过时效温度对TRIP590钢等温转变的影响

供稿|简忠 / JIAN Zhong

TRIP钢是近些年热点研究的汽车用新一代高强钢[1]，TRIP钢的组织主要由铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相组成。残余奥氏体是TRIP钢相变诱发塑性产生的根源，TRIP钢连续退火热处理的主要目的是要保证组织中的残余奥氏体含量并使其具有一定的稳定性。典型工艺路线为将一定化学成分的冷轧钢加热至(α+γ)两相区的温度范围，得到铁素体和奥氏体两相组织；随后缓慢冷却过程中部分奥氏体转变成新生铁素体析出；然后快速冷却至贝氏体形成温度范围内过时效，过时效时奥氏体部分转变为低碳贝氏体，并使剩余奥氏体C含量进一步增加，使Ms点低于室温，最后冷却至室温得到具有铁素体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织。过时效是TRIP钢连续退火最关键的阶段，因为该阶段将决定三个最重要的参数：残余奥氏体的大小，体积分数和C含量[2-4]。因此本文以TRIP590钢为研究对象，通过连续退火热处理模拟实验，研究贝氏体等温温度对TRIP590钢组织和性能的影响，并制定合理的TRIP590钢过时效温度，为生产提供参考。

实验材料与方法

实验材料为TRIP590冷轧钢板，化学成分见表1。

连续退火实验采用CCT-AY-Ⅱ连续退火热模拟仪，样品尺寸为220 mm(//轧向)×70 mm×2.0 mm。实验工艺制度见图1。

表1 实验钢化学成分(质量分数，%)

图1 实验工艺制度

将退火后的试样按照国标GB/T 228—2002加工成标距为80 mm的拉伸试样，利用MTS810材料力学测试系统对制备好的拉伸试样进行拉伸实验。将退火后的钢板线切割成10 mm(//轧向)×8 mm的金相试样，样品经镶嵌、打磨、抛光后利用5%偏重亚硫酸钠去离子水溶液进行腐蚀，在4XC光学显微镜下观察并拍摄金相照片，用图像分析软件Photoshop统计亮白色奥氏体含量。

实验结果分析

过时效温度对组织的影响

本实验不同过时效温度下TRIP590钢各样品的金相组织照片如图2所示。组织中灰色基体为铁素体，铁素体晶界处的黑色组织为贝氏体或马氏体，铁素体晶粒间和晶粒内的亮白色颗粒为残余奥氏体。不同过时效温度下的亮白色残余奥氏体数量变化明显，统计结果见表2。残余奥氏体含量随着过时效温度的升高，总体呈现先升高后降低的趋势，在过时效温度为400℃时最高。

TRIP590钢临界退火结束时，其组织由C含量低的铁素体和C含量高的奥氏体组成，但这时的奥氏体碳含量为0.3%～0.5%，还不能使奥氏体在室温下稳定地存在。TRIP钢冷却至贝氏体等温，部分奥氏体发生贝氏体转变，C从贝氏体中的α相向α相间的残余的奥氏体中扩散，形成富C的奥氏体。由于TRIP钢中的Si、Al、P等元素不溶于渗碳体，因此阻碍了渗碳体的形核并延长了渗碳体的形成时间，从而抑制了渗碳体的形成，残余的奥氏体中C元素含量进一步提高，使残余奥氏体的Ms点低于室温从而在组织中稳定存在，最终形成残余奥氏体、贝氏体和铁素体的多相组织。

过时效温度对力学性能的影响

本实验不同过时效温度下TRIP590钢各样品的拉伸性能见表2。从统计的结果来看，过时效温度对性能的影响比较明显。抗拉强度最大为665.74 MPa，最小为603 MPa，相差62.74 MPa；屈服强度最大为463 MPa，最小为424.99 MPa，相差38.01 MPa，伸长率最大为35.38%，最小为25%，相差10.38%；强塑积最大为21.41 GPa·%，最小为16.02 GPa·%，相差5.39 GPa·%。

