工程科学学报，第38卷，第6期：795804,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.6:795-804,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.06.008:http://journals.ustb.edu.cn Fe-22Mn0.7 C TWIP钢的热塑性与断裂机制 兰鹏2)四，唐海燕12，纪元2》，杜辰伟2》，张家泉12) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:lanpeng@usth.cdu.cm 摘要基于G1 leeble-1500热力模拟试验机测定了Fe-22Mn0.7 C TWIP钢和Q235钢700~1300℃范围内的静态拉伸行为. 采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、电子探针微区分析等技术表征两钢种不同温度下的变形特征和断口形貌.通过 分析基体化学成分、相体积分数、晶粒尺寸、凝固缺陷等因素探讨TWP钢铸态热塑性的变化规律及其影响机制.研究结果表 明，Fe-22Mn0.7 C TWIP钢700~1250℃范围内的铸态抗拉强度高于0235，而其断面收缩率低于40%，且断口均以沿枝晶间 断裂方式为主.品粒细化和控制溶质显微偏析有利于提高TWP钢热塑性，与基体均质性改善有关.此外，增加应变速率 TWP钢拉伸强度和断面收缩率同时增大. 关键词锰钢：热塑性：断裂机制裂纹：连铸 分类号TG142.7 Hot ductility and fracture mechanism of Fe-22Mn-0.7C TWIP steel LAN Peng,TANG Hai-yan',JI Yuan'),DU Chen-wei,ZHANG Jia-quan 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:lanpeng@ustb.edu.cn ABSTRACT The static tensile behaviors of Fe-22Mn-0.7C TWIP steel and Q235 steel between 700 C and 1300 C were investiga- ted by Gleeble-1500 thermo-mechanical simulator.The microstructure characteristic and fracture morphology were observed by optical microscopy,scanning electron microscopy,energy dispersive spectrometry and electron probe micro-analysis.The hot ductility and influenced mechanism were revealed based on the discussion of chemical composition,matrix phase volume fraction,grain size and solidification defects.It is found that the TWIP steel has a reduction in area lower than 40%in the temperature range of 700 C to 1250C,but its tensile strength is higher than that of Q235 steel.Fractographic results manifest intergranular fracture for the TWIP steel.Grain refinement and microsegregation descending in the TWIP steel are beneficial to increasing the hot ductility due to the improvement of matrix homogeneity.Besides,the tensile strength and reduction in area of the TWIP steel increase with increasing strain rate. KEY WORDS manganese steel:hot ductility:fracture mechanisms;cracks;continuous casting 高锰TWP钢卓越的能量吸收性能使其成为汽车 较早开展TWP钢渣一金反应行为的基础研究之一. 轻量化领域的研究焦点.然而，TWP钢的超高合金化 刘建华等回基于工业实验结果提出精炼前期脱碳保锰 也为其治炼、浇铸控制工艺带来巨大挑战.陈建斌 与后期金属锰合金化相结合的成分控制策略，成功指 等0建立Fe-MnC系TWIP钢熔炼过程的热/动力学 导某厂建立Fe-25Mn-3Si-3 AI TWIP钢的合金化路 模型，且其预测值与实验值比较接近，是已报道文献中 线.同时，Gigacher等、兰鹏、Yang等实验分析 收稿日期：2015-06-15 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP5066A)
