564. 工程科学学报，第41卷，第5期 (3)高温铁素体+奥氏体+铁素体/马氏体 生马氏体相变 A1质量分数超过3%，组织中可能出现粗大的 高温铁素体[s-8,1,B.17,20,2,2](如图5(d)）,即使在轧 4热处理工艺对性能的影响 制和退火之后也一直存在.比较0Al5Mn钢与 目前对中锰钢热处理工艺的研究有很多，主流 3Al5Mn中锰钢，后者的组织包含高温铁素体，Mn在 的热处理工艺有两种：临界退火(IA)和淬火回火 退火过程中从高温铁素体向奥氏体的配分要比从α (Q&T),此外还有配分热处理，多步配分工艺等热 铁素体向奥氏体的配分程度高，高温铁素体的硬度 处理工艺.研究人员重点研究了热处理保温温度、 和Mn含量均低于a铁素体，屈服强度随着退火温 保温时间和冷却速率等热处理因素的变化对中锰 度的升高而降低[24 钢力学性能的影响.通过调控各因素控制奥氏体 组织结构为奥氏体+δ-铁素体+马氏体 稳定性元素Mn和C在奥氏体中的富集，得到不同 (Fe-10.1Mn-6.3A-0.26C)的中锰钢，对其各 形态、比例、分布状态的奥氏体组织，进而得到不 相在变形过程中的应力分布研究发现，高温铁素体 同的性能.强塑积比较高的中锰钢热处理大部分 的硬度比较低，较快发生变形，尺寸较大的奥氏体主 是通过临界退火工艺得到的（如表1）.A1含量比 要发生TP效应，尺寸较小的奥氏体是退火过程 较高的中锰钢经过淬火+回火工艺也能得到很好 中在高温铁素体附近逆转变生成的，主要发生TWP 的力学性能[6] 效应. 4.1临界退火(IA) 大部分文献中含有高温铁素体组织的中锰钢体 临界退火是在奥氏体形成温度(Ac,)~奥氏体 现出很好的延性，也有研究发现冷变形过程中裂纹 转变完全温度(AC)之间进行退火后炉冷的热处理 会在高温铁素体内形核扩展，而当Mn质量分数超 方式，有两种途径可达到该退火温度s],(1)奥氏 过10%的时候由于发生TWIP效应缓解应力集中， 体化后冷却到临界温度保温，y→α的相变过程为奥 裂纹在高温铁素体内不再形核[s] 氏体正转变，反应非常慢：(2)快速冷却到室温后， (4)奥氏体+铁素体+马氏体 再从室温加热到两相区内进行临界退火温度保温， 发生的α'（马氏体）→γ相变反应快且降温到室温 例如对冷轧0.1C-7.1Mn钢选取不同临界温度 依然存在奥氏体相，此过程是奥氏体逆转变过程. 退火7d,得到的是铁素体、马氏体和残余奥氏体三 现在大部分研究采用的是升温保温的α'→γ的临界 相组织，且不同温度热处理各相的化学成分也不同. 退火模式.工艺如图6(a)所示，冷轧不是必须有的 推测化学成分是奥氏体稳定性的关键因素，较低温 步骤，轧后通过临界退火得到铁素体和奥氏体的双 度退火得到的奥氏体稳定性高且其应变硬化率低； 相结构. 较高温度退火奥氏体稳定性低，因为发生TRP效 热处理过程的加热速率对材料的组织性能影响 应导致应变硬化[53] (5)马氏体+奥氏体 很大[s6),fe-(5~9)Mn-0.05C中锰钢当加热速率 低于15℃·s1,晶界会出现渗碳体，α'→y的扩散 He等2]通过对中锰D&P钢(Fe-0.47C- 型逆转变就在渗碳体颗粒旁边发生，后形成Mn含 10Mn-2Al-0.47V)热轧+温轧+冷轧得到马氏体 量高、位错密度低的粒状组织：加热速率高于 和奥氏体组织.D&P钢通过多步变形和退火形成多 15℃·s1,不产生渗碳体，为非扩散型逆转变，形成 样化的板条双相组织，亚稳的奥氏体分布在马氏体 的长条状、高位错密度的奥氏体，含Mn量与回火马 基体中.