于马氏体量不 多，可动位错密度相对来说不大，如果有部分 图5试验用钢抗拉强度(c)和伸长率(6) 位错被钉扎，则可动位错的数目将达不到连续 与钢中锰含量的关系 屈服要求的临界值，从而出现非连续屈服)。 Fig.5 Effect of manganese content of steels on the (and (e) 4结 论 (1)试验用钢锰含量为1.79%时，透射电 镜观察，轧态组织中出现珠光体。拉伸应力一应变曲线有明显的物理屈服。锰含量越低 (1.35%),珠光体量越多，屈服平台越长。 (2)试验钢锰含量越高，马氏体量越多。锰含量高于2.09%时，轧态组织中不出现珠光· 体。 (3)试验钢热轧态组织中的马氏体岛区，由几个微区组成，这些微区分别为内孪晶型马 氏体微区和位错板条型马氏体微区。 参考文献 1 McFarland W H.US Patent,No.3378 360,1968 2 Nakagawa A H,Thomas G.Metall Trans,1985,16A (5):831 3章守华.合金钢.北京：冶金工业出版社，1980,30 4 Hashiguchi K,Nishida M,Kata T,Tanaka T.Steel Technical Report,1980,(1):70 5 Sherman A M,Davies R G,Donlou W T.Fundamentals of Dual-Phase Steels,Edt.by Kot R A,et al.New York:TMS/AIME,1981,85 6李胜利.硕士论文，北京科技大学资料室，1990 ·523·

矍石。 仙 毛留 得一定量的位错密度 ， 必须具有一定 的马 氏体 量 。 试验用 钢出现 非连续屈服 ， 可能是 由于 马 氏体量少 ， 在铁素体中诱发的位错密度达不到 所需 的临界值所致 。 铁素体 中的位错必须 是 可动 的 。 由于试验钢在 室温长 期放置 近 年 ， 长 时间的室温 时效 ， 可能造成间隙原子向 位错周 围扩散 ， 使可动 位错钉扎 。 钢和 钢 ， 由于 马 氏体量很多 ， 可动位错密度很大 ， 时效 过程 中即使有部分位错被钉扎 ， 也并没改变其 连续屈 服特征 。 钢则 不 同 ， 由于 马 氏体量不 多 ， 可动位错 密度相对来说不大 ， 如果有部分 位错被钉扎 ， 则可动位错的数 目将达不到连续 屈 服要求的临界值 ， 从而 出现非连续屈服〔 “ 。 。 ‘二二卫击 如 」一 一 司 洲汁升丫卜奋一一 产 。 。 〔州 〕 邝 图 试验用钢抗拉强度 几 和 伸长率 。 与钢 中锰含量的关系 地 沈 幻 峨 昌仪” 加 如 。 结 论 试验用钢锰含量为 时 ， 透射电 镜 观 察 ， 轧 态组 织 中出现 珠 光体 。 拉伸 应 力 一 应 变 曲线有 明显 的 物理 屈服 。 锰 含量 越低 ， 珠光体量越多 ， 屈 服平台越长 。 试验钢锰含量越高 ， 马 氏体量越多 。 锰含量高于 时 ， 轧态组织 中不 出现珠光 体 。 试验钢热轧态组织 中的马 氏体岛区 ， 由几个微区组成 ， 这些微区分别为 内孪晶型 马 氏体微区和位错板条型 马 氏体微 区 。 一 参 考 文 献 妞 ， ， 陇 ， 七公山 ， ， 章守华 合金钢 北京 冶金工业 出版社 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 血 一 ， 列 ， ， ， 李胜利 硕士论文 ， 北京科技大学资料室 ， · ·