工程科学学报，第 38 卷，第 6 期: 795--804，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 6: 795--804，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 06． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn Fe--22Mn--0. 7C TWIP 钢的热塑性与断裂机制 兰 鹏1，2) ，唐海燕1，2) ，纪 元1，2) ，杜辰伟1，2) ，张家泉1，2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: lanpeng@ ustb． edu． cn 摘 要 基于 Gleeble-1500 热力模拟试验机测定了 Fe--22Mn--0. 7C TWIP 钢和 Q235 钢 700 ～ 1300 ℃范围内的静态拉伸行为． 采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、电子探针微区分析等技术表征两钢种不同温度下的变形特征和断口形貌． 通过 分析基体化学成分、相体积分数、晶粒尺寸、凝固缺陷等因素探讨 TWIP 钢铸态热塑性的变化规律及其影响机制． 研究结果表 明，Fe--22Mn--0. 7C TWIP 钢 700 ～ 1250 ℃范围内的铸态抗拉强度高于 Q235，而其断面收缩率低于 40% ，且断口均以沿枝晶间 断裂方式为主． 晶粒细化和控制溶质显微偏析有利于提高 TWIP 钢热塑性，与基体均质性改善有关． 此外，增加应变速率 TWIP 钢拉伸强度和断面收缩率同时增大． 关键词 锰钢; 热塑性; 断裂机制; 裂纹; 连铸 分类号 TG142. 7 Hot ductility and fracture mechanism of Fe--22Mn--0. 7C TWIP steel LAN Peng1，2) ，TANG Hai-yan1，2) ，JI Yuan1，2) ，DU Chen-wei1，2) ，ZHANG Jia-quan1，2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: lanpeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The static tensile behaviors of Fe--22Mn--0. 7C TWIP steel and Q235 steel between 700 ℃ and 1300 ℃ were investigated by Gleeble-1500 thermo-mechanical simulator． The microstructure characteristic and fracture morphology were observed by optical microscopy，scanning electron microscopy，energy dispersive spectrometry and electron probe micro-analysis． The hot ductility and influenced mechanism were revealed based on the discussion of chemical composition，matrix phase volume fraction，grain size and solidification defects． It is found that the TWIP steel has a reduction in area lower than 40% in the temperature range of 700 ℃ to 1250 ℃，but its tensile strength is higher than that of Q235 steel． Fractographic results manifest intergranular fracture for the TWIP steel． Grain refinement and microsegregation descending in the TWIP