铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响

工程科学学报，第39卷，第7期：1008-1019,2017年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.7:1008-1019,July 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005:http://journals..ustb.edu.cn 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的 影响 刘洪波”，刘建华四，沈少波》，吴博威”，丁浩”，苏晓峰) 1)北京科技大学工程技术研究院，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)河北奥森钢铁股份有限公司技术中心，辛集052360 ☒通信作者，Email:liujianhua@metall.usth.cdu.cn 摘要采用扫描电镜、X射线能谱仪以及扫描电镜配置的夹杂物自动扫描统计软件(INCAFeature)表征了Fe-MnC(-Al) 系TWIP钢中夹杂物的成分、形貌和数量，考察了A1质量分数在0.002%~1.590%的四种TWIP钢中夹杂物的特征和A1含 量对AN析出行为的影响.并在此基础上，采用了适合TWP钢中高锰高铝特点的热力学参数对AN夹杂物进行了系统的热 力学分析.研究表明，在含有相似N质量分数(0.0078%-0.0100%)的TWIP钢中，当钢中A1质量分数升高至0.75%时，A1N 夹杂物开始在钢中析出，并在MnS(Se)-A2O3上局部析出形成MnS(Se)-Al2O,-AlN复合夹杂；当Al质量分数升高至1.07% 时，热力学计算表明AIN已经可以在TWP钢液相中形成，经不断长大后在Mns(Se)夹杂物表面局部析出形成MnS(Se)-AlN 复合夹杂物：在A1质量分数为1.59%的TWIP钢中，A1N的平衡析出温度比其液相线温度高出42℃，在液相中形成的AN可 以作为异质核心，Mns(Se)夹杂在其表面包裹形成Mns(Se)-AlN复合夹杂物.另外，在Fe-l8.21%Mn0.64%C-1.59%Al 体系的TWIP钢中，A1N在液相中析出所需的最低氮的质量分数仅为0.O043%.因此，在TWIP钢的治炼过程中，应尽可能的 降低钢中的氮含量，避免生成过量的AN夹杂 关键词TWP钢：铝含量：夹杂物：热力学：析出行为 分类号TF704.7 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel LIU Hong--do”,LIU Jian--hua)a,SHEN Shao-bo2》,WUBo-ei,DING Hao”,SU Xiaofeng.3》 1)Institute of Engineering Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Technical Center,Hebei Xinji Aosen Steel Co.Ltd.Xinji 052360,China Corresponding author,E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The morphology,composition,and number of inclusions in Fe-Mn-C(-Al)twining-induced plasticity (TWIP)steels were investigated by scanning electron microscopy,energy-dispersive X-ray spectroscopy,and an automated program called "INCAF- eature."The characteristics of the inclusions in four TWIP steels with different Al contents (0.002%-1.590%)as well as the influ- ence of Al content on the precipitation of AlN inclusions were investigated.In addition,systematic thermodynamics calculations of AIN formed in TWIP steel were carried out using the appropriate thermodynamic data for high-Mn-Al TWIP steel.The results show that AIN would begin to precipitate and locally precipitate around the MnS(Se)-AlO inclusions when the Al content in the steel reaches 0.75%.The thermodynamics calculations show that AIN could already form in the liquid TWIP steel at an Al content of 1.07%. Then,AIN would locally precipitate around the MnS(Se)inclusions,thus forming MnS(Se)-AIN aggregates.When the Al content 收稿日期：201607-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574022)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期: 1008--1019，2017 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 7: 1008--1019，July 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 07． