杨永刚等：析出强化与孪晶强化在Fe-24Mn-3Si-3 AI TWIP钢退火过程中的作用机制 855 应变诱导产生形变李晶，会发生大的延伸，而具有优异 实验钢拉伸变形后的组织进行观察，并对组织中的物 的力学性能.TWP钢的力学性能受很多因素的影响， 相进行成分分析：采用SmartSEM软件的标尺工具测定 例如化学成分、合金含量和组织构成等，其中TWIP钢 组织中的析出相尺寸，每张组织照片下随机取不少于 的微观组织和性能受退火工艺影响很大.退火工艺对 15个析出相颗粒，测量其直径并取平均值作为析出相 TWP钢组织和性能的研究较多，但退火工艺下TWP 的平均直径.采用JEM-2010高分辨型透射电子显微 钢中碳化物析出及析出对力学性能影响的报道较少. 镜对实验钢拉伸变形后的组织进行进一步的观察分 Mi等研究了不同退火温度对25Mn0.01C-3Si-3A1 析，确定变形后组织中的析出相类型以及组织组成 TWP钢组织和力学性能的影响，发现屈服强度和抗拉 其中扫描电镜试样用体积分数为8%的硝酸乙醇溶液 强度均随退火温度的上升而下降，伸长率随着退火温 侵蚀，透射电镜样品采用体积分数为5%的高氯酸无 度的上升而提高：同时从层错能和精细李晶的角度分 水乙醇溶液为电解液电解双喷减薄.扫描电镜和透射 析了退火温度对力学性能的影响.张金栋因研究了 电镜工作电压分别为20kV和200kV. 20Mn0.03C-2Si-2A1TWIP钢在热轧和冷轧后不同 表1实验钢的化学成分（质量分数） 退火温度处理的微观组织和性能，并发现在热轧工艺 Table 1 Chemical compositions of investigated alloys 后随着退火温度的升高抗拉强度和屈服强度不同程度 C Mn Si Al Fe 的升高：在冷轧工艺后屈服强度和伸长率符合单调下 0.034 24.19 2.6 3.05 余量 降或上升的趋势，但抗拉强度出现了异常的情况，如退 火温度为800℃的抗拉强度高于750℃时的抗拉强度， 15 30 15 然而这一现象并未引起研究人员的重视.高永亮等回 研究了水韧处理工艺对23Mn-0.6C0.03Nb0.03T TWIP钢的微观组织和力学性能的影响，发现抗拉强度 25 5 和伸长率符合随着水韧处理加热温度的上升而单调下 单位：mm 降或上升的趋势，但700℃的屈服强度明显高于600℃ 图1拉伸试样尺寸示意图 的屈服强度，并提出这一现象可能是碳化物的析出导 Fig.1 Schematic diagram of specimen size 致，但未进行深入的分析研究.Kang等切研究了退火 再结晶过程碳化物的析出、微观组织和性能的变化，但 2 结果及分析 未对退火时间以及孪晶影响进行分析.因此，除了退 2.1力学性能 火后的晶粒尺寸影响Fe一Mn-AI TWIP钢的力学性能 图2为实验用TIP钢在不同退火温度下保温 之外，碳化物的析出也会影响TWP钢的性能.本文着 10min和20min的力学性能演变图.由图2可以看出： 重研究了Fe-24Mn-3Si3 Al TWIP钢在不同退火工艺 在保温时间为l0min时，随退火温度的升高，屈服强度 下的力学性能及强化机制：并结合扫描电镜、透射电镜 和抗拉强度先上升后下降，总伸长率先下降后上升，其 和能谱仪对李晶效应、碳化物析出进行观察分析，从而 中在800℃保温10min(退火工艺G,)时，试样的屈服 得出不同工艺下力学性能波动的原因，为实际生产中 强度和抗拉强度明显高于700℃，800℃总伸长率出现 TWIP钢的综合性能优化提供了参考. 