高锰钢微观偏析行为研究

庄昌凌，程 铝，杨光凯

（贵州大学，贵州 贵阳 550025）

高锰钢中的TWIP钢具有优异的综合力学性能被人们视作理想的汽车材料[1，2]。但是高锰TWIP钢高锰、高铝的成分设计却很容易在凝固过程产生质量问题[3]，其中凝固过程产生的偏析问题尤其引人关注。高锰TWIP钢的偏析不仅会导致性能不均匀性突出，表面质量变差，而且可能引起晶界脆化，增加裂纹发生的概率。高锰TWIP钢的偏析问题可以从宏观与微观的角度来研究，考虑到高锰TWIP钢微观偏析相关研究不多，本文主要针对高锰TWIP钢微观偏析行为开展研究，主要通过实验室冶炼高锰TWIP钢铸锭，切样制样后用光学显微镜观察，并采用电子探针进行点、线、面分析，从而得到元素的微观偏析情况，弄清高锰TWIP钢中元素的微观偏析行为，为减轻偏析造成的危害提供理论借鉴。

1 高锰钢中的偏析现象

高锰TWIP钢是以高锰、高铝为特征的成分设计体系，锰含量高达16%以上，铝含量也大于0.5%，虽然这种成分设计让该新钢种具有优异的综合力学性能，但是却很容易在凝固过程产生偏析问题。这种偏析现象产生的原因是溶质在固液两相中的不均匀分配，导致凝固前期与凝固后期的钢液某元素的浓度不同，从而导致一定范围的成分不均匀性。高锰TWIP钢的偏析现象对产品质量有较大影响，不仅体现在力学性能差异上，有文献表明锰偏析会造成轧制过程的黑带现象，使产品表面质量变差，而且偏析现象会造成溶质元素聚集产生晶界析出，使产品的质量受到影响。

为了弄清高锰TWIP钢中元素的微观偏析行为，以便采取合适的措施改善产品质量，采用中频感应炉冶炼了3炉不同成分的TWIP钢铸锭，铸锭的化学成分如下图所示。

表1 高锰TWIP钢化学成分，wt%

2 高锰钢中元素的微观偏析行为

2.1 光学显微镜观察

三炉高锰TWIP钢铸锭经过切样、制金相样、磨样抛光后，采用20%浓度的硝酸酒精浸蚀后，在光学显微镜下可以清晰地观察到枝晶形貌。

上图1是光学显微镜下观察到的枝晶形貌，图1（a）（b）是铸锭中心区域样品的枝晶形貌，图1（c）（d）是位于铸锭边部的枝晶形貌。从图1（a）和图1（b）中可以看出，位于铸锭中心区域的样品等轴晶明显，偶尔观察到树枝晶；而图1（c）和图1（d）可见明显的树枝晶，枝晶比较粗大，能够清晰看到二次枝晶。从光学显微镜观察结果看，样品A、样品B和样品C在铸锭边部同一位置取样表现出类似的规律，即发现较多的粗大树枝晶，等轴晶则较为少见。同时发现样品A、样品B和样品C随着锰含量降低，枝晶大小呈现变小的趋势，二次枝晶间距也要小一些。因为枝晶间距越大，产生的微观偏析会更严重；反之，枝晶间距越小，枝晶越密集，偏析会有所减轻。故在高锰钢的生产中，增加锰元素的含量，会造成枝晶粗大，枝晶间距变大，更容易出现偏析现象。

图1 光学显微镜观察枝晶形貌

2.2 电子探针分析

图2是电子探针点分析结果，分析结果表明，Mn元素在6、7点位置上质量分数最大，AI元素6、7点位置上质量分数最低，锰元素和铝元素呈现出相反的偏析规律，不仅在一次枝晶在锰元素和铝元素偏析规律相反，而且在二次枝晶上两种元素的偏析规律也相反，表明了锰元素和铝元素的溶质分配系数有较大的差异性；而且，通过点分析可以得知元素的浓度，由此可知，样品B中一次枝晶中Mn和AI的最大偏析程度分别是7.995%和0.728%，二次枝晶中Mn和AI的最大偏析量为5.527%和0.527%，锰元素的偏析要比铝元素严重。

图2 电子探针点分析结果

为了探究Mn、Al、Fe元素在特定区域内的分布情况，利用电子探针对图3指定区域进行面扫描。图中元素的含量以不同颜色来表示，颜色指示条以渐变色的形式对应不同颜色下元素的含量，元素质量分数从左到右依次增加。从图中可以看出，Fe元素浓度分布相对而言比较均匀，在晶界处浓度相对偏低。Al元素偏析程度较轻，这与点扫描的结果一致，Al元素在二次枝晶位置上含量比较密集，Mn元素在区域内偏析程度较为严重，枝晶内部元素浓度较低，在枝晶间与枝晶边界元素浓度高，这与Al元素的偏析情况刚好相反。

图3 电子探针面扫描结果

经过以上分析表明，高锰TWIP钢中元素的微观偏析现象明显，特别是锰元素的偏析造成锰元素分布的不均匀现象，容易在晶界处聚集，而且还容易给后续轧制环节造成表面缺陷，导致较为严重的质量问题。

3 产生原因与改善措施

微观偏析表现为微观区域上元素浓度高低不均匀现象，而产生原因与溶质再分配规律有关。微观偏析是合金凝固过程产生，在凝固过程中液相逐步转变成固相，溶质受限于扩散速度的原因，很容易产生扩散不充分、不完全的现象，不容易形成平衡结晶，所以先结晶和后结晶的元素浓度不一致。对于溶质分配系数小于1的合金，先凝固部分的溶质浓度低，后凝固部分溶质浓度高，而对于溶质分配系数大于1的合金，刚好相反。这种微观区域内的元素成分不均匀性就是微观偏析。如果凝固过程中，在液相中形核后以树枝晶的形式生长，枝干与二次枝晶也会存在成分差异，这种情况也被称为枝晶偏析。从偏析的产生原因来看，由于实际生产过程中不太可能做到平衡凝固，所以微观偏析的出现是不可避免的，但是可以通过一些方法改善这一状况。

减轻微观偏析的措施有：（1）细化晶粒能减轻微观偏析的程度，所以提高冷却速度和加入孕育剂这类有细化晶粒作用的措施都可以减轻偏析。（2）控制特定夹杂物的生成也有减轻对应元素偏析的效果，该偏析元素是夹杂物的组成元素，生成夹杂物可以减少该元素的区域浓度。（3）合适的挤压铸造工艺和扩散退火能减轻微观偏析程度。

4 结论

（1）研究结果表明，高锰TWIP钢随着锰元素含量的增加，枝晶会变得粗大，二次枝晶间距也有变大的趋势，钢中锰含量的增加会加重元素偏析的程度。

（2）无论是一次枝晶还是二次枝晶，高锰TWIP钢中的锰元素和铝元素呈现出相反的偏析规律，表明了锰元素和铝元素的溶质分配系数有较大的差异性。而且分析发现锰元素的偏析要比铝元素严重。

（3）微观偏析是不平衡结晶的结果，通过采用提高冷却速度、加入孕育剂这类有细化晶粒作用的措施，或者控制特定夹杂物的生成以及扩散退火能够减轻微观偏析程度。