Cr元素对冷轧TRIP钢的组织性能影响研究

郭卫民，徐娜，时军波，刘珑，赵宝玲

(山东省科学院，山东省分析测试中心，山东省材料失效分析与安全评估工程技术研究中心，山东 济南 250014)

【新材料】

Cr元素对冷轧TRIP钢的组织性能影响研究

郭卫民，徐娜，时军波，刘珑，赵宝玲

(山东省科学院，山东省分析测试中心，山东省材料失效分析与安全评估工程技术研究中心，山东 济南 250014)

以两种合金成分的相变诱导塑性钢为实验对象，先利用热模拟试验机确定其热轧及热处理参数后，经过热轧、冷轧工艺并连续退火，研究其力学性能。金相组织及宏观织构的特征。实验结果表明，Cr元素可以稳定低温奥氏体，降低贝氏体形成温度，使贝氏体的孕育期延长，增加最终组织中的贝氏体及残余奥氏体的体积分数；Cr元素的添加还增强了试验钢的力学性能，添加了Cr元素的2#钢强度和塑性均比没有添加的1#钢要高；两种成分的TRIP钢织构情况相似，主要组分包括：{332}纤维织构，{110}<001>组分和{112}<110>组分，可见Cr元素在提高钢板强度增加延伸率的同时，并没有损害钢板的成形性能。

冷轧TRIP钢；Cr元素；残余奥氏体；贝氏体；织构

随着汽车轻量化和安全性要求的提高，高强度、低重量和生产成本是新型汽车发展的方向，要求汽车结构件用钢具有高的强塑积(即强度与断后伸长率的乘积)[1]。目前研究较多的汽车用高强度钢主要有DP钢(双相钢)、TRIP钢(相变诱导塑性钢)和TWIP钢(孪晶诱导塑性钢)等[2]。TRIP钢具有多相组织，主要由铁素体、贝氏体、残余奥氏体和少量马氏体组成，该组织构成决定了其具有高强度的同时还具有较大的塑性，是适合生产汽车覆盖件等要求具有较好成形性能和较高强度的部件的新型钢种[3-4]。TRIP钢中，铁素体是软相，在拉伸的过程中能协调贝氏体的变形; 贝氏体相能提高TRIP钢的强度; 奥氏体在变形过程中转化成马氏体，马氏体相变产生应力松弛使得塑性增加，另外相变生成的马氏体又能够强化TRIP钢，使得TRIP钢的强度得到提高[5-6]，这就是TRIP效应[7-9]。

1 材料与方法

1.1 材料

采用两种合金成分的TRIP钢，其合金组成见表1。

表1 两种TRIP钢的冶金成分的质量分数(%)

1.2 扩散退火工艺

首先对钢锭进行扩散退火，以消除或减轻轧后带状组织。退火工艺为：加热温度1 250 ℃，保温时间3 h后随炉冷却，450 ℃ 出炉。

1.3 轧制制度

粗轧时将钢锭加热至1 180 ℃，保温1.5 h，开轧温度980 ℃，终轧温度900 ℃，道次压下量小于等于20%，7道次完成。层流冷却至650 ℃，最终轧制成20 mm × 150 mm × 150 mm的板坯。随后进行精轧工艺。精轧时板坯加热至1 180 ℃，保温一段时间(1#钢保温时间为45 min，2#钢保温时间为75 min)，开轧温度1 100 ℃，终轧温度800 ℃，层流冷却至600 ℃。热轧到4 mm后，再将板材冷轧到1 mm。

1.4 连续退火工艺

为了更合理有效地设定连续退火参数，连续退火之前先确定两种合金钢的临界相变点Ac1和Ac3。以及CCT曲线。

1.4.1 临界点Ac1、Ac3与静态CCT曲线的测定

通过Formastor全自动相变仪测得两种TRIP钢的临界点结果如下：

1#钢：Ac1=741 ℃，Ac3=900 ℃；

2#钢：Ac1=750 ℃，Ac3=915 ℃。

测定静态CCT曲线对制定连续退火工艺有很大的指导意义。对于TRIP钢而言，静态CCT测定的特殊之处在于：(1)用静态CCT曲线代替TTT曲线，对生产更有意义。虽然TRIP钢的连退工艺基本上是一个中温区等温退火试验，但基于以下考虑：a.工业生产中连退生产线的冷却速度一般低于40 ℃/s，钢中奥氏体在冷却过程中已经发生了相变，有附生铁素体生成，此时奥氏体符合连续冷却转变规律；b.生成附生铁素体后，贝氏体区域的位置将发生变化，因此典型的TTT曲线并不具备精确的指导意义，静态CCT曲线基本上能够显示等温退火时的贝氏体区大体范围。(2)为使CCT曲线更接近于工业生产的工艺过程，对制定连续退火具有更精确的指导意义，在测定CCT曲线时，退火温度确定在临界区。1#和2#钢均取800 ℃为临界区(部分)奥氏体化温度。图1a为1#钢的静态CCT曲线，图1b为2#钢的静态CCT曲线。