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 铝含量 对 TWIP 钢中夹杂物特征及 AlN 析 出 行 为 的 影响 刘洪波1) ，刘建华1) ，沈少波2) ，吴博威1) ，丁 浩1) ，苏晓峰1，3) 1) 北京科技大学工程技术研究院，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 河北奥森钢铁股份有限公司技术中心，辛集 052360 通信作者，E-mail: liujianhua@ metall． ustb． edu． cn 收稿日期: 2016--07--27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51574022) 摘 要 采用扫描电镜、X 射线能谱仪以及扫描电镜配置的夹杂物自动扫描统计软件( INCAFeature) 表征了 Fe--Mn--C( --Al) 系 TWIP 钢中夹杂物的成分、形貌和数量，考察了 Al 质量分数在 0. 002% ～ 1. 590% 的四种 TWIP 钢中夹杂物的特征和 Al 含 量对 AlN 析出行为的影响． 并在此基础上，采用了适合 TWIP 钢中高锰高铝特点的热力学参数对 AlN 夹杂物进行了系统的热 力学分析． 研究表明，在含有相似 N 质量分数( 0. 0078% ～ 0. 0100% ) 的 TWIP 钢中，当钢中 Al 质量分数升高至 0. 75% 时，AlN 夹杂物开始在钢中析出，并在 MnS( Se) --Al2O3上局部析出形成 MnS( Se) --Al2O3 --AlN 复合夹杂; 当 Al 质量分数升高至 1. 07% 时，热力学计算表明 AlN 已经可以在 TWIP 钢液相中形成，经不断长大后在 MnS( Se) 夹杂物表面局部析出形成 MnS( Se) --AlN 复合夹杂物; 在 Al 质量分数为 1. 59% 的 TWIP 钢中，AlN 的平衡析出温度比其液相线温度高出 42 ℃，在液相中形成的 AlN 可 以作为异质核心，MnS( Se) 夹杂在其表面包裹形成 MnS( Se) --AlN 复合夹杂物． 另外，在 Fe--18. 21% Mn--0. 64% C--1. 59% Al 体系的 TWIP 钢中，AlN 在液相中析出所需的最低氮的质量分数仅为 0. 0043% ． 因此，在 TWIP 钢的冶炼过程中，应尽可能的 降低钢中的氮含量，避免生成过量的 AlN 夹杂． 关键词 TWIP 钢; 铝含量; 夹杂物; 热力学; 析出行为 分类号 TF704. 7 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel LIU Hong-bo1) ，LIU Jian-hua1)  ，SHEN Shao-bo2) ，WU Bo-wei1) ，DING Hao1) ，SU Xiao-feng1，3) 1) Institute of Engineering Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Technical Center，Hebei Xinji Aosen Steel Co． Ltd． ，Xinji 052360，China Corresponding author，E-mail: liujianhua@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The morphology，composition，and number of inclusions in Fe--Mn--C( --Al) twining-induced plasticity ( TWIP) steels were investigated by scanning electron microscopy，energy-dispersive X-ray spectroscopy，and an automated program called“INCAF￾eature． ”The characteristics of the inclusions in four TWIP steels with different Al contents ( 0. 002% --1. 590% ) as well as the influ￾ence of Al content on the precipitation of AlN inclusions were investigated． In addition，systematic thermodynamics calculations of AlN formed in TWIP steel were carried out using the appropriate thermodynamic data for high-Mn--Al TWIP steel． The results show that AlN would begin to precipitate and locally precipitate around the MnS( Se) --Al2O3 inclusions when the Al content in the steel reaches 0. 75% ． The thermodynamics calculations show that AlN could already form in the liquid TWIP steel at an Al content of 1. 07% ． Then，AlN would locally precipitate around the MnS( Se) inclusions，thus forming MnS( Se) --AlN aggregates． When the Al content

