刘洪波等：铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AN析出行为的影响 ·1009· increases to 1.59%,the precipitation temperature of AlN is 42 C higher than the liquidus temperature of the TWIP steel.Further- more,precipitated AlN inclusions in the liquid TWIP steel could act as heterogeneous nuclei for MnS(Se)inclusions,thus forming MnS(Se)-AlN inclusions.Moreover,according to the thermodynamics calculation,the lowest N content for AlN formation in the liq- uid Fe-18.21%Mn-0.64%C-1.59%Al steel is just 0.0043%.Therefore,the N content should be kept as low as possible to avoid the formation of excessive AlN inclusions during melting of Fe-Mn-C(-Al)TWIP steel. KEY WORDS TWIP steel;aluminum content:inclusions;thermodynamics:precipitation behaviors TWIP(twinning induced plasticity steel)钢也叫做 通过对TWP钢热塑性的研究，发现AIN在奥氏体晶 孪晶诱导塑性钢，是一种具有高强度和高塑性的汽车 界处析出，严重恶化了试样的铸态热塑性.Kang等a网 用钢，同时还具有高的能量吸收能力，没有低温脆性转 对Fe-0.6C-(15~22)Mn-(0.005-0.023)N-(< 变温度，是一种安全、减重和节能的理想汽车用结构材 0.005,1.5)A1高锰TWIP钢的铸态热塑性进行了实验 料.对于Fe-Mn-C-Al系TWIP钢，其化学成分主 分析，根据金相实验结果，研究发现由AlN和MS夹 要是Fe中添加质量分数18%的Mn和0.6%的C,并 杂物形成的第二相粒子是TWIP钢塑形恶化的主要原 加入一定含量的AL.Idrissi等研究发现层错能 因.但是，关于不同A1含量对TWIP钢中AlN夹杂析 (stacking fault energ)是合金材料的一个重要物理特 出行为影响的研究却鲜有报道.因此，有必要对AN 性，直接影响材料的力学性能、位错交滑移、相稳定性 夹杂在Fe-MnC-Al系TWIP钢中的析出行为进行深 等.TWP效应的产生与奥氏体的层错能有重要关系 入分析，这对高锰TWIP钢在生产过程中夹杂物控制 在给定的变形温度下，层错能只取决于化学成分切. 具有指导意义和实用价值. TWIP钢中，一般是通过提高Mn和Al的含量来提高 在本文中，应用扫描电镜、X射线能谱分仪析以及 其堆垛层错能，从而产生TWP效应四.但是，钢中较 扫描电镜中配置的夹杂物自动扫描统计软件(NCAF- 高的Mn和Al含量较易生成AlN、AL,O,、MnS等夹 ealure)对在0.002%~1.59%范围内四种不同Al质量 杂物 分数的Fe-MnC-Al系TWIP钢中夹杂物进行了定量 Gigacher等网结合扫描电镜+能谱分析对铸态下 化分析，并采用了最新适合高锰高铝TWP钢的热力 的Fe-(15~25)Mn3Al3Si系TWIP钢中夹杂物进行 学参数对钢中AN夹杂物进行了系统的热力学分析. 分析，发现TWIP钢中主要夹杂物类型（个数比例）为 在此基础上，研究分析了不同Al含量对Fe-MnC-Al Mn0-Al203-AlN(40%)、Mn0-Al20,-MnS(10%)、 系TWP钢中夹杂物，特别是对AlN夹杂物演变规律 Mn0-AL,0,-AlN-MnS(30%)和单相的AlN(14%). 的影响 Park等在此基础上通过对不同Mn和Al含量的Fe一 1研究方法 Mn一Al系的高锰高铝钢中的夹杂物进行实验研究分 析，发现钢中存在大量单独的A,0,夹杂、聚集成块的 1.1实验材料 Al(O)N以及一些Mns(Se)与AIN伴生的复合夹杂， 采用北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的 并且随着Mn含量的提高，MnS(Se)夹杂在钢中夹杂 50kg中频真空感应炉分别治炼四组不同A!