TRIP590钢力学性能随过时效温度的变化如图3所示，结果表明抗拉强度随过时效温度的升高呈现为先降低后上升，在400℃时为最小值；伸长率、强塑积则与抗拉强度相反，呈现为先上升后降低，均在425℃达到最大值。

TRIP钢力学性能与组织密切相关。抗拉强度与残余奥氏体和贝氏体的含量都有关，伸长率与残余奥氏体及铁素体含量有关。在过时效温度较低的情况下，过冷度大，贝氏体转变量大，室温组织为少量残余奥氏体+大量贝氏体+铁素体+少量马氏体，抗拉强度主要由大量的贝氏体决定，所以表现为抗拉强度较高。由于温度低，C的扩散受限，导致残余奥氏体含C量低，过时效后的冷却过程中部分转变为马氏体，使残余奥氏体数量少，对伸长率贡献少，故低温时，伸长率较低。随着过时效温度的升高，贝氏体转变量减少，但C的扩散能力逐渐增强，使未转变的奥氏体含C增加，稳定性增加，残余奥氏体数量增加，故拉伸时的TRIP效应使伸长率逐渐增加，在400～425℃时达到峰值。随着过时效温度进一步升高，过冷度减少导致相变驱动力减弱，贝氏体转变量进一步减少[5]，未转变的奥氏体含量增多，但这导致了未转变奥氏体内的平均含C量降低，奥氏体的稳定性不足，使得在随后的冷却过程中更易转变为马氏体，室温组织为少量残余奥氏体+少量贝氏体+铁素体+较多的马氏体，导致强度又出现升高，塑性降低[4，6-8]。

图2 不同过时效温度下TRIP590钢显微组织

表2 不同过时效温度下TRIP590钢的拉伸性能及残余奥氏体含量

图3 力学性能参数随过时效温度变化：(a) 抗拉强度；(b) 伸长率；(c) 强塑积；(d) 残余奥氏体含量

伸长率取决于组织中的软相铁素体、残余奥氏体以及渗碳体。本次实验过时效前的工艺都一样，所以铁素体含量是基本相同的，所以影响伸长率的主要因素在于残余奥氏体量。从图3(b)和图3(d)中看出，伸长率变化趋势与残余奥氏体含量变化一致。根据之前组织演变分析，残余奥氏体量增加，TRIP效应明显，表现为伸长率增加，相反的残余奥氏体量减少则伸长率下降。

从强塑积来看，425℃时出现峰值，达到21.41 GPa·%，此时性能最好；475℃时性能很差；其他几个温度的强塑积差别不大。实际生产中过时效温度控制在325～450℃范围性能都能满足要求，以425℃左右为最佳温度。

结论

随过时效温度的上升，实验TRIP590钢残余奥氏体含量先上升后下降，在400℃时达到最大值；抗拉强度先下降后上升，在400℃达到最小值；伸长率先上升后下降，在425℃达到最大值；伸长率变化趋势与残留奥氏体含量一致；TRIP590钢在425℃过时效综合力学性能最好。

[1] 先越蓉. 汽车制造业钢铁材料的发展方向. 世界金属导报，2010-6-15(2)

[2] 史文. 含钒低碳低硅相变诱发塑性钢的组织和性能的研究[学位论文]. 上海：上海大学，2006

[3] 史文超. TRIP780高强钢动态变形行为的宏微观研究[学位论文].上海：上海交通大学，2009

[4] 景财年. CMnAl-TRIP钢组织性能的研究[学位论文]. 山东：山东大学，2007

[5] 刘宗昌，任慧平. 过冷奥氏体扩散型相变. 北京：科学出版社，2007

[6] 徐锟，刘国权. 贝氏体等温处理对0.22C-1.63Mn-1.5Al冷轧TRIP钢组织性能的影响. 材料热处理学报，2009，30(5)：68

[7] 景财年，王作成，金成俊，等. 铜元素和退火温度对TRIP冷轧钢板组织和力学性能的影响. 金属热处理，2004，29(9)：19

[8] 曾尚武，赵征志，赵爱民，等. 贝氏体区等温温度对含钒TRIP800钢组织性能的影响. 材料热处理学报，2014，35(1)：120