刘洪波等：铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AN析出行为的影响 ·1009· increases to 1.59%,the precipitation temperature of AlN is 42 C higher than the liquidus temperature of the TWIP steel.Further- more,precipitated AlN inclusions in the liquid TWIP steel could act as heterogeneous nuclei for MnS(Se)inclusions,thus forming MnS(Se)-AlN inclusions.Moreover,according to the thermodynamics calculation,the lowest N content for AlN formation in the liq- uid Fe-18.21%Mn-0.64%C-1.59%Al steel is just 0.0043%.Therefore,the N content should be kept as low as possible to avoid the formation of excessive AlN inclusions during melting of Fe-Mn-C(-Al)TWIP steel. KEY WORDS TWIP steel;aluminum content:inclusions;thermodynamics:precipitation behaviors TWIP(twinning induced plasticity steel)钢也叫做 通过对TWP钢热塑性的研究，发现AIN在奥氏体晶 孪晶诱导塑性钢，是一种具有高强度和高塑性的汽车 界处析出，严重恶化了试样的铸态热塑性.Kang等a网 用钢，同时还具有高的能量吸收能力，没有低温脆性转 对Fe-0.6C-(15~22)Mn-(0.005-0.023)N-(< 变温度，是一种安全、减重和节能的理想汽车用结构材 0.005,1.5)A1高锰TWIP钢的铸态热塑性进行了实验 料.对于Fe-Mn-C-Al系TWIP钢，其化学成分主 分析，根据金相实验结果，研究发现由AlN和MS夹 要是Fe中添加质量分数18%的Mn和0.6%的C,并 杂物形成的第二相粒子是TWIP钢塑形恶化的主要原 加入一定含量的AL.Idrissi等研究发现层错能 因.但是，关于不同A1含量对TWIP钢中AlN夹杂析 (stacking fault energ)是合金材料的一个重要物理特 出行为影响的研究却鲜有报道.因此，有必要对AN 性，直接影响材料的力学性能、位错交滑移、相稳定性 夹杂在Fe-MnC-Al系TWIP钢中的析出行为进行深 等.TWP效应的产生与奥氏体的层错能有重要关系 入分析，这对高锰TWIP钢在生产过程中夹杂物控制 在给定的变形温度下，层错能只取决于化学成分切. 具有指导意义和实用价值. TWIP钢中，一般是通过提高Mn和Al的含量来提高 在本文中，应用扫描电镜、X射线能谱分仪析以及 其堆垛层错能，从而产生TWP效应四.但是，钢中较 扫描电镜中配置的夹杂物自动扫描统计软件(NCAF- 高的Mn和Al含量较易生成AlN、AL,O,、MnS等夹 ealure)对在0.002%~1.59%范围内四种不同Al质量 杂物 分数的Fe-MnC-Al系TWIP钢中夹杂物进行了定量 Gigacher等网结合扫描电镜+能谱分析对铸态下 化分析，并采用了最新适合高锰高铝TWP钢的热力 的Fe-(15~25)Mn3Al3Si系TWIP钢中夹杂物进行 学参数对钢中AN夹杂物进行了系统的热力学分析. 分析，发现TWIP钢中主要夹杂物类型（个数比例）为 在此基础上，研究分析了不同Al含量对Fe-MnC-Al Mn0-Al203-AlN(40%)、Mn0-Al20,-MnS(10%)、 系TWP钢中夹杂物，特别是对AlN夹杂物演变规律 Mn0-AL,0,-AlN-MnS(30%)和单相的AlN(14%). 的影响 Park等在此基础上通过对不同Mn和Al含量的Fe一 1研究方法 Mn一Al系的高锰高铝钢中的夹杂物进行实验研究分 析，发现钢中存在大量单独的A,0,夹杂、聚集成块的 1.1实验材料 Al(O)N以及一些Mns(Se)与AIN伴生的复合夹杂， 采用北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的 并且随着Mn含量的提高，MnS(Se)夹杂在钢中夹杂 50kg中频真空感应炉分别治炼四组不同A!含量的 物所占比例铸件提高：随着熔化时间的增加，聚集成块 Fe-I8Mn0.6C一xAl系TWIP钢.治炼的具体步骤是 的Al(O)N所占比例也逐渐增加.Xin等@对含有不 先以工业纯铁、电解锰和纯碳棒为主要原料配置熔化 同Al含量的FeH6 Mn-xAl0.6C高锰TWIP钢中的夹 料20kg,在真空条件下熔化升温至1600℃.待物料熔 杂物的定量表征，在此基础上采用Factsage热力学计 清后，通过二级料仓加入不同含量纯A!块，在电磁搅 算软件对钢中夹杂物平衡析出温度进行了计算，研究 拌条件下保温3min,待温度成分均匀后浇铸.四组实 发现随着钢中1质量分数从0.002%提高到2.1%， 验所取得的铸态TWP钢实测成分如表1所示. TWIP钢中主要夹杂物的演变规律为Mn0→Al,O,/ 1.2夹杂物取样及表征 MnS→MnS→AN.然而，在其热力学分析中未考虑到 将TWIP钢铸锭去掉冒口后，沿中心纵，然后在 现有热力学参数是不适用于高合金钢中夹杂物热力学 纵剖后的铸锭上进行取样，取样位置如图1所示.在 分析的1-四，同时也缺少对钢中主要夹杂物AN的表 各自铸锭不同高度的中心和直径1/4和边缘处共取9 征与分析. 个试样进行夹杂物分析，样品分别标记为H1~3、 Yin四、Kaushik等、Liu等的和Vedani等a研 M1~3和L1~3.另外，为避免由于宏观偏析导致钢中 究发现高A1钢中的主要夹杂物是AN,高A1钢中AN 成分分布不均，分别在H1、M1和L1下部钻屑取样，然 的析出比普通Al镇静钢容易的多.另外，Kang等D7 后进行化学成分分析，最终取其平均值作为钢中各元

