含磷和钒热轧TRIP钢组织控制及力学性能研究

侯晓英，许云波，王业勤，吴 迪

(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳110819，E-mail:houxiaoyinghou@126.com; 2.山东莱芜钢铁集团公司，山东莱芜271104)

含磷和钒热轧TRIP钢组织控制及力学性能研究

侯晓英1，许云波1，王业勤2，吴 迪1

(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳110819，E-mail:houxiaoyinghou@126.com; 2.山东莱芜钢铁集团公司，山东莱芜271104)

为探讨含磷和钒热轧TRIP钢的组织控制和力学性能，采用不同变形温度(900和800℃)，研究其相变行为，并在此基础上进行热轧试验.研究表明：随着冷速增加，变形温度对铁素体相变开始温度(Ar3)的影响逐渐增大;相同冷速条件下，变形使贝氏体相变开始温度(Bs)升高;变形对贝氏体相变的促进作用，随着变形温度的降低而减弱.终轧温度800℃，试验钢组织由多边形铁素体、粒状贝氏体和一定量的残余奥氏体组成，综合力学性能优异：RP0.2=455 MPa;Rm=930 MPa;δ=21.7%;n=0.23;r=0.84.

热轧TRIP钢;磷和钒;相变行为;显微组织;力学性能

目前，汽车正向轻量化、节能和低成本方向发展，采用高强钢板是适应这种发展趋势所采取的主要措施.在高强钢中，TRIP钢不但具有高的强度，还具有良好的断后延伸率，为解决强度和塑性的矛盾提供了方向，而成为汽车用钢板的一大热点.传统TRIP钢中元素Si的含量(质量分数)通常在1.5% ～2.0%［1－2］，为了改善由于较高的Si含量而引起的热轧钢板的表面质量问题，本文采用低硅含磷，以及钒微合金化的成分设计思路，研究了变形温度对该TRIP钢在连续冷却过程中的相变行为的影响，并在此基础上通过实验室热轧试验，将低硅含钒TRIP钢的终轧温度降低，研究其微观组织及力学性能.热轧工艺省略了热处理过程，工序简单，成本较低，具有良好的应用前景.

1 试验

1.1 试验材料

试验用钢采用低硅含磷，以及钒微合金化的成分设计思路.作为铁素体形成元素的磷与硅相似，也能固溶强化铁素体和奥氏体，在钢中加入少量的磷(质量分数小于0.1%)能有效阻止渗碳体的析出，有利于亚稳态奥氏体的保留［3－4］，以及弥补降低硅含量所引起的强度损失.而微合金元素钒在奥氏体中具有较大的溶解度，因而钒的碳化物在奥氏体中基本不析出，在铁素体中溶解度较低而迅速析出［5－6］，钒的析出对铁素体晶粒的长大有一定的抑制作用，并可提高基体强度.试验材料取自本钢真空炉冶炼的130 kg钢锭，首先锻造成60 mm×60 mm×800 mm的板料，然后加工成60 mm×60 mm×80 mm的钢板用于热轧试验;加工出φ8 mm×15 mm的圆柱热模拟试样，采用Gleeble－1500型热模拟试验机辅以金相法，测定其各种冷速下的相变点.试验钢的主要化学成分如表1所示.

表1 试验用钢的化学成分(质量分数/%)

1.2 试验方法

用热力学软件计算其Ae3为837℃.热模拟规程:将试样加热到1200℃保温3 min;未变形试样以5℃/s冷却至900℃，保温20 s后分别以0.5，1，2，5，10，15，20，30℃/s的冷速冷却至200℃以下，变形试样以5℃/s冷却至900或800℃，保温20 s后，以5 s－1变形速率进行50%压缩变形，然后分别以0.5，1，2，5，10，15，20，30℃/s的冷速冷却至200℃以下.用得到的热膨胀曲线结合金相法测定静态和动态的各个相变点.

在φ450 mm二辊可逆热轧试验机组上进行轧制.将试验钢在1200℃保温2 h，出炉后进行8个道次的轧制，压下分配工艺规程制定为60→36→22→15→10→7→5→4→～3 mm，其中前3个道次在奥氏体再结晶区进行轧制，后5个道次在奥氏体未再结晶区轧制.其中再结晶区终轧温度为1020℃，未再结晶区开轧温度980℃，未再结晶区的终轧温度约为800℃，低于Ae3.轧制温度通过轧制道次间的时间间隔进行控制.随后空冷，以生成一定量的铁素体，空冷结束温度约为630℃.空冷后立即淬入400℃的盐浴炉中等温1 h，最后空冷至室温.