含量的 物所占比例铸件提高：随着熔化时间的增加，聚集成块 Fe-I8Mn0.6C一xAl系TWIP钢.治炼的具体步骤是 的Al(O)N所占比例也逐渐增加.Xin等@对含有不 先以工业纯铁、电解锰和纯碳棒为主要原料配置熔化 同Al含量的FeH6 Mn-xAl0.6C高锰TWIP钢中的夹 料20kg,在真空条件下熔化升温至1600℃.待物料熔 杂物的定量表征，在此基础上采用Factsage热力学计 清后，通过二级料仓加入不同含量纯A!块，在电磁搅 算软件对钢中夹杂物平衡析出温度进行了计算，研究 拌条件下保温3min,待温度成分均匀后浇铸.四组实 发现随着钢中1质量分数从0.002%提高到2.1%， 验所取得的铸态TWP钢实测成分如表1所示. TWIP钢中主要夹杂物的演变规律为Mn0→Al,O,/ 1.2夹杂物取样及表征 MnS→MnS→AN.然而，在其热力学分析中未考虑到 将TWIP钢铸锭去掉冒口后，沿中心纵，然后在 现有热力学参数是不适用于高合金钢中夹杂物热力学 纵剖后的铸锭上进行取样，取样位置如图1所示.在 分析的1-四，同时也缺少对钢中主要夹杂物AN的表 各自铸锭不同高度的中心和直径1/4和边缘处共取9 征与分析. 个试样进行夹杂物分析，样品分别标记为H1~3、 Yin四、Kaushik等、Liu等的和Vedani等a研 M1~3和L1~3.另外，为避免由于宏观偏析导致钢中 究发现高A1钢中的主要夹杂物是AN,高A1钢中AN 成分分布不均，分别在H1、M1和L1下部钻屑取样，然 的析出比普通Al镇静钢容易的多.另外，Kang等D7 后进行化学成分分析，最终取其平均值作为钢中各元刘洪波等: 铝含量对 TWIP 钢中夹杂物特征及 AlN 析出行为的影响 increases to 1. 59% ，the precipitation temperature of AlN is 42 ℃ higher than the liquidus temperature of the TWIP steel． Further￾more，precipitated AlN inclusions in the liquid TWIP steel could act as heterogeneous nuclei for MnS( Se) inclusions，thus forming MnS( Se) --AlN inclusions． Moreover，according to the thermodynamics calculation，the lowest N content for AlN formation in the liq￾uid Fe--18. 21% Mn--0. 64% C--1. 59% Al steel is just 0. 0043% ． Therefore，the N content should be kept as low as possible to avoid the formation of excessive AlN inclusions during melting of Fe--Mn--C( --Al) TWIP steel． KEY WOＲDS TWIP steel; aluminum content; inclusions; thermodynamics; precipitation behaviors TWIP( twinning induced plasticity steel) 钢也叫做 孪晶诱导塑性钢，是一种具有高强度和高塑性的汽车 用钢，同时还具有高的能量吸收能力，没有低温脆性转 变温度，是一种安全、减重和节能的理想汽车用结构材 料［1--5］． 对于 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢，其化学成分主 要是 Fe 中添加质量分数 18% 的 Mn 和 0. 6% 的 C，并 加入 一 定 含 量 的 Al． Idrissi 等［6］ 研究发现层错能 ( stacking fault energy) 是合金材料的一个重要物理特 性，直接影响材料的力学性能、位错交滑移、相稳定性 等． TWIP 效应的产生与奥氏体的层错能有重要关系． 在给定的变形温度下，层错能只取决于化学成分［7］． TWIP 钢中，一般是通过提高 Mn 和 Al 的含量来提高 其堆垛层错能，从而产生 TWIP 效应［2］． 