刘洪波等: 铝含量对 TWIP 钢中夹杂物特征及 AlN 析出行为的影响 increases to 1. 59% ，the precipitation temperature of AlN is 42 ℃ higher than the liquidus temperature of the TWIP steel． Further￾more，precipitated AlN inclusions in the liquid TWIP steel could act as heterogeneous nuclei for MnS( Se) inclusions，thus forming MnS( Se) --AlN inclusions． Moreover，according to the thermodynamics calculation，the lowest N content for AlN formation in the liq￾uid Fe--18. 21% Mn--0. 64% C--1. 59% Al steel is just 0. 0043% ． Therefore，the N content should be kept as low as possible to avoid the formation of excessive AlN inclusions during melting of Fe--Mn--C( --Al) TWIP steel． KEY WOＲDS TWIP steel; aluminum content; inclusions; thermodynamics; precipitation behaviors TWIP( twinning induced plasticity steel) 钢也叫做 孪晶诱导塑性钢，是一种具有高强度和高塑性的汽车 用钢，同时还具有高的能量吸收能力，没有低温脆性转 变温度，是一种安全、减重和节能的理想汽车用结构材 料［1--5］． 对于 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢，其化学成分主 要是 Fe 中添加质量分数 18% 的 Mn 和 0. 6% 的 C，并 加入 一 定 含 量 的 Al． Idrissi 等［6］ 研究发现层错能 ( stacking fault energy) 是合金材料的一个重要物理特 性，直接影响材料的力学性能、位错交滑移、相稳定性 等． TWIP 效应的产生与奥氏体的层错能有重要关系． 在给定的变形温度下，层错能只取决于化学成分［7］． TWIP 钢中，一般是通过提高 Mn 和 Al 的含量来提高 其堆垛层错能，从而产生 TWIP 效应［2］． 但是，钢中较 高的 Mn 和 Al 含 量 较 易 生 成 AlN、Al2 O3、MnS 等夹 杂物． Gigacher 等［8］结合扫描电镜 + 能谱分析对铸态下 的 Fe--( 15 ～ 25) Mn--3Al--3Si 系 TWIP 钢中夹杂物进行 分析，发现 TWIP 钢中主要夹杂物类型( 个数比例) 为 MnO--Al2 O3 --AlN ( 40% ) 、MnO--Al2 O3 --MnS ( 10% ) 、 MnO--Al2O3 --AlN--MnS( 30% ) 和单 相 的 AlN( 14% ) ． Park 等［9］在此基础上通过对不同 Mn 和 Al 含量的 Fe-- Mn--Al 系的高锰高铝钢中的夹杂物进行实验研究分 析，发现钢中存在大量单独的 Al2O3夹杂、聚集成块的 Al( O) N 以及一些 MnS( Se) 与 AlN 伴生的复合夹杂， 并且随着 Mn 含量的提高，MnS( Se) 夹杂在钢中夹杂 物所占比例铸件提高; 随着熔化时间的增加，聚集成块 的 Al( O) N 所占比例也逐渐增加． Xin 等［10］对含有不 同 Al 含量的 Fe--16Mn--xAl--0. 6C 高锰 TWIP 钢中的夹 杂物的定量表征，在此基础上采用 Factsage 热力学计 算软件对钢中夹杂物平衡析出温度进行了计算，研究 发现随着钢中 Al 质量分数从 0. 002% 提高到 2. 1% ， TWIP 钢中主要夹杂物的演变规律为 MnO→Al2 O3 / MnS→MnS→AlN． 然而，在其热力学分析中未考虑到 现有热力学参数是不适用于高合金钢中夹杂物热力学 分析的［11--12］，同时也缺少对钢中主要夹杂物 AlN 的表 征与分析． Yin［13］、Kaushik 等［14］、Liu 等［15］和 Vedani 等［16］研 究发现高 Al 钢中的主要夹杂物是 AlN，高 Al 钢中 AlN 的析出比普通 Al 镇静钢容易的多． 另外，Kang 等［17］ 通过对 TWIP 钢热塑性的研究，发现 AlN 在奥氏体晶 界处析出，严重恶化了试样的铸态热塑性． Kang 等［18］ 对 Fe--0. 6C--( 15 ～ 22) Mn--( 0. 005 ～ 0. 023) N--( ＜ 0. 005，1. 5) Al 高锰 TWIP 钢的铸态热塑性进行了实验 分析，根据金相实验结果，研究发现由 AlN 和 MnS 夹 杂物形成的第二相粒子是 TWIP 钢塑形恶化的主要原 因． 但是，关于不同 Al 含量对 TWIP 钢中 AlN 夹杂析 出行为影响的研究却鲜有报道． 因此，有必要对 AlN 夹杂在 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢中的析出行为进行深 入分析，这对高锰 TWIP 钢在生产过程中夹杂物控制 具有指导意义和实用价值． 在本文中，应用扫描电镜、X 射线能谱分仪析以及 扫描电镜中配置的夹杂物自动扫描统计软件( INCAF￾eature) 对在 0. 002% ～ 1. 59% 范围内四种不同 Al 质量 分数的 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢中夹杂物进行了定量 化分析，并采用了最新适合高锰高铝 TWIP 钢的热力 学参数对钢中 AlN 夹杂物进行了系统的热力学分析． 在此基础上，研究分析了不同 Al 含量对 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢中夹杂物，特别是对 AlN 夹杂物演变规律 的影响． 