从图1a中1#TRIP钢的静态CCT曲线可以看出，无珠光体生成的最小冷速是15 ℃/s，为了避免连续退火过程中生成珠光体，应采取15 ℃/s以上的冷却速度。但是从稳定过冷奥氏体的角度来考虑，应在不生成珠光体的前提下，尽量取较小的冷却速度。将2#钢与1#钢的静态CCT相比较，可以看出2#钢的珠光体出现的时间比1#钢晚。另外，将2#与1#钢的静态CCT相对照，还可以看出各个冷速下的贝氏体的转变温度2#钢都比1#钢有所降低。

图1 两种合金成分的TRIP钢静态CCT曲线Fig.1Static CCT curves of the two TRIP steels

1.4.2 连续退火工艺

将冷轧态的钢板取样制成连退热模拟试样，如图2所示。利用热模拟试验机对合金钢试样进行模拟退火实验，并设定不同的加热温度、保温时间及冷却冷速，然后进行单向拉伸试验，进行参数优化设计正交试验，最后选择强塑性指标最好的试样的工艺参数进行现场试验。

图2 板带连续退火试样尺寸Fig.2 Sample size of continuous annealing

经过正交模拟试验，最终制定的两种合金钢的连续退火方案为：1#钢加热速度为8 ℃/s，两相区退火温度830 ℃、两相区保温时间60 s，一冷段冷速为15 ℃/s、冷却至700 ℃，二冷段冷速为35 ℃/s、时效温度400 ℃、时效时间160 s，最后以20 ℃/s速度冷至室温；2#钢加热速度为8 ℃/s、两相区退火温度830 ℃、两相区保温时间40 s，一冷段冷速为15 ℃/s、冷却至700 ℃，二冷段冷速为30 ℃/s、时效温度400 ℃、时效时间240 s，最后以20 ℃/s速度冷至室温。

2 结果与分析

2.1 力学性能

在室温下，依据国家标准GB/T 228.1—2010[10]，以3 m/min的速率对两种成分的TRIP钢进行拉伸试验，测得的力学性能参数见表2。

表2 两种不同合金成分的TRIP钢力学性能

2.2 TRIP钢热轧态及冷轧退火后的金相组织

2.2.1 热轧态TRIP钢金相组织

图3为1#和2#钢热轧状态下沿轧制方向的金相组织。从金相组织上看，两种钢的组织都是由铁素体和珠光体构成。所不同的是，1#钢组织相对比较粗大，组织均匀性较差；2#钢的组织比较细小，均匀性也相对较好。

a 1# 钢 b 2# 钢图3 TRIP合金钢热轧态组织Fig.3 Hot rolled microstructure of the two TRIP steels

2.2.2 冷轧TRIP钢退火态金相组织

采用传统的硝酸酒精侵蚀液，只能通过“黑白衬度”来显示微观组织形貌特征，难以区别TRIP钢中的铁素体和残余奥氏体。而彩色金相采用形膜的方法，利用薄膜干涉消光效应，造成“衍射衬度”来识别显微组织结构。金属表面所形成透明薄膜的光学性质及其厚度对其干涉色的产生起着决定性作用，在TRIP钢彩色金相制作过程中，可通过改变腐蚀剂成分和腐蚀时间来控制所形成化学薄膜的光学性质及其厚度，从而使多相组织形成不同的干涉色，可区分铁素体、贝氏体及残余奥氏体，提高了多相显微组织显示的精确性和鉴别率。

配制侵蚀液所用到的化学试剂有苦味酸、偏重亚硫酸钠、水和洗涤剂。先取1 g苦味酸(干燥)溶入20～50 mL的酒精里，再取1 g偏重亚硫酸钠溶入40～85 mL水中，然后将二者1:1混合，再加入少许洗涤剂，或在侵蚀前在试样表面均匀地涂上一层洗涤剂。侵蚀时，用棉球沾取试剂在试样表面擦拭，直至棉球与试样的接触面变红棕色为止，然后利用ZEISS光学显微镜进行组织观察。

两种合金成分的TRIP钢的彩色金相组织如图4所示。白色的为残余奥氏体晶粒，晶粒尺寸较大的基体组织为铁素体，其余的(呈棕紫色)为贝氏体颗粒。可以看到，1#和2#的组织均由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成。从图4还可以看出，2#钢的残余奥氏体和贝氏体的晶粒数量较多，分布均匀，1#钢的贝氏体和残余奥氏体较少，分布不均匀。

a 1# 钢 b 2# 钢图4 TRIP钢彩色金相组织Fig.4 Color metallographic microstructures of the two TRIP steels

2.3 冷轧TRIP钢板退火织构

使用XRD衍射仪，分别考察了这两种成分的TRIP钢的退火织构，如图5所示。可以发现，两种成分的织构情况非常相似，主要组分包括：{332}纤维织构，{110}<001>组分和{112}<110>组分。

a 1# 钢 b 2# 钢Ф2=45°，密度水平：1, 2, 3, 4, 5, 6。图5 退火后的ODF图Fig.5 Annealed ODFs of the two steels

