稀土Y对TWIP钢力学性能的影响机理

刘 鹏， 杨吉春， 刘香军， 孙梦翔， 杨昌桥

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院， 内蒙古 包头 014010)

孪晶诱导塑性钢，简称TWIP钢，在室温下具有稳定的奥氏体组织，在一定应变量下产生机械孪晶，具有非常优异的力学性能。TWIP钢的冲击能量吸收能力是普通高强度钢板的两倍，因此抵抗冲击的能力很强，在高应力的情况下还具备良好的塑性变形能力，广泛应用于汽车板材[1-2]。米振莉等[3]发现TWIP钢中加入合金化元素Al后，钢的晶粒尺寸明显变小，钢的残余应力明显降低，抑制了TWIP钢的延迟断裂。王玉昌等[4]发现增加TWIP钢中Mn含量时，试验钢基体的抗拉强度和屈服强度会有一定的减小，总伸长率增大；增加TWIP钢中C含量时，试验钢基体的抗拉强度和屈服强度会先增大后减小。

由于稀土具有独特的4f层电子结构，在钢中添加稀土，通常会起到净化钢液、合金化[5-6]、强烈固氢[7]、细化晶粒[8-9]、改性夹杂物[10-11]和降低高强钢自身对氢脆的敏感度等[12]作用。然而，在TWIP钢中加入稀土钇(Y)的试验研究鲜有报道。稀土Y在钢中具有较大的固溶度，在晶界处与低熔点有害元素发生交互作用，抑制它们在晶界的偏聚，起到净化和强化晶界的作用，抑制形变奥氏体再结晶和奥氏体晶粒长大[13-14]。为此，本文以TWIP钢(22Mn-1.5Al-0.6C)为研究对象，添加适量稀土Y，研究稀土元素Y对TWIP钢力学性能及显微组织的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文以Fe-Mn-Al-C系TWIP钢作为研究对象，试验钢使用ZG-0.01型25 kg真空感应炉冶炼，单炉冶炼10 kg钢锭，冶炼步骤如下：打坩埚→烘干→装料→抽真空→加热至铁棒完全融化后→二次加料(碳、铝、稀土等易挥发的合金原料)→浇注。将钢锭放入大型马弗炉中随炉升温，升温速率设置为5 ℃/min，升温至到1200 ℃保温3 h，然后轧制为厚度30 mm的钢坯。试验钢化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

按照L0=25 mm、B=10 mm、b0=6 mm、a0=3 mm、Lc=32 mm、L=100 mm加工拉伸试样，利用钢研纳克GNT系万能试验机进行拉伸试验。夏比V型冲击样品的尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，缺口深度为2 mm，夹角为45°，底部曲率半径为0.25 mm，按GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击试验。同时，将试验钢加工成10 mm×10 mm×8 mm规格的样品，利用显微硬度计、AXIO VERT A1型蔡司显微镜、Sigma300型场发射扫描电镜进行显微硬度测试、显微组织观察及夹杂物的形貌、数量和尺寸统计。其中，为了保证数据的有效性，在进行显微硬度测试的过程中，针对每个样品进行了10个点以上的测量，然后取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 Y对力学性能的影响

观察试样拉伸后的形貌可以发现，1号钢和2号钢拉伸试样均表现为均匀伸长且无明显颈缩，说明试验钢具有良好的塑性，如图1所示。其中，1号钢拉伸后的长度明显小于2号钢，表明2号钢的韧性比1号钢的高。

图1 试验钢拉伸后的图片Fig.1 Photo of the tested steels after tensile test

图2为1号钢与2号钢室温下的应力-应变曲线，从图2可以看出，1号钢和2号钢试样没有明显的屈服，利于冲压成形。2号钢抗拉强度为752 MPa，较1号钢提高了3.7%；2号钢的屈服强度为312 MPa，较1号钢提高了7%。2号钢的断后伸长率较1号钢下降了17.8%。说明稀土Y的加入提高了TWIP钢的强度而降低了塑性。另外，1号钢和2号钢的拉伸应力-应变曲线都出现了明显的锯齿流变现象，对于1号钢，应力-应变曲线上台阶状的不连续在应变值为32%时出现；当应变值达到39%时，应力-应变曲线上的锯齿特征变得明显。而对于2号钢，应力-应变曲线上台阶状的不连续几乎与1号钢同时出现，随后慢慢地变成明显的锯齿特征。可见，稀土Y的加入对锯齿流变开始所需的临界应变并无太大影响，这一结果与之前报道的Fe-Mn-C系TWIP钢中加入Al或者N可以提高锯齿流变开始所需的临界应变有所不同[15]。