1 研究方法 1. 1 实验材料 采用北京科技大学高效轧制国家工程研究中心的 50 kg 中频真空感应炉分别冶炼四组不同 Al 含量的 Fe--18Mn--0. 6C--xAl 系 TWIP 钢． 冶炼的具体步骤是 先以工业纯铁、电解锰和纯碳棒为主要原料配置熔化 料 20 kg，在真空条件下熔化升温至 1600 ℃ ． 待物料熔 清后，通过二级料仓加入不同含量纯 Al 块，在电磁搅 拌条件下保温 3 min，待温度成分均匀后浇铸． 四组实 验所取得的铸态 TWIP 钢实测成分如表 1 所示． 1. 2 夹杂物取样及表征 将 TWIP 钢铸锭去掉冒口后，沿中心纵剖，然后在 纵剖后的铸锭上进行取样，取样位置如图 1 所示． 在 各自铸锭不同高度的中心和直径 1 /4 和边缘处共取 9 个试样进行夹杂物分析，样 品 分 别 标 记 为 H1 ～ 3、 M1 ～ 3 和 L1 ～ 3． 另外，为避免由于宏观偏析导致钢中 成分分布不均，分别在 H1、M1 和 L1 下部钻屑取样，然 后进行化学成分分析，最终取其平均值作为钢中各元 · 9001 ·

·1010· 工程科学学报，第39卷，第7期 表1实验用高锰TWP钢中各元素质量分数 Table 1 Composition of the high-Mn TWIP steels examined % 钢号 C Mn Al 0 N Fe 2 0.61 18.22 0.0076 0.0071 0.002 0.0010 0.0100 余量 12 0.61 17.70 0.0074 0.0078 0.750 <0.0005 0.0087 余量 3 0.60 17.22 0.0078 0.0080 1.070 <0.0005 0.0088 余量 4 0.64 18.21 0.0062 0.0076 1.590 <0.0005 0.0078 余量 和尺寸；夹杂物的成分由能谱仪(EDS)进行确定，其 20 中，夹杂物中元素分布采用面扫描(mapping)和线扫描 (line scanning)进行确定；利用扫描电镜中的NCAFea-- ture软件(SEM+EDS+INCAFeature)在5O0倍下随机 化学成分取料 选取100个视场自动扫描钢中夹杂物并统计各阶段夹 杂物的数量及尺寸分布，电镜检测到夹杂物最小的当 量直径为lum.另外，利用NCAFeature软件自动扫描 时，扫描电镜设置的参数如表2所示 表2利用NCAFeature软件自动扫描时电镜的参数 Table 2 Adjusted SEM parameters for inclusion analysis using the IN- CAFeature software 工作电压/kV工作距离/mm 放大倍数 光栅/μm 15 11 500 60 2 实验结果 2.1TWP钢中夹杂物的特征 2.1.1含A1质量分数0.002%的TWIP钢 图1TWP钢铸锭取样方案（单位：mm) Fig.1 Sampling plans for inclusions analysis in TWIP steels (unit: 图2为T1钢试样在扫描电镜下观察到典型夹杂 mm) 物的形貌以及主要成分，图中同时给出了夹杂物成分 和各个元素所占的质量分数.夹杂物的平均尺寸为 素的含量 1~3m,形貌主要为椭圆形.值得注意的是，在夹杂 夹杂物分析是对取样方案中四种不同A1含量的 物的能谱结果中常含有基体和相邻夹杂物中的元素， TWP钢中共计36个试样进行粗磨、细磨和抛光后，在 这是因为夹杂物尺寸较小，扫描电镜配置的Oxford能 Zeiss-Ultra55型场发射扫描电镜下观察夹杂物的形貌 谱仪受到扫描范围的影响所致，但这些元素含量相对 (a) b MnS(Se) ALO, 质量分数/% 质量分数% Mn56.90 A134.53 MnS(Se) s2128 037.62 质量分数% MnO 0 8.76 Mn10.44 Mn54.41 质量分数% 5.84 C 6.53 Se S13.21 Mn40.25 4.91 MnS Se5.91 054.26 C 921 5.49 014.18 2 jm 图2T1TWIP钢铸锭样中典型夹杂物的形貌及主要成分(Al质量分数为0.002%).(a)Mn0夹杂：(b)MnS(Se)夹杂：(c)MnS(Sc)-Al2 0,复合夹杂 Fig.2 Morphology and chemical composition of typical inclusions in Tl*as-cast TWIP steel (Al content of 0.002%):(a)MnO inclusion:(b)MnS (Se)inclusion:(c)MnS(Se)-Al,0 inclusion

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 表 1 实验用高锰 TWIP 钢中各元素质量分数 Table 1 Composition of the high--Mn TWIP steels examined % 钢号 C Mn P S Al O N Fe T1 0. 61 18. 22 0. 0076 0. 0071 0. 002 0. 0010 0. 0100 余量 T2 0. 61 17. 70 0. 0074 0. 0078 0. 750 ＜ 0. 0005 0. 0087 余量 T3 0. 60 17. 22 0. 0078 0. 0080 1. 070 ＜ 0. 0005 0. 0088 余量 T4 0. 64 18. 21 0. 0062 0. 0076 1. 590 ＜ 0. 0005 0. 0078 余量 图 1 TWIP 钢铸锭取样方案( 单位: mm) Fig． 1 Sampling plans for inclusions analysis in TWIP steels( unit: mm) 素的含量． 图 2 T1#TWIP 钢铸锭样中典型夹杂物的形貌及主要成分( Al 质量分数为 0. 002% ) ． ( a) MnO 夹杂; ( b) MnS( Se) 夹杂; ( c) MnS( Se) --Al2 O3复合夹杂 Fig． 