但是，钢中较 高的 Mn 和 Al 含 量 较 易 生 成 AlN、Al2 O3、MnS 等夹 杂物． Gigacher 等［8］结合扫描电镜 + 能谱分析对铸态下 的 Fe--( 15 ～ 25) Mn--3Al--3Si 系 TWIP 钢中夹杂物进行 分析，发现 TWIP 钢中主要夹杂物类型( 个数比例) 为 MnO--Al2 O3 --AlN ( 40% ) 、MnO--Al2 O3 --MnS ( 10% ) 、 MnO--Al2O3 --AlN--MnS( 30% ) 和单 相 的 AlN( 14% ) ． Park 等［9］在此基础上通过对不同 Mn 和 Al 含量的 Fe-- Mn--Al 系的高锰高铝钢中的夹杂物进行实验研究分 析，发现钢中存在大量单独的 Al2O3夹杂、聚集成块的 Al( O) N 以及一些 MnS( Se) 与 AlN 伴生的复合夹杂， 并且随着 Mn 含量的提高，MnS( Se) 夹杂在钢中夹杂 物所占比例铸件提高; 随着熔化时间的增加，聚集成块 的 Al( O) N 所占比例也逐渐增加． Xin 等［10］对含有不 同 Al 含量的 Fe--16Mn--xAl--0. 6C 高锰 TWIP 钢中的夹 杂物的定量表征，在此基础上采用 Factsage 热力学计 算软件对钢中夹杂物平衡析出温度进行了计算，研究 发现随着钢中 Al 质量分数从 0. 002% 提高到 2. 1% ， TWIP 钢中主要夹杂物的演变规律为 MnO→Al2 O3 / MnS→MnS→AlN． 然而，在其热力学分析中未考虑到 现有热力学参数是不适用于高合金钢中夹杂物热力学 分析的［11--12］，同时也缺少对钢中主要夹杂物 AlN 的表 征与分析． Yin［13］、Kaushik 等［14］、Liu 等［15］和 Vedani 等［16］研 究发现高 Al 钢中的主要夹杂物是 AlN，高 Al 钢中 AlN 的析出比普通 Al 镇静钢容易的多． 另外，Kang 等［17］ 通过对 TWIP 钢热塑性的研究，发现 AlN 在奥氏体晶 界处析出，严重恶化了试样的铸态热塑性． Kang 等［18］ 对 Fe--0. 6C--( 15 ～ 22) Mn--( 0. 005 ～ 0. 023) N--( ＜ 0. 005，1. 5) Al 高锰 TWIP 钢的铸态热塑性进行了实验 分析，根据金相实验结果，研究发现由 AlN 和 MnS 夹 杂物形成的第二相粒子是 TWIP 钢塑形恶化的主要原 因． 但是，关于不同 Al 含量对 TWIP 钢中 AlN 夹杂析 出行为影响的研究却鲜有报道． 因此，有必要对 AlN 夹杂在 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢中的析出行为进行深 入分析，这对高锰 TWIP 钢在生产过程中夹杂物控制 具有指导意义和实用价值． 在本文中，应用扫描电镜、X 射线能谱分仪析以及 扫描电镜中配置的夹杂物自动扫描统计软件( INCAF￾eature) 对在 0. 002% ～ 1. 59% 范围内四种不同 Al 质量 分数的 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢中夹杂物进行了定量 化分析，并采用了最新适合高锰高铝 TWIP 钢的热力 学参数对钢中 AlN 夹杂物进行了系统的热力学分析． 在此基础上，研究分析了不同 Al 含量对 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢中夹杂物，特别是对 AlN 夹杂物演变规律 的影响． 1 研究方法 1. 1 实验材料 采用北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的 50 kg 中频真空感应炉分别冶炼四组不同 Al 含量的 Fe--18Mn--0. 6C--xAl 系 TWIP 钢． 冶炼的具体步骤是 先以工业纯铁、电解锰和纯碳棒为主要原料配置熔化 料 20 kg，在真空条件下熔化升温至 1600 ℃ ． 待物料熔 清后，通过二级料仓加入不同含量纯 Al 块，在电磁搅 拌条件下保温 3 min，待温度成分均匀后浇铸． 四组实 验所取得的铸态 TWIP 钢实测成分如表 1 所示． 1. 2 夹杂物取样及表征 将 TWIP 钢铸锭去掉冒口后，沿中心纵剖，然后在 纵剖后的铸锭上进行取样，取样位置如图 1 所示． 在 各自铸锭不同高度的中心和直径 1 /4 和边缘处共取 9 个试样进行夹杂物分析，样 品 分 别 标 记 为 H1 ～ 3、 M1 ～ 3 和 L1 ～ 3． 另外，为避免由于宏观偏析导致钢中 成分分布不均，分别在 H1、M1 和 L1 下部钻屑取样，然 后进行化学成分分析，最终取其平均值作为钢中各元 · 9001 ·