金相试样经研磨、抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，对其显微组织在LEICA DMIRM多功能光学显微镜下进行观察.为了能更好地区别热轧TRIP钢的组织，利用(Na2S2O3·H2O 10 g+ H2O 100 mL)和4%硝酸酒精复合侵蚀，经这种方法侵蚀后，铁素体呈浅灰色，残余奥氏体为白色，贝氏体为黑色.利用H－800型透射电镜观察位错形貌及析出.用D/max2400型X射线衍射仪测定试样的残余奥氏体量，根据文献［7］所叙述的方法计算.铁素体的相对含量用Image J软件分析计算，取5张不同的金相照片进行分析，然后求平均值.热轧钢板按标准制成拉伸试样，有效标距为50 mm×15 mm.

2 结果及分析

2.1 变形温度对相变点的影响

变形可促进γ→α相变，使奥氏体向铁素体相变开始温度Ar3升高，如图1(a)所示.这可从式(1)和(2)的铁素体临界形核功中得到解释.式中，σγ/α为奥氏体与铁素体之间的界面能;ΔGD为形变储存能;ΔGM为新相形成时的摩尔自由能变化.变形使得铁素体的临界形核功大大减小，从而使其形核率大幅度提高.变形温度降低到800℃后，低温变形使γ晶粒中的可移动位错密度增加，在此相对较低的温度下，仅发生部分回复，使得在γ晶粒中的应变进行累积，晶粒中的层错能增加，从而增加了自由能和扩散率，进而使α到γ的长大速率增加，即Ar3进一步升高.

变形温度由900℃降低到800℃时，奥氏体处于过冷状态，在过冷与形变的双重作用下，相变驱动力增加，Ar3升高.当冷速大于1℃/s时，随着冷速的增加，变形温度对Ar3的影响逐渐增大，在相同冷速条件下，800℃时的Ar3较900℃时增加了10～90℃.冷速大于10℃/s时，变形温度900℃条件下，抑制了铁素体相变;而变形温度800℃时，冷速为20℃/s时，仍存在铁素体相变.

在相同冷速条件下，变形使贝氏体相变开始温度Bs升高，如图1(b)所示.变形对贝氏体相变的促进作用，随着变形温度的降低而减弱.这主要是因为变形温度的降低对铁素体相变有促进作用，冷却过程中，铁素体的形成量较大，从而抑制了贝氏体相变.在相同冷速条件下，800℃时的Bs比900℃降低了3～15℃.

图1 变形温度对相变开始温度的影响

2.2 变形温度对相变组织的影响

图2给出了不同变形温度时，各种冷速条件下的组织.冷速1℃/s时，变形温度的降低使铁素体量明显增多.冷速增加到5℃/s时，变形温度900℃时铁素体多在γ晶界形成，晶内形核量减少，而变形温度800℃时铁素体不仅在γ晶界，而且在晶内大量形核.低温变形时，参于形核的γ单位面积的有效晶界面积(SV)增加.SV可用式(3)表示，其中SV·gb为γ晶粒拉长引起的有效晶界面积增量，SV·db为变形带等缺陷所带来的有效形核面积增量.变形温度的降低增加了有效形核位置，从而使铁素体量增加.

冷速增加到10℃/s时，变形温度900℃时基本观察不到铁素体组织.而变形温度800℃时，冷速增至20℃/s仍能在γ晶界处形成少量铁素体组织.

2.3 热轧试验钢的组织与力学性能

TRIP钢的组织由铁素体、贝氏体和少量残余奥氏体组成.由于显微组织中铁素体是硬度最低、塑性较好的相，对塑性起着很大的作用，因此，为保证热轧试验钢的塑性性能，应使热轧组织中含有足够量的铁素体.而且铁素体量对残奥量有很大的影响，Zarei-hanzaki［8］等研究了 Si－Mn系TRIP钢中的铁素体形成特征，结果表明铁素体量的变化直接影响残留奥氏体的含量以及残留奥氏体中的碳和合金元素的含量，并指出随着铁素体量的增加，残留奥氏体量出现一个最大值，然后下降.