steel are beneficial to increasing the hot ductility due to the improvement of matrix homogeneity． Besides，the tensile strength and reduction in area of the TWIP steel increase with increasing strain rate． KEY WOＲDS manganese steel; hot ductility; fracture mechanisms; cracks; continuous casting 收稿日期: 2015--06--15 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( FＲF-TP-15-066A) 高锰 TWIP 钢卓越的能量吸收性能使其成为汽车 轻量化领域的研究焦点． 然而，TWIP 钢的超高合金化 也为其冶炼、浇铸控制工艺带来巨大挑战． 陈 建 斌 等［1］建立 Fe--Mn--C 系 TWIP 钢熔炼过程的热/动力学 模型，且其预测值与实验值比较接近，是已报道文献中 较早开展 TWIP 钢渣--金反应行为的基础研究之一． 刘建华等［2］基于工业实验结果提出精炼前期脱碳保锰 与后期金属锰合金化相结合的成分控制策略，成功指 导某厂建立 Fe--25Mn--3Si--3Al TWIP 钢的合金化路 线． 同时，Gigacher 等［3］、兰鹏［4］、Yang 等［5］实验分析
·796· 工程科学学报，第38卷，第6期 高锰钢的凝固特性及其铸坯质量问题，为改善和优化 仍不明确 TWP钢浇铸控制工艺提供可靠依据.已有研究表 本研究通过对比Fe-22Mn0.7 C TWIP和Q235钢 明-可，中、高锰钢连铸生产时极易发生角部和内部裂 铸态试样热拉伸试验结果分析高锰、高碳合金化对基 纹，严重降低板材加工和使用性能甚至导致产品报废. 体高温变形行为的影响，揭示700~1300℃之间两钢 TWP钢浇铸、加工缺陷与其高温力学行为有关 种铸态热塑性的差异与变化规律，讨论TWP钢均质 Bleck等、Kang等、Salas-Reyes等a和Lan等u 性和晶粒度与其静态拉伸时断面收缩率的关系，为进 实验中测定TWP钢的铸态热塑性比较差，其700~ 一步建立和完善高锰TWIP钢工业路线及其质量控制 1200℃范围内的断面收缩率约为40%.然而，根据 策略提供理论指导和实验参考 Yang等、Hamada和Karjalainen☒对TWP钢试样的 1 试样与实验方案 热拉伸试验分析，其700~1300℃范围内断面收缩率 高于40%，且最高可达87%.尽管以上实验中钢种成 采用25kg中频真空感应炉在氩气氛下分别治炼 分和基体晶粒度不同，但文献中揭示的高锰TWP钢 Fe-22Mn-0.7 C TWIP钢和Q235钢，两钢种实测成分 热塑性与常见钢种的差异及其与连铸裂纹倾向的关系 如表1所示 表1高温拉伸试样的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of specimens for high temperature tensile test 号 试样 设计成分 C Mn P 0 N Fe TWIP Fe-22Mn-0.7C 0.73 22.03 0.17 0.00560.0060<0.0051.5×10-4 6×10-4 余量 0235 Fe-0.7Mn-0.1C 0.15 0.71 余量 值得注意的是，试样中O和N的质量分数分别 样，其尺寸为b10mm×120mm.采用Gleeble500热 为15×106和60×106，处于普碳钢工业生产中的 力模拟试验机测试两钢种的铸态高温拉伸性能，具 正常控制水平.为了避免夹杂物和宏观偏析恶化性 体实验方案如图1所示.当测试温度T,不高于1200 能，并考虑到连铸过程中裂纹容易在枝晶间产生，根 ℃时采用(a)拉伸方案，高于1200℃时采用(b)拉伸 据已完成的低倍酸洗实验，在各铸锭的柱状晶区取 方案. a T+50℃.2min 7.5min -1.67℃·g1 A∧∧ 103s1 T.2 min 103s1 时间 时间 图1高温拉伸试验方案.(a)≤1200℃：(b)>1200℃ Fig.1 Schemes of high temperature tensile test:(a)≤1200℃：(b)>1200℃ 选取精度为0.02mm的游标卡尺测量试样三个方 2实验结果及分析 向的断面直径（相邻方向夹角约为120），最终数据为 三次测量结果的平均值.采用扫描电子显微镜、能谱 2.1TWP钢高温拉伸行为与断裂特征 仪和光学显微镜观察试样断口形貌及基体变形特征， 采用Gleeble500热力模拟试验机测定各试样 基于电子探针微区分析技术表征高锰TWIP钢试样的 700~1300℃范围内（温度间隔50℃）的真应力-应变 溶质显微分布，结合JmatPro7.0软件对不同钢种相组 曲线如图2所示.图中可见，各试样的流变应力均随 分的预测结果，揭示Fe-MnC系TWIP钢高温力学行 温度升高而降低，而断裂应变温度升高非单调变化. 为及热塑性影响机制. 在700~1000℃范围内，Fe22Mn0.7 C TWIP钢试样的