2 Morphology and chemical composition of typical inclusions in T1# as-cast TWIP steel ( Al content of 0. 002% ) : ( a) MnO inclusion; ( b) MnS ( Se) inclusion; ( c) MnS( Se) --Al2O3 inclusion 夹杂物分析是对取样方案中四种不同 Al 含量的 TWIP 钢中共计 36 个试样进行粗磨、细磨和抛光后，在 Zeiss--Ultra55 型场发射扫描电镜下观察夹杂物的形貌 和尺寸; 夹杂物的成分由能谱仪( EDS) 进行确定，其 中，夹杂物中元素分布采用面扫描( mapping) 和线扫描 ( line scanning) 进行确定; 利用扫描电镜中的 INCAFea￾ture 软件( SEM + EDS + INCAFeature) 在 500 倍下随机 选取 100 个视场自动扫描钢中夹杂物并统计各阶段夹 杂物的数量及尺寸分布，电镜检测到夹杂物最小的当 量直径为 1 μm． 另外，利用 INCAFeature 软件自动扫描 时，扫描电镜设置的参数如表 2 所示． 表 2 利用 INCAFeature 软件自动扫描时电镜的参数 Table 2 Adjusted SEM parameters for inclusion analysis using the IN￾CAFeature software 工作电压/ kV 工作距离/mm 放大倍数 光栅/μm 15 11 500 60 2 实验结果 2. 1 TWIP 钢中夹杂物的特征 2. 1. 1 含 Al 质量分数 0. 002% 的 TWIP 钢 图 2 为 T1 钢试样在扫描电镜下观察到典型夹杂 物的形貌以及主要成分，图中同时给出了夹杂物成分 和各个元素所占的质量分数． 夹杂物的平均尺寸为 1 ～ 3 μm，形貌主要为椭圆形． 值得注意的是，在夹杂 物的能谱结果中常含有基体和相邻夹杂物中的元素， 这是因为夹杂物尺寸较小，扫描电镜配置的 Oxford 能 谱仪受到扫描范围的影响所致，但这些元素含量相对 · 0101 ·

刘洪波等：铝含量对TWP钢中夹杂物特征及AN析出行为的影响 *1011· 较少，不影响夹杂物类型的判断. 外，在T2钢中未发现团簇状的A山，0，·在T2钢中最主 如图2(a)所示，T1钢中氧化物主要为Mn0夹杂， 要的夹杂物类型为Mns(Se)-AL,0,-AlN,如图3(d)~ 呈椭圆形，尺寸较小，在1μm左右.图2(b)中夹杂物 ()所示，A山，0，最先析出，而后作为复合夹杂物的核 为椭圆形的Mns夹杂，尺寸在1~3wm之间.图2(c)中 心，Mns(Se)会在其表面包裹析出，随后AN或l(O)N 夹杂物是核心为尺寸较小的Al,O,复合夹杂物，MnS(Se) 在MnS(Se)上局部析出形成MnS(Se)-AL,O,-AlN复 在夹杂物表面呈局部析出，夹杂物为近椭圆形 合夹杂.在扫描电镜下未发现单独析出的AN或 另外，需要注意的是TWIP钢中硫化物主要是 Al(O)N.另外，图4为图3(f)中典型夹杂物Mns(Se)- MnS(Se),而不是MnS,这是因为本文熔炼TWIP钢铸 锭所用原材料采用了大量的电解锰，而在电解锰的工 A山，O,一AN的面扫描分布图，从面扫描结果可以明显看 业化生产过程中，普遍使用Se0,作为电解添加剂，其 出，该夹杂物成分确定为MnS(Se)-AL,O,一-AlN 可以提高电流效率，SeO2在阴极还原成元素Se,吸附 2.1.3含A1质量分数1.07%的TWP钢 在阴极上能提高氢的析出超电压90 图5为在T3钢中观察到的典型夹杂物的形貌及 2.1.2含A1质量分数0.75%的TWIP钢 主要成分，夹杂物尺寸为1~4um,形貌有六方形和不 图3是T2铸态TWIP钢样在扫描电镜下观察到 规则的多边形 的典型夹杂物形貌及其主要成分，在图中可以明显看 如图5(a)所示，T3钢中开始出现单独的AN夹 出，夹杂物的尺寸在1~5um之间. 杂，其形貌呈不规则的多边形结构，尺寸较小，约为1 图3(a)所示夹杂物为单独的Mns(Se),尺寸约为 μm.与T2钢类似，在T3钢中也发现了大量的 2m,形貌近似为不规则多边形.在T2钢中的氧化物 MnS(Se)-AL,0,-AlN,其形貌如图5(b)所示，AL,0,作 主要为A1,03,其在钢中有两种存在形式，单独存在或 为异质核心最先析出，MnS(Se)在其表面包裹析出，而 作为异质核心被Mns(Se)包裹存在于钢中，分别如图 后一些尺寸不一的AIN在MnS(Se)夹杂表面局部析 3(b)和图3(c)所示.在图3(b)中，A0,单独存在于 出.值得注意的一点是，相较于T2钢，在T3钢中出现 钢中，其尺寸较小，小于1μm,呈近似三角形.图3(c) 的Mns(Se)-Al,O,-AlN夹杂物中，在MnS(Se)表面局 夹杂物核心为AL,O,MnS(Se)在其表面包裹析出.另 部析出的AIN的尺寸一般较大，尺寸在3~4m.另 b 质量分数% (c) 质量分数/% A131.91 A132.27 031.38 036.34 Mn 8.01 Mm16.62 5.69 6.67 Fe23.02 C 8.00 A10 MnS(Se) MnS(Se) 质量分数% 质量分数% Mn 49.21 23.80 Mn48.77 3.09 25.52 MnS(Se-ALO, 8.47 13.28 Fe 1543 m 500m 0 I gm 5.41 AIN (e) f) 质量分数停 A156.88 1.94 A10 AIN 3.95 0 MnS(Se) ALO. 质量分数/% MnS(Se) MnS 1n5161 26.15 MnS(Se)-ALO,-AIN se1.17 C6.85 2 Hm MnS(Se)-ALO,-AIN MnS-ALO,-AIN 01.94 2 um 2 jm 图3T2TWIP钢铸锭样中典型夹杂物的形貌及主要成分(Al质量分数为0.75%).(a)MnS(Se)夹杂：(b)A灿20，夹杂：(c)MS(Se)- AL,O复合夹杂：(d)Mns(Sc)-A山20，-AIN复合夹杂：(e)Mns(Se)-A山，O,-AlN复合夹杂：(0MnS-AL,O,-AIN复合夹杂 Fig.3 Morphology and chemical composition of typical inclusions in T2*as-cast TWIP steel (Al content of 0.75%):(a)MnS(Se)inclusion:(b) Al2 0;inclusions:(c)MnS (Se)-AL2O;inclusion:(d)MnS(Se)-Al202-AIN inclusion:(e)MnS(Se)-Al,O,-AIN inclusions:(f)MnS-Al,03- AlN inclusion