此方法得到的材料强度高达2.2GPa,在达 氏体相近.因此为了得到稳定性较高的尺寸细化的 到屈服强度的时候位错大量开动，塑性远高于同等 球形奥氏体，有必要控制较低的加热速率. 级的高强钢 退火温度和退火时间会影响奥氏体成分、尺寸 Wang等29，]对Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C马 和形貌，这三个因素都会影响奥氏体稳定性.Gibbs 氏体时效钢研究发现，马氏体中分布着薄膜状的奥 等s]对7.1Mn0.1 C TRIP钢分别在600℃和650℃ 氏体，奥氏体晶粒越小越不稳定，这一现象与平时的 临界温度退火168h淬火得到铁素体+奥氏体组织 认知不同.分析发现较大的奥氏体晶粒回复后，在 和铁素体+马氏体+残余奥氏体的组织.两种退火 变形过程中发生TWIP效应，晶粒内变形的亚结构 温度淬火下来的组织不同，通过原位中子衍射的 反过来稳定晶粒提高机械稳定性.小的回复奥氏体 方法发现两种钢的变形机制都不同.650℃退火钢 晶粒，不容易发生TWP效应，很小的形变量下就发 的屈服是应力诱导相变占主导地位，抗拉强度工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 (3)高温铁素体 + 奥氏体 + 铁素体/ 马氏体. Al 质量分数超过 3% ,组织中可能出现粗大的 高温铁素体[5鄄鄄8,11,13,17,20,22,24] (如图 5(d)),即使在轧 制和 退 火 之 后 也 一 直 存 在. 比 较 0Al5Mn 钢 与 3Al5Mn 中锰钢,后者的组织包含高温铁素体,Mn 在 退火过程中从高温铁素体向奥氏体的配分要比从 琢 铁素体向奥氏体的配分程度高,高温铁素体的硬度 和 Mn 含量均低于 琢 铁素体,屈服强度随着退火温 度的升高而降低[24] . 组织 结 构 为 奥 氏 体 + 啄鄄鄄 铁 素 体 + 马 氏 体 (Fe鄄鄄10郾 1Mn鄄鄄6郾 3Al鄄鄄0郾 26C) [11] 的中锰钢,对其各 相在变形过程中的应力分布研究发现,高温铁素体 的硬度比较低,较快发生变形,尺寸较大的奥氏体主 要发生 TRIP 效应,尺寸较小的奥氏体是退火过程 中在高温铁素体附近逆转变生成的,主要发生 TWIP 效应. 大部分文献中含有高温铁素体组织的中锰钢体 现出很好的延性,也有研究发现冷变形过程中裂纹 会在高温铁素体内形核扩展,而当 Mn 质量分数超 过 10% 的时候由于发生 TWIP 效应缓解应力集中, 裂纹在高温铁素体内不再形核[52] . (4)奥氏体 + 铁素体 + 马氏体. 例如对冷轧 0郾 1C鄄鄄7郾 1Mn 钢选取不同临界温度 退火 7 d,得到的是铁素体、马氏体和残余奥氏体三 相组织,且不同温度热处理各相的化学成分也不同. 推测化学成分是奥氏体稳定性的关键因素,较低温 度退火得到的奥氏体稳定性高且其应变硬化率低; 较高温度退火奥氏体稳定性低,因为发生 TRIP 效 应导致应变硬化[53] . (5)马氏体 + 奥氏体. He 等[28] 通 过 对 中 锰 D&P 钢 (Fe鄄鄄 0郾 47C鄄鄄 10Mn鄄鄄2Al鄄鄄0郾 47V) 热轧 + 温轧 + 冷轧得到马氏体 和奥氏体组织. D&P 钢通过多步变形和退火形成多 样化的板条双相组织,亚稳的奥氏体分布在马氏体 基体中. 