工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 高锰钢的凝固特性及其铸坯质量问题，为改善和优化 TWIP 钢浇铸控制工艺提供可靠依据． 已 有 研 究 表 明［3--7］，中、高锰钢连铸生产时极易发生角部和内部裂 纹，严重降低板材加工和使用性能甚至导致产品报废． TWIP 钢 浇 铸、加 工 缺 陷 与 其 高 温 力 学 行 为 有 关． Bleck 等［8］、Kang 等［9］、Salas-Ｒeyes 等［10］ 和 Lan 等［11］ 实验中测定 TWIP 钢的铸态热塑性比较差，其 700 ～ 1200 ℃ 范围内的断面收缩率约为 40% ． 然 而，根 据 Yang 等［5］、Hamada 和 Karjalainen［12］对 TWIP 钢试样的 热拉伸试验分析，其 700 ～ 1300 ℃ 范围内断面收缩率 高于 40% ，且最高可达 87% ． 尽管以上实验中钢种成 分和基体晶粒度不同，但文献中揭示的高锰 TWIP 钢 热塑性与常见钢种的差异及其与连铸裂纹倾向的关系 仍不明确． 本研究通过对比 Fe--22Mn--0. 7C TWIP 和 Q235 钢 铸态试样热拉伸试验结果分析高锰、高碳合金化对基 体高温变形行为的影响，揭示 700 ～ 1300 ℃ 之间两钢 种铸态热塑性的差异与变化规律，讨论 TWIP 钢均质 性和晶粒度与其静态拉伸时断面收缩率的关系，为进 一步建立和完善高锰 TWIP 钢工业路线及其质量控制 策略提供理论指导和实验参考． 1 试样与实验方案 采用 25 kg 中频真空感应炉在氩气氛下分别冶炼 Fe--22Mn--0. 7C TWIP 钢和 Q235 钢，两钢种实测成分 如表 1 所示． 表 1 高温拉伸试样的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of specimens for high temperature tensile test % 试样 设计成分 C Mn Si P S Al O N Fe TWIP Fe--22Mn--0. 7C 0. 73 22. 03 0. 17 0. 0056 0. 0060 ＜ 0. 005 1. 5 × 10 － 4 6 × 10 － 4 余量 Q235 Fe--0. 7Mn--0. 1C 0. 15 0. 71 ― ― ― ― ― ― 余量 值得注意的是，试样中 O 和 N 的质量分数分别 为 15 × 10 － 6和 60 × 10 － 6，处于普碳钢工业生产中的 正常控制水平． 为了避免夹杂物和宏观偏析恶化性 能，并考虑到连铸过程中裂纹容易在枝晶间产生，根 据已完成的低倍酸洗实验，在各铸锭的柱状晶区取 样，其尺寸为 10 mm × 120 mm． 采用 Gleeble-1500 热 力模拟试验机测试两钢种的铸态高温拉伸性能，具 体实验方案如图 1 所示． 当测试温度 Tt不高于 1200 ℃ 时采用( a) 拉伸方案，高于 1200 ℃ 时采用( b) 拉伸 方案． 图 1 高温拉伸试验方案． ( a) ≤1200 ℃ ; ( b) ＞ 1200 ℃ Fig． 1 Schemes of high temperature tensile test: ( a) ≤1200 ℃ ; ( b) ＞ 1200 ℃ 选取精度为 0. 02 mm 的游标卡尺测量试样三个方 向的断面直径( 相邻方向夹角约为 120°) ，最终数据为 三次测量结果的平均值． 采用扫描电子显微镜、能谱 仪和光学显微镜观察试样断口形貌及基体变形特征， 基于电子探针微区分析技术表征高锰 TWIP 钢试样的 溶质显微分布，结合 JmatPro 7. 0 软件对不同钢种相组 分的预测结果，揭示 Fe--Mn--C 系 TWIP 钢高温力学行 为及热塑性影响机制． 2 实验结果及分析 2. 1 TWIP 钢高温拉伸行为与断裂特征 采用 Gleeble-1500 热 力 模 拟 试 验 机 测 定 各 试 样 700 ～ 1300 ℃范围内( 温度间隔 50 ℃ ) 的真应力--应变 曲线如图 2 所示． 图中可见，各试样的流变应力均随 温度升高而降低，而断裂应变温度升高非单调变化． 在 700 ～ 1000 ℃范围内，Fe-22Mn-0. 7C TWIP 钢试样的 · 697 ·