刘洪波等: 铝含量对 TWIP 钢中夹杂物特征及 AlN 析出行为的影响 较少，不影响夹杂物类型的判断． 如图 2( a) 所示，T1 钢中氧化物主要为 MnO 夹杂， 呈椭圆形，尺寸较小，在 1 μm 左右． 图 2( b) 中夹杂物 为椭圆形的 MnS 夹杂，尺寸在 1 ～ 3 μm 之间． 图 2( c) 中 夹杂物是核心为尺寸较小的 Al2O3复合夹杂物，MnS( Se) 在夹杂物表面呈局部析出，夹杂物为近椭圆形． 另外，需 要 注 意 的 是 TWIP 钢 中 硫 化 物 主 要 是 MnS( Se) ，而不是 MnS，这是因为本文熔炼 TWIP 钢铸 锭所用原材料采用了大量的电解锰，而在电解锰的工 业化生产过程中，普遍使用 SeO2 作为电解添加剂，其 可以提高电流效率，SeO2 在阴极还原成元素 Se，吸附 在阴极上能提高氢的析出超电压［19--20］． 2. 1. 2 含 Al 质量分数 0. 75% 的 TWIP 钢 图 3 是 T2 铸态 TWIP 钢样在扫描电镜下观察到 的典型夹杂物形貌及其主要成分，在图中可以明显看 出，夹杂物的尺寸在 1 ～ 5 μm 之间． 图 3 T2#TWIP 钢铸锭样中典型夹杂物的形貌及主要成分( Al 质量分数为 0. 75% ) ． ( a) MnS( Se) 夹杂; ( b) Al2 O3 夹杂; ( c) MnS( Se) -- Al2O3复合夹杂; ( d) MnS( Se) --Al2O3--AlN 复合夹杂; ( e) MnS( Se) --Al2O3--AlN 复合夹杂; ( f) MnS--Al2O3--AlN 复合夹杂 Fig． 3 Morphology and chemical composition of typical inclusions in T2# as-cast TWIP steel ( Al content of 0. 75% ) : ( a) MnS( Se) inclusion; ( b) Al2O3 inclusions; ( c) MnS( Se) --Al2O3 inclusion; ( d) MnS( Se) --Al2O3 --AlN inclusion; ( e) MnS( Se) --Al2O3 --AlN inclusions; ( f) MnS--Al2O3 -- AlN inclusion 图 3( a) 所示夹杂物为单独的 MnS( Se) ，尺寸约为 2 μm，形貌近似为不规则多边形． 在 T2 钢中的氧化物 主要为 Al2O3，其在钢中有两种存在形式，单独存在或 作为异质核心被 MnS( Se) 包裹存在于钢中，分别如图 3( b) 和图 3( c) 所示． 在图 3( b) 中，Al2O3单独存在于 钢中，其尺寸较小，小于 1 μm，呈近似三角形． 图 3( c) 夹杂物核心为 Al2O3，MnS( Se) 在其表面包裹析出． 另 外，在 T2 钢中未发现团簇状的 Al2O3 ． 在 T2 钢中最主 要的夹杂物类型为 MnS( Se) --Al2O3 --AlN，如图 3( d) ～ ( f) 所示，Al2 O3 最先析出，而后作为复合夹杂物的核 心，MnS( Se) 会在其表面包裹析出，随后 AlN 或 Al( O) N 在 MnS( Se) 上局部析出形成 MnS( Se) --Al2O3 --AlN 复 合夹杂． 在扫描电镜下未发现单独析出的 AlN 或 Al( O) N． 另外，图 4 为图 3( f) 中典型夹杂物MnS( Se) -- Al2O3 --AlN 的面扫描分布图，从面扫描结果可以明显看 出，该夹杂物成分确定为 MnS( Se) --Al2O3 --AlN． 2. 1. 3 含 Al 质量分数 1. 07% 的 TWIP 钢 图 5 为在 T3 钢中观察到的典型夹杂物的形貌及 主要成分，夹杂物尺寸为 1 ～ 4 μm，形貌有六方形和不 规则的多边形． 如图 5( a) 所示，T3 钢中开始出现单独的 AlN 夹 杂，其形貌呈不规则的多边形结构，尺寸较小，约为 1 μm． 与 T2 钢 类 似，在 T3 钢中也发现了大量的 MnS( Se) --Al2O3 --AlN，其形貌如图 5( b) 所示，Al2O3作 为异质核心最先析出，MnS( Se) 在其表面包裹析出，而 后一些尺寸不一的 AlN 在 MnS( Se) 夹杂表面局部析 出． 值得注意的一点是，相较于 T2 钢，在 T3 钢中出现 的 MnS( Se) --Al2O3 --AlN 夹杂物中，在 MnS( Se) 表面局 部析出的 AlN 的尺寸一般较大，尺寸在 3 ～ 4 μm． 另 · 1101 ·

·1012· 工程科学学报，第39卷，第7期 2 Hm 74 10m Al Kal NKal_2 10m OKal Fe 10m Mn Kal 31 I0mSKal 48 35 10m Fe Kal 图4T2#TWIP钢铸锭样中MS(Se)一A2O,-AN复合夹杂物中主要元素分布图 Fig.4 SEM images and element mappings of MnS(Se)-Al,O2-AIN inclusion formed in T2*TWIP steel (a ALO AI(O)N (e) 质量分数/% 质量分数% A14158 A147.83 MnS(Se)-ALO,-AIN 032.44 MnS(Se)-AIN MnS(Se) N18.38 Mn13.07 07.91 7.04 ,质量分数% Mn462 587 Mn45.59 Fe21.26 S19.22 10.66 MnS(Se) AIN 15 质量分数% 质量分数% AIN 1.75 Mn49.06 A156.55 质量分数% S22.93 N22.75 A166.33 9.57 Mn8.30 N)0R5 6.47 Fe12.40 2.02 500nm 0 1.97 Fe10.00 24m Fe1.81 2 um 图5 T3"TWIP钢铸锭样中典型夹杂物的形貌及主要成分(A质量分数为1.07%).