此方法得到的材料强度高达 2郾 2 GPa,在达 到屈服强度的时候位错大量开动,塑性远高于同等 级的高强钢. Wang 等[29,54]对 Fe鄄鄄9Mn鄄鄄3Ni鄄鄄1郾 4Al鄄鄄0郾 01C 马 氏体时效钢研究发现,马氏体中分布着薄膜状的奥 氏体,奥氏体晶粒越小越不稳定,这一现象与平时的 认知不同. 分析发现较大的奥氏体晶粒回复后,在 变形过程中发生 TWIP 效应,晶粒内变形的亚结构 反过来稳定晶粒提高机械稳定性. 小的回复奥氏体 晶粒,不容易发生 TWIP 效应,很小的形变量下就发 生马氏体相变. 4 热处理工艺对性能的影响 目前对中锰钢热处理工艺的研究有很多,主流 的热处理工艺有两种: 临界退火( IA) 和淬火回火 (Q&T),此外还有配分热处理,多步配分工艺等热 处理工艺. 研究人员重点研究了热处理保温温度、 保温时间和冷却速率等热处理因素的变化对中锰 钢力学性能的影响. 通过调控各因素控制奥氏体 稳定性元素 Mn 和 C 在奥氏体中的富集,得到不同 形态、比例、分布状态的奥氏体组织,进而得到不 同的性能. 强塑积比较高的中锰钢热处理大部分 是通过临界退火工艺得到的(如表 1) . Al 含量比 较高的中锰钢经过淬火 + 回火工艺也能得到很好 的力学性能[6] . 4郾 1 临界退火(IA) 临界退火是在奥氏体形成温度(Ac1 ) ~ 奥氏体 转变完全温度(Ac3 )之间进行退火后炉冷的热处理 方式,有两种途径可达到该退火温度[55] . (1)奥氏 体化后冷却到临界温度保温,酌寅琢 的相变过程为奥 氏体正转变,反应非常慢;(2) 快速冷却到室温后, 再从室温加热到两相区内进行临界退火温度保温, 发生的 琢忆(马氏体)寅 酌 相变反应快且降温到室温 依然存在奥氏体相,此过程是奥氏体逆转变过程. 现在大部分研究采用的是升温保温的 琢忆寅酌 的临界 退火模式. 工艺如图 6(a)所示,冷轧不是必须有的 步骤,轧后通过临界退火得到铁素体和奥氏体的双 相结构. 热处理过程的加热速率对材料的组织性能影响 很大[56] ,Fe鄄鄄(5 ~ 9)Mn鄄鄄0郾 05C 中锰钢当加热速率 低于 15 益·s - 1 ,晶界会出现渗碳体,琢忆寅酌 的扩散 型逆转变就在渗碳体颗粒旁边发生,后形成 Mn 含 量高、 位 错 密 度 低 的 粒 状 组 织; 加 热 速 率 高 于 15 益·s - 1 ,不产生渗碳体,为非扩散型逆转变,形成 的长条状、高位错密度的奥氏体,含 Mn 量与回火马 氏体相近. 因此为了得到稳定性较高的尺寸细化的 球形奥氏体,有必要控制较低的加热速率. 退火温度和退火时间会影响奥氏体成分、尺寸 和形貌,这三个因素都会影响奥氏体稳定性. Gibbs 等[57]对 7郾 1Mn0郾 1C TRIP 钢分别在 600 益 和 650 益 临界温度退火 168 h 淬火得到铁素体 + 奥氏体组织 和铁素体 + 马氏体 + 残余奥氏体的组织. 两种退火 温度淬火下来的组织不同,通过原位中子衍射的 方法发现两种钢的变形机制都不同. 650 益 退火钢 的屈服是应力诱 导 相 变 占 主 导 地 位,抗 拉 强 度 ·564·