较为明显的下降趋势：在保温时间为20min时，随退火 温度的升高，抗拉强度先下降后上升最后再下降，屈服 实验材料及方法 强度单调下降，在退火温度为900℃保温20min(退火 实验用TWP钢采用电磁感应炉真空熔炼，氩气 工艺G2)时，试样的抗拉强度高于800℃下的抗拉强 气氛保护，浇铸成锭.化学成分如表1所示.铸锭切成 度，同时屈服强度的下降趋势明显减弱.然而大部分 80mm×80mm×70mm进行锻造，其具体工艺为：1050 学者的同类实验并未出现此现象，其他学者的研究得 ℃保温60min,终锻温度在900℃，锻造成中24mm× 出的一般结论为：随着退火温度的上升，屈服强度和抗 100mm的棒材.锻造后进行退火处理，退火温度分别 拉强度单调下降，伸长率单调增加.0.一般情况 为：700、800、900和1000℃：退火时间为10min和20 下，随着退火温度的升高，TWP钢会产生回复、再结 min,退火后空冷至室温.按照国标GB/T228.1一 晶。晶粒由畸变态转变为等轴的无畸变态，从而畸变 2010采用线切割切取棒材拉伸试样（试样尺寸如图1 能得以释放，晶粒会产生软化效应，进而屈服强度和抗 所示)，并在CMT5105型拉伸试验机上进行力学性能 拉强度下降，伸长率会上升：随着温度的进一步升高， 测试.从拉伸后试样的断口处线切割制取扫描、透射 无畸变态的晶粒会继续长大，软化效应将更加显著 电镜试样.通过配有能谱仪模块的扫描电镜(SEM)对 而本实验中TWP钢力学性能的波动却不符合常规规杨永刚等: 析出强化与孪晶强化在 Fe--24Mn--3Si--3Al TWIP 钢退火过程中的作用机制 应变诱导产生形变孪晶，会发生大的延伸，而具有优异 的力学性能． TWIP 钢的力学性能受很多因素的影响， 例如化学成分、合金含量和组织构成等，其中 TWIP 钢 的微观组织和性能受退火工艺影响很大． 退火工艺对 TWIP 钢组织和性能的研究较多，但退火工艺下 TWIP 钢中碳化物析出及析出对力学性能影响的报道较少． Mi 等［4］研究了不同退火温度对 25Mn--0. 01C--3Si--3Al TWIP 钢组织和力学性能的影响，发现屈服强度和抗拉 强度均随退火温度的上升而下降，伸长率随着退火温 度的上升而提高; 同时从层错能和精细孪晶的角度分 析了退火温度对力学性能的影响． 张金栋［5］ 研究了 20Mn--0. 03C--2Si--2Al TWIP 钢在热轧和冷轧后不同 退火温度处理的微观组织和性能，并发现在热轧工艺 后随着退火温度的升高抗拉强度和屈服强度不同程度 的升高; 在冷轧工艺后屈服强度和伸长率符合单调下 降或上升的趋势，但抗拉强度出现了异常的情况，如退 火温度为800 ℃的抗拉强度高于750 ℃时的抗拉强度， 然而这一现象并未引起研究人员的重视． 高永亮等［6］ 研究了水韧处理工艺对 23Mn--0. 6C--0. 03Nb--0. 03Ti TWIP 钢的微观组织和力学性能的影响，发现抗拉强度 和伸长率符合随着水韧处理加热温度的上升而单调下 降或上升的趋势，但700 ℃的屈服强度明显高于600 ℃ 的屈服强度，并提出这一现象可能是碳化物的析出导 致，但未进行深入的分析研究． Kang 等［7］研究了退火 再结晶过程碳化物的析出、微观组织和性能的变化，但 未对退火时间以及孪晶影响进行分析． 因此，除了退 火后的晶粒尺寸影响 Fe--Mn--Al TWIP 钢的力学性能 之外，碳化物的析出也会影响 TWIP 钢的性能． 