图2 试验钢的拉伸应力-应变曲线Fig.2 Tensile stress-strain curves of the tested steels

图3为1号钢和2号钢的硬度和冲击吸收能量测试结果。可以看出，1号钢的硬度平均值为306.0 HV，2号 钢相比于1号钢硬度有小幅的降低，硬度平均值为298.9 HV，即稀土Y的加入降低了试验钢的硬度。1号钢冲击吸收能量为178.9 J；而2号钢的冲击吸收能量高于1号钢，其值为207.7 J，即稀土Y的加入提高了试验钢的冲击能量吸收能力。

图3 试验钢的硬度和冲击吸收能量Fig.3 Hardness and impact absorbed energy of the tested steels

2.2 Y对晶粒度的影响

众所周知，组织的变化会引起试验钢性能的改变[16]。因此，从晶粒和夹杂物的角度来探究试验钢力学性能改善的原因。图4(a，b)分别为1号钢和2号钢的显微组织，对比晶粒度标准图谱，得知1号钢的晶粒度为3级，2号钢的晶粒度则为5级。从图4(b)可以看出，添加稀土Y后，2号钢平均晶粒尺寸明显减小，根据Hall-petch公式σs=σ0+Kd-1/2(σs为材料的屈服强度；σ0为与材料有关的常数；K为常数；d为晶粒直径)可知，试验钢的屈服强度与试验钢的晶粒尺寸的平方根成反比，即试验钢的晶粒尺寸越小，其屈服强度就越大，这也解释了添加稀土Y后试验钢屈服强度得到明显改善的原因。

图4 试验钢的显微组织(a)1号钢；(b)2号钢Fig.4 Microstructure of the tested steels(a) No.1 steel; (b) No.2 steel

2.3 Y对夹杂物的影响

2.3.1 稀土Y夹杂物的热力学计算

TWIP钢中夹杂物以MnS、AlN为主，夹杂物尺寸大部分为2～5 μm，Y与钢中元素的反应式可表示为：

[Y]+x/y[M]=1/yYyMx(S)

试验钢中加入稀土Y后，体系中的组元有Y、C、O、Mn、S，可能进行的反应如下：

2[Y]+3[O]=Y2O3(S)

[Y]+3/2[S]=1/2Y2S3(S)

[Y]+[S]=YS(S)

由化学等温方程式来计算夹杂物的生成自由能：

ΔG=ΔGθ+RTlnJ

(1)

式中：ΔGθ为标准摩尔吉布斯自由能。以1 mol稀土Y为标准，计算出钢液实际条件下含Y夹杂物的生成吉布斯自由能，由生成吉布斯自由能的正负来判断反应是否可以发生，其中：

(2)

ai=fiw[i]

(3)

(4)

表2为1600 ℃下钢液中各元素的相互作用系数[17]。利用表2中的相互作用系数，通过式(3)、(4)计算出钢液在1600 ℃时试验钢中各组元的活度，然后再利用式(1)算出含Y夹杂物的生成自由能，结果列于表3。

表2 1600 ℃下钢液中各元素的相互作用系数

表3的计算结果表明，1600 ℃下，Y在钢液中很容易与[O]、[S]反应，在[O]、[S]很低的情况下，Y依然能够与之结合生成钇的氧、硫化物夹杂，脱氧、脱硫效果显著。2号钢中Y2O3的生成吉布斯自由能最小，因此可以判断在钢液凝固的过程中，试验钢中稀土夹杂物的析出先后顺序为Y2O3、Y2S3、YS。