3 讨论

比较1#和2#钢的CCT曲线(如图1所示)，2#钢中珠光体出现的时间比1#钢要晚。这主要是因为Cr元素的作用，Cr元素的添加可以推迟珠光体、贝氏体转变[2]。Cr的碳化物能够溶入低温奥氏体，起到稳定奥氏体，阻碍渗碳体析出的作用。另外，比较图1中1#和2#钢的CCT还可以发现，2#钢的贝氏体转变温度比1#要低，这也是由于Cr的碳化物稳定了低温奥氏体，使贝氏体相变的孕育期加长。Cr元素的这一特点对于实施工程控制极为有利，它不但使连续退火的冷却速度可以在较大的范围内调整，而且保证了室温下钢板能够获得较多的残余奥氏体。拉伸试验也表明(如表2所示)，2#钢的力学性能(强度和塑性)优于1#钢，这也是由于2#钢中比1#钢中多了Cr元素。部分Cr元素置换固溶于钢板基体中，可以引起晶格畸变阻碍变形过程中位错的滑移；部分Cr元素形成碳化物存在于钢板基体的晶内或晶界处可以起到析出强化的作用[11]。晶内的碳化物可以阻碍变形过程中位错的滑移，而晶界处的碳化物则可以阻碍变形过程中晶界的迁移。比较热轧态的1#钢与2#钢的金相组织，如图3所示，可以看到两种钢的金相组织都是由铁素体和贝氏体构成，所不同的是，1#钢组织相对比较粗大，组织均匀性较差，2#钢的组织比较细小，均匀性也相对较好。热轧态的金相组织会影响冷轧退火的组织，如图4所示的两种的彩色金相组织，1#和2#钢的金相组织均由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成。从图4还可以看出，2#钢的残余奥氏体和贝氏体的晶粒数量较多，分布均匀，1#钢的贝氏体和残余奥氏体较少，分布不均匀。Cr元素除了能够稳定低温奥氏体，加长贝氏体孕育时间，固溶的Cr原子以及弥散析出的Cr的碳化物都可以为贝氏体形核提供形核点，这就导致2#钢中比1#钢中要多出许多贝氏体形核点，从而2#钢中的贝氏体晶粒也比1#钢中多。

对比这两种成分的TRIP钢的退火织构(如图5所示)可以发现，它们的织构情况非常相似，主要组分包括：{332}纤维织构，{110}<001>组分和{112}<110>组分，即这两种钢的成形性能相近。结合前面论述的两种的钢的力学性能结果，可以看出，Cr元素在提高钢板强度增加延伸率的同时，并没有损害钢板的成形性能。

4 结论

通过对两种合金成分的TRIP钢的热模拟试验、热轧、冷轧及后续的显微分析，可以得到以下结论：

(1)Cr元素可以稳定低温奥氏体，降低贝氏体形成温度，使贝氏体的孕育期延长，增加最终组织中的贝氏体及残余奥氏体体积分数；

(2)Cr元素的添加还增强了试验钢的力学性能，添加了Cr元素的2#钢强度和塑性均比没有添加Cr元素的1#钢要高；

(3)两种成分的TRIP钢织构情况相似，主要组分包括：{332}纤维织构，{110}<001>组分和{112}<110>组分，可见Cr元素在提高钢板强度、增加延伸率的同时，并没有损害钢板的成形性能。

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Impact of Cr on microstructure and mechanical properties of cold rolled TRIP steel sheet

GUO Wei-min, XU Na, SHI Jun-bo, LIU Long, ZHAO Bao-ling

(Shandong Provincial Engineering Technology Center for Material Failure Analysis and Safety Assessment, Shandong Analysis and Test Center, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶ We addressed TRIP steel with two different alloy contents. We initially determined its hot rolling and annealing parameters with Gleeble thermal-mechanical simulating tester. We further investigated its mechanical properties, metallographic structure and macrotexture through hot and cold rolling and continuous annealing. Experimental results indicate that Cr element can stabilize low temperature austenite, reduce formation temperature of bainite, extend induction period of bainite, and increase volume fraction of austenite and banite in final microstructure of steel 2#. Cr element also increases mechanical properties of steel 2#, better strength and plasticity than steel 1# (no Cr addition). The texture characteristics of steel 1# and 2# are similar, including {332} line texture, {110}<001> and {112}<110> texture component. Cr element therefore increases the strength and ductility of sheet steel without formability reduction.

∶ cold rolled TRIP steel; Cr; retained austenite; bainite; texture

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.011

2016-08-09

山东省自然科学基金三院联合基金(ZR2014YL003)

郭卫民(1984—)，女，博士，助理研究员，研究方向为钢铁材料工艺组织性能相关性。E-mail：guowm@sdatc.com.cn

TG142.3

A

1002-4026(2016)06-068-06