本文着 重研究了 Fe--24Mn--3Si--3Al TWIP 钢在不同退火工艺 下的力学性能及强化机制; 并结合扫描电镜、透射电镜 和能谱仪对孪晶效应、碳化物析出进行观察分析，从而 得出不同工艺下力学性能波动的原因，为实际生产中 TWIP 钢的综合性能优化提供了参考． 1 实验材料及方法 实验用 TWIP 钢采用电磁感应炉真空熔炼，氩气 气氛保护，浇铸成锭． 化学成分如表 1 所示． 铸锭切成 80 mm × 80 mm × 70 mm 进行锻造，其具体工艺为: 1050 ℃保温 60 min，终锻温度在 900 ℃，锻造成 24 mm × 100 mm 的棒材． 锻造后进行退火处理，退火温度分别 为: 700、800、900 和 1000 ℃ ; 退火时间为 10 min 和 20 min，退火后空冷至室温． 按 照 国 标 GB / T228. 1 ― 2010 采用线切割切取棒材拉伸试样( 试样尺寸如图 1 所示) ，并在 CMT 5105 型拉伸试验机上进行力学性能 测试． 从拉伸后试样的断口处线切割制取扫描、透射 电镜试样． 通过配有能谱仪模块的扫描电镜( SEM) 对 实验钢拉伸变形后的组织进行观察，并对组织中的物 相进行成分分析; 采用 SmartSEM 软件的标尺工具测定 组织中的析出相尺寸，每张组织照片下随机取不少于 15 个析出相颗粒，测量其直径并取平均值作为析出相 的平均直径． 采用 JEM--2010 高分辨型透射电子显微 镜对实验钢拉伸变形后的组织进行进一步的观察分 析，确定变形后组织中的析出相类型以及组织组成． 其中扫描电镜试样用体积分数为 8% 的硝酸乙醇溶液 侵蚀，透射电镜样品采用体积分数为 5% 的高氯酸无 水乙醇溶液为电解液电解双喷减薄． 扫描电镜和透射 电镜工作电压分别为 20 kV 和 200 kV． 表 1 实验钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of investigated alloys % C Mn Si Al Fe 0. 034 24. 19 2. 6 3. 05 余量 图 1 拉伸试样尺寸示意图 Fig． 1 Schematic diagram of specimen size 2 结果及分析 2. 1 力学性能 图 2 为实验用 TWIP 钢在不同退火温度下保温 10 min和 20 min 的力学性能演变图． 由图 2 可以看出: 在保温时间为 10 min 时，随退火温度的升高，屈服强度 和抗拉强度先上升后下降，总伸长率先下降后上升，其 中在 800 ℃保温 10 min( 退火工艺 G1 ) 时，试样的屈服 强度和抗拉强度明显高于 700 ℃，800 ℃总伸长率出现 较为明显的下降趋势; 在保温时间为 20 min 时，随退火 温度的升高，抗拉强度先下降后上升最后再下降，屈服 强度单调下降，在退火温度为 900 ℃ 保温 20 min( 退火 工艺 G2 ) 时，试样的抗拉强度高于 800 ℃ 下的抗拉强 度，同时屈服强度的下降趋势明显减弱． 然而大部分 学者的同类实验并未出现此现象，其他学者的研究得 出的一般结论为: 随着退火温度的上升，屈服强度和抗 拉强度单调下降，伸长率单调增加［4，8--10］． 一般 情 况 下，随着退火温度的升高，TWIP 钢会产生回复、再结 晶． 晶粒由畸变态转变为等轴的无畸变态，从而畸变 能得以释放，晶粒会产生软化效应，进而屈服强度和抗 拉强度下降，伸长率会上升; 随着温度的进一步升高， 无畸变态的晶粒会继续长大，软化效应将更加显著． 而本实验中 TWIP 钢力学性能的波动却不符合常规规 · 558 ·