表3 1600 ℃下试验钢中稀土夹杂物的生成自由能

2.3.2 稀土Y夹杂物的定性分析

图5为1号钢中夹杂物的形貌和元素分布，根据SEM观察统计，未添加稀土Y的试验钢中主要夹杂物为AlN、MnS、Al2O3以及MnS+AlN复合夹杂。其中，MnS夹杂物呈圆形或椭圆形，尺寸约2 μm，见图5(a)；Al2O3夹杂呈尖角形，边缘棱角较明显，其长度约为4 μm(见图5(b))，这类夹杂在锻造和轧制时容易引起应力集中，导致工件开裂。AlN夹杂形貌为规则的几何多边形，尺寸约为5 μm，如图5(c)所示；MnS+AlN复合夹杂，形状极不规则，尺寸约为4 μm，钢液凝固过程中以MnS为核心，AlN在其周围富集，如图5(d)所示。

图5 1号钢中夹杂物FE-SEM形貌及元素分布Fig.5 FE-SEM morphologies and element distribution of inclusions in the No.1 tested steel(a) MnS; (b) Al2O3; (c) AlN; (d) MnS+AlN

图6 2号钢中夹杂物FE-SEM形貌及元素分布Fig.6 FE-SEM morphologies and element distribution of inclusions in the No.2 tested steel(a) AlN+Y2S3; (b) Y2S3+Y2O3; (c) Y2S3

稀土Y很容易与钢液中的[O]和[S]发生反应，因此钢中容易生成YxOy、YxOyS、YxSy等夹杂物。图6为2号钢中夹杂物的形貌和元素分布。通过SEM观察发现，2号钢中主要夹杂物为Y2S3、Y2S3+Y2O3、AlN+Y2S3。图6(a)为AlN+Y2S3，其中圆形部位为Y2S3，边缘部分为几何形状规则的AlN夹杂，其尺寸为1～2 μm；图6(b)为Y2S3+Y2O3，其中中间部分为Y2O3，边缘部分为Y2S3，其尺寸为2～3 μm；图6(c)为Y2S3，其尺寸为1～2 μm。综上所述，2号钢中的夹杂物尺寸均明显减小，稀土Y的加入，对钢中夹杂物进行了明显的改性，夹杂物由原来的MnS、Al2O3改性成Y2S3和Y2O3。1号钢中的夹杂物呈规则的几何多边形，棱角明显，这类夹杂容易引起应力集中；而2号钢中的夹杂物呈椭圆或圆形，所以2号钢的综合性能优于1号钢。

图7 试验钢中夹杂物数量(a)及平均尺寸(b)Fig.7 Quantity(a) and average size(b) of inclusions in the tested steels

2.3.3 夹杂物统计

本试验在Sigma300场发射电镜上利用OTS夹杂物分析系统统计试验钢中夹杂物大小和数量变化。在选取过程中每个试样选取500个视场，检测每个试样中夹杂物的数量，最后统计夹杂物变化规律。

图7(a，b)分别为1号钢和2号钢中夹杂物数量和尺寸的统计结果。从图7(a)可以看出，1号钢和2号钢中均含有Al2O3、Al2O3-MnS、AlN、MnO、MnO-AlN、MnS等夹杂物，相比于1号钢，由于稀土Y的加入，2号钢中增加了稀土夹杂物种类，如Y2S3、Y2S3+Y2O3、AlN+Y2S3。2号钢夹杂物的数量明显减少，相比于1号钢，夹杂物的数量降低28.5%。从图7(b)可以看出，相比于1号钢，除AlN以外，由于稀土Y的加入，2号钢中夹杂物的尺寸均明显减小。同时还可以发现，稀土Y的加入并未对AlN夹杂物的数量和尺寸有明显的改性作用，但对大部分夹杂物都产生了明显的改性作用，因此稀土Y的加入明显地减小了钢中夹杂物的数量和尺寸，对改善钢材的力学性能起到了重要作用。

3 结论

1) 稀土Y的加入，一定程度上提高了TWIP钢的强度和韧性，抗拉强度由725 MPa提高到752 MPa，屈服强度由290 MPa提高到312 MPa；冲击吸收能量由178.9 J提高到207.7 J；而硬度和断后伸长率则有小幅降低。

2) 通过热力学计算可知含Y试验钢中，Y2O3的ΔG最负，因此，Y2O3最先析出，Y2S3次之。通过场发射扫描电镜观测可知，稀土夹杂物以Y2S3、Y2O3及复合稀土夹杂物形式存在，这与热力学计算的结果相一致。

3) 添加稀土Y后，大部分夹杂物的数量和尺寸都有一定程度的减小，同时晶粒明显细化，这是试验钢综合力学性能改善的主要原因之一。