图2 变形温度对相变组织的影响

前述的研究中发现，较低温(800℃)的变形更有益于铁素体组织的形成，本次热轧试验在前述对试验钢相变组织研究的基础上，适当降低精轧区间温度，使终轧温度降低到800℃，组织由多边形铁素体、粒状贝氏体和一定量的残奥所组成，如图3所示，铁素体非常细小均匀，平均晶粒尺寸为4 μm.图3(b)是利用(Na2S2O3·H2O 10 g+ H2O 100 mL)和4%硝酸酒精复合侵蚀，更好地区别热轧TRIP钢的三相组织;图3(c)识别贝氏体的组织形态.在透射电镜下，观察到铁素体晶粒中钒的碳化物和氮化物弥散析出，且铁素体晶粒存在高密度位错，见图4.

在细晶强化、位错强化和析出强化的综合作用下热轧钢的强度大大提高，为930 MPa，见表2.粒状贝氏体组织中，存在大量细小的M/A岛第二相组织(图3(c))，由于M/A岛为硬质相，它们能够与位错发生交互作用，阻碍位错的运动，这也是提高含钒TRIP钢强度的一个重要原因.此外，室温组织中存在一定量的残余奥氏体(10.1%)，在塑性变形过程中，实现了渐进式转变，一方面强化了基体，另一方面提高均匀的断后延伸率.在本次试验工艺下，试验钢的综合力学性能优异:RP0.2= 455 MPa;Rm=930 MPa;δ=21.7%;n=0.23;r =0.84，见表2.

图3 热轧试验钢的组织

图4 热轧试验钢的透射组织

3 结论

1)冷速大于1℃/s时，随着冷速的增加，变形温度对Ar3的影响逐渐增大.在相同冷速条件下，800℃时的 Ar3相比较 900℃，增加 10～90℃.冷速大于10℃/s时，变形温度900℃条件下，抑制铁素体相变;而变形温度800℃时，冷速为20℃/s时，仍存在铁素体相变.

2)相同冷速条件下，变形使贝氏体相变开始温度Bs升高.变形对贝氏体相变的促进作用，随着变形温度的降低而减弱.相同冷速条件下，800℃时的Bs比较900℃，降低3～15℃.

3)终轧温度800℃，试验钢组织由多边形铁素体、粒状贝氏体和一定量的残奥所组成，综合力学性能优异:RP0.2=455 MPa;Rm=930 MPa;δ =21.7%;n=0.23;r=0.84.

表2 试验钢的力学性能和各相含量

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Study on microstructure and mechanical properties of hot rolled TRIP steel containing phosphorus and vanadium

HOU Xiao-ying1，XU Yun-bo1，WANG Ye-qin2，WU Di1
(1.State Key Laboratory of Rolling Technology＆Automation，Northeast University，Shenyang 110819，China，E-mail:houxiaoyinghou@126.com;2.Laiwu Iron and Steel Corp.，Laiwu 271104，China)

To reveal the microstructure characteristics and mechanical properties of a low-carbon TRIP steel containing phosphorus and vanadium，hot rolling experiments had been carried out and its transformation behavior was investigated at different deformation temperatures(900 and 800℃).The results show that with an increase in cooling rate，the effect of deformation temperature on the starting transformation temperature of ferrite(Ar3)increases gradually.At same cooling rate，the deformation leads to an increase in the starting transformation temperature of bainite(Bs).As the deformation temperature decreases，the effect of deformation on the Bsweakens.When the finish rolling temperature is 800℃，a microsture mixed with ferrite，granular bainite and retained austenite can be obtained，and the tested steels have excellent mechanical properties:RP0.2= 455 MPa;Rm=930 MPa;δ=21.7%;n=0.23;r=0.84.

hot rolled TRIP steel;phosphorus and vanadium;transformation behavior;microstructure;mechanical properties

TG142.1 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)05－0021－04

2010－10－15.

十一五国家科技支撑计划项目(2007BAE51B07);国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB606306);中央高校基本科研业务费项目(N090407001).

侯晓英(1982－)，女，博士研究生.

(编辑 吕雪梅)