(a)AI(O)N夹杂：(b)Mns(Se)-A山，O,-AN复合夹 杂：(c)Mns(Se)-AIN复合夹杂 Fig.5 Morphology and chemical composition of typical inclusions in T3 as-cast TWIP steel (Al content of 1.07%):(a)Al(O)N inclusion:(b) MnS (Se)-Al20,-AIN inclusion:(c)MnS(Se)-AIN inclusion 外，如图5(c)所示，在T3钢中也发现了大量的 MnS(Se)-AlN.另外，如图6()所示，在T4钢中发现 Mns(Se)-AlN复合夹杂，其特点一般是一些尺寸较大 了少量聚集的Mns(Se)-AlN复合夹杂. 的AlN作为核心，MnS(Se)会在其表面局部析出. 2.2TWP钢中夹杂物的类型及演变规律 2.1.4含Al质量分数1.59%的TWP钢 通过对Fe-18Mn0.6CxAl高锰TWIP钢铸锭所 在图6(a)中可以明显看出，随着TWIP钢中Al质 取试样磨样、抛光后进行扫描电镜+能谱分析，TWP 量分数增大至1.59%，在T4钢中出现了一些带有棱 钢中的非金属夹杂物主要分为8种类型，对不同类型 角六边形的AN夹杂，其尺寸较大，在I0m左右.另 的夹杂物数量进行统计分类后得到图8所示的钢中夹 外，在扫描电镜下观察到少量团簇状的AIN夹杂，如图 杂物的类型及演变规律.从图中可以明显看出，在T1 6(b)所示，其尺寸一般大于10μm.在T4钢中相对含 钢中主要的硫化物夹杂为MnS/Mns(Se),同时此类夹 量最大的夹杂物为MnS(Se)-AlN,如图6(c)~(f)所 杂物也是T1钢中最主要类型的夹杂物，其比例占到夹 示，AlN最先析出，而后作为复合夹杂物的核心，Mns 杂物总量的44.9%.T1钢中主要的氧化夹杂为Mn0, (Se)会在其表面包裹析出形成Mns(Se)-AN复合夹 其所占比例约为34.5%.含1夹杂物主要以单相AL,0, 杂.在此类夹杂物中，一般作为异质核心的AN夹杂 形式存在于钢中，约为17.5%. 的尺寸较小，在500nm~2m之间.从图7所示的线 当TWP钢中A1质量分数升高至0.75%时，在钢 扫描结果也可以明显看出，该夹杂物的成分确定为 中含Al的夹杂物中，开始出现了AIN/A1(O)N.正如

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 4 T2#TWIP 钢铸锭样中 MnS( Se) --Al2O3--AlN 复合夹杂物中主要元素分布图 Fig． 4 SEM images and element mappings of MnS( Se) --Al2O3--AlN inclusion formed in T2# TWIP steel 图 5 T3#TWIP 钢铸锭样中典型夹杂物的形貌及主要成分( Al 质量分数为 1. 07% ) ． ( a) Al( O) N 夹杂; ( b) MnS( Se) --Al2 O3--AlN 复合夹 杂; ( c) MnS( Se) --AlN 复合夹杂 Fig． 5 Morphology and chemical composition of typical inclusions in T3# as-cast TWIP steel ( Al content of 1. 07 % ) : ( a) Al( O) N inclusion; ( b) MnS( Se) --Al2O3--AlN inclusion; ( c) MnS( Se) --AlN inclusion 外，如图 5 ( c ) 所 示，在 T3 钢中也发现了大量的 MnS( Se) --AlN 复合夹杂，其特点一般是一些尺寸较大 的 AlN 作为核心，MnS( Se) 会在其表面局部析出． 2. 1. 4 含 Al 质量分数 1. 59% 的 TWIP 钢 在图 6( a) 中可以明显看出，随着 TWIP 钢中 Al 质 量分数增大至 1. 59% ，在 T4 钢中出现了一些带有棱 角六边形的 AlN 夹杂，其尺寸较大，在 10 μm 左右． 另 外，在扫描电镜下观察到少量团簇状的 AlN 夹杂，如图 6( b) 所示，其尺寸一般大于 10 μm． 在 T4 钢中相对含 量最大的夹杂物为 MnS( Se) --AlN，如图 6( c) ～ ( f) 所 示，AlN 最先析出，而后作为复合夹杂物的核心，MnS ( Se) 会在其表面包裹析出形成 MnS( Se) --AlN 复合夹 杂． 在此类夹杂物中，一般作为异质核心的 AlN 夹杂 的尺寸较小，在 500 nm ～ 2 μm 之间． 从图 7 所示的线 扫描结果也可以明显看出，该夹杂物的成分确定为 MnS( Se) --AlN． 另外，如图 6( f) 所示，在 T4 钢中发现 了少量聚集的 MnS( Se) --AlN 复合夹杂． 2. 2 TWIP 钢中夹杂物的类型及演变规律 通过对 Fe--18Mn--0. 6C--xAl 高锰 TWIP 钢铸锭所 取试样磨样、抛光后进行扫描电镜 + 能谱分析，TWIP 钢中的非金属夹杂物主要分为 8 种类型，对不同类型 的夹杂物数量进行统计分类后得到图 8 所示的钢中夹 杂物的类型及演变规律． 从图中可以明显看出，在 T1 钢中主要的硫化物夹杂为 MnS /MnS( Se) ，同时此类夹 杂物也是 T1 钢中最主要类型的夹杂物，其比例占到夹 杂物总量的 44. 9% ． T1 钢中主要的氧化夹杂为 MnO， 其所占比例约为 34. 5% ． 含 Al 夹杂物主要以单相 Al2O3 形式存在于钢中，约为 17. 5% ． 当 TWIP 钢中 Al 质量分数升高至 0. 75% 时，在钢 中含 Al 的夹杂物中，开始出现了 AlN /Al( O) N． 正如 · 2101 ·