兰鹏等：Fe-22Mn-0.7CTWP钢的热塑性与断裂机制 ·797· 加工硬化能力比Q235显著，而1000℃以上不同钢 高温条件下TWIP钢形变强化机制与李生行为基本 种的抗拉强度非常接近.钢的加工硬化特性是基体 无关.由于实验中试样的铸态结构、拉伸温度和应变 中位错增殖并缠结、塞积到晶界处进而阻碍进一步 率基本相同，在某一应变量下的加工硬化行为取决 变形的宏观表现，其与合金的晶格结构、变形温度、 于各试样内部的晶格状态.TWIP中合金元素含量较 变形速率和变形程度均有关.对于TWIP钢来说，孪 高，其大量的间隙C原子和置换Mn原子引起显著的 生效应动态细化晶粒对加工硬化也有直接影响.然 晶格畸变，使位错与应力场相互作用进而提高加工 而，根据兰鹏0对Fe-MnC系奥氏体钢的热力学分 硬化性能：相比之下，Q235钢中Mn和C的固溶强化 析，TWIP钢600℃以上形变时由于层错能过高而不 效应并不显著.此外，不同钢种在同一温度下拉伸时 发生李生效应.Jung等圆、Asghari等和Koyama 的总应变量也不尽相同.在700~900℃之间TWIP 等实验测定TWP钢高温形变时的李晶比例，发 钢与Q235的断裂应变比较接近，而900℃以上时 现500℃以上基体中李晶密度接近于零.由此可见， Q235的断裂应变显著高于TWIP钢. 300r 300 a 700℃ 750℃ -700℃ 8 -1050℃ 250 800℃ 250 750℃ 9 1100℃ 850℃ 800℃ 10 .11s0C 200 900℃ 850℃ 1200℃ 200 11 950℃ 900℃ 12 1250℃ 1000℃ dW/ 950℃ 13 1300 10 1050℃ 150 1000℃ 1100℃ 100 10 1150℃ 4 11 1200℃ 12 1250℃ 13 -1300℃ 50 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 真应变 真应变 图2试样各温度的真应力-应变曲线.(a)TWP钢：(b)Q235钢 Fig.2 True stress-strain curves of specimens at different temperatures:(a)TWIP steel:(b)Q235 steel 从图2还可以看出，Q235试样在900℃以上各温 铸态抗拉强度随温度的变化规律.图中表明：相同实 度拉伸时真应力一应变曲线出现明显波动现象，这是 验条件下某一温度TWIP钢的抗拉强度高于Q235:且 动态再结晶软化和加工硬化共同作用的结果.动态再 1100℃以下，各测试温度TWP钢的抗拉强度约为 结晶发生时基体中应力集中缓解且晶粒细化，有利于 0235的1.5~2.0倍.分析可知，Fe-22Mn0.7 C TWIP 提高材料塑性.对比发现，Q235钢拉伸时开始发生显 基体中合金含量最高，其加工硬化性能最好，进而抗拉 著动态再结晶的温度约为900℃，而TWP钢在各温度 强度较大.图3(b)是TWIP钢和Q235钢断面收缩率 下均未观察到明显的动态再结晶行为. 结果.图中可见：在700~1300℃范围内，Q235的热塑 图3(a)是基于工程应力-应变曲线得到的各试样 性较好，各温度下的断面收缩率均在40%以上：而 200T(d 100[ Q235 150 TWIP 60 100 Q235 0 TWIP 50 20 0 700 800 9001000110012001300 700 80090010001100 1200 1300 温度℃ 温度℃ 图3试样的热拉伸性能.(a)抗拉强度：(b)断面收缩率 Fig.3 Thermal tensile performance of specimens:(a)tensile strength:(b)reduction in area
兰 鹏等: Fe--22Mn--0. 7C TWIP 钢的热塑性与断裂机制 加工硬化能力比 Q235 显著，而 1000 ℃ 以上不同钢 种的抗拉强度非常接近． 钢的加工硬化特性是基体 中位错增殖并缠结、塞积到晶界处进而阻碍进一步 变形的宏观表现，其与合金的晶格结构、变形温度、 变形速率和变形程度均有关． 对于 TWIP 钢来说，孪 生效应动态细化晶粒对加工硬化也有直接影响． 然 而，根据兰鹏［4］对 Fe--Mn--C 系奥氏体钢的热力学分 析，TWIP 钢 600 ℃ 以上形变时由于层错能过高而不 发生 孪 生 效 应． Jung 等［13］、Asghari 等［14］ 和 Koyama 等［15］实验测定 TWIP 钢高温形变时的孪 晶 比 例，发 现 500 ℃ 以上基体中孪晶密度接近于零． 由此可见， 高温条件下 TWIP 钢形变强化机制与孪生行为基本 无关． 由于实验中试样的铸态结构、拉伸温度和应变 率基本相同，在某一应变量下的加工硬化行为取决 于各试样内部的晶格状态． TWIP 中合金元素含量较 高，其大量的间隙 C 原子和置换 Mn 原子引起显著的 晶格畸变，使位错与应力场相互作用进而提高加工 硬化性能; 相比之下，Q235 钢中 Mn 和 C 的固溶强化 效应并不显著． 此外，不同钢种在同一温度下拉伸时 的总应变量也不尽相同． 在 700 ～ 900 ℃ 之间 TWIP 钢与 Q235 的 断 裂 应 变 比 较 接 近，而 900 ℃ 以 上 时 Q235 的断裂应变显著高于 TWIP 钢． 图 2 试样各温度的真应力--应变曲线． ( a) TWIP 钢; ( b) Q235 钢 Fig． 2 True stress--strain curves of specimens at different temperatures: ( a) TWIP steel; ( b) Q235 steel 图 3 试样的热拉伸性能． ( a) 抗拉强度; ( b) 断面收缩率 Fig． 3 Thermal tensile performance of specimens: ( a) tensile strength; ( b) reduction in area 从图 2 还可以看出，Q235 试样在 900 ℃ 以上各温 度拉伸时真应力--应变曲线出现明显波动现象，这是 动态再结晶软化和加工硬化共同作用的结果． 动态再 结晶发生时基体中应力集中缓解且晶粒细化，有利于 提高材料塑性． 对比发现，Q235 钢拉伸时开始发生显 著动态再结晶的温度约为 900 ℃，而 TWIP 钢在各温度 下均未观察到明显的动态再结晶行为． 图 3( a) 是基于工程应力--应变曲线得到的各试样 铸态抗拉强度随温度的变化规律． 图中表明: 相同实 验条件下某一温度 TWIP 钢的抗拉强度高于 Q235; 且 1100 ℃以下，各 测 试 温 度 TWIP 钢 的 抗 拉 强 度 约 为 Q235 的1. 5 ～ 2. 0 倍． 分析可知，Fe--22Mn--0. 7C TWIP 基体中合金含量最高，其加工硬化性能最好，进而抗拉 强度较大． 图 3( b) 是 TWIP 钢和 Q235 钢断面收缩率 结果． 图中可见: 在 700 ～ 1300 ℃范围内，Q235 的热塑 性较 好，各温度下的断面收缩率均在 40% 以 上; 而 · 797 ·
·798· 工程科学学报，第38卷，第6期 TWP钢断面收缩率整体较差，其断面收缩率最高不超 是不同温度下Q235试样静态拉伸时的断口形貌.图 过35%.由此可推断，高锰TWP钢连铸过程中具有 中可见，1000℃高温拉伸时试样断口韧窝细小而均 比较显著的裂纹倾向，这与已报道文献中Mnl4铸坯 匀，颈缩明显，断面收缩率高于90%.观察发现，该温 易于形成角部和内部裂纹的特性是一致的刀 度下基体热塑性与动态再结晶有关.图2中1000℃时 基于JmatPro7.0计算Q235和TWIP钢的相体积 真应力一应变曲线的波动特征也证实了基体拉伸时发 分数如图4图所示.分析可知，铸锭Q235试样的热塑 生的动态再结晶.Q235钢850℃拉伸时断面收缩率约 性与常见低碳钢连铸坯实验结果无明显差异a,其第 为40%，为典型枝晶间断裂特征，如图5(c)和(d)所 三脆性区与低应变速率下铁素体优先在奥氏体晶界处 示.试样断口韧窝粗大、浅平，且韧窝中存在比较多的 形核并呈膜状析出弱化晶界有关，与图4中相分率曲 球状颗粒物，这是可能导致其脆性断裂的主要因素. 线完全对应.在900~1200℃范围内Q235具有较高 与相同实验条件下的Q235钢相比，TWP钢各温度下 的断面收缩率，其得益于基体发生的动态再结晶.图5 的热塑性均较差.1200℃到熔点之间是TWP钢的第 100 100 (a) 90 液相 90 液相 0 ·一一铁素体 一奥氏体 ·奥氏体 70 70 60 形 50 40 9 20 700 800 9001000110012001300140015001600 700 8009001000110012001300140015001600 温度℃ 温度℃ 图4两钢种的相体积分数曲线.(a)Q235钢：(b)TWP钢 Fig.4 Phase volume fraction curves of the two steels:(a)Q235 steel:(b)TWIP steel SEI 4155S日 图5Q235试样的断口形貌.(a,b)1000℃：(c,d)850℃ Fig.5 Fracture morphologies of the Q235 specimen:(a,b)1000C:(c,d)850 C
工程科学学报，第 38 卷，第 6 期 TWIP 钢断面收缩率整体较差，其断面收缩率最高不超 过 35% ． 由此可推断，高锰 TWIP 钢连铸过程中具有 比较显著的裂纹倾向，这与已报道文献中 Mn14 铸坯 易于形成角部和内部裂纹的特性是一致的［6--7］． 基于 JmatPro 7. 0 计算 Q235 和 TWIP 钢的相体积 分数如图 4 图所示． 分析可知，铸锭 Q235 试样的热塑 性与常见低碳钢连铸坯实验结果无明显差异［16］，其第 三脆性区与低应变速率下铁素体优先在奥氏体晶界处 形核并呈膜状析出弱化晶界有关，与图 4 中相分率曲 线完全对应． 在 900 ～ 1200 ℃ 范围内 Q235 具有较高 的断面收缩率，其得益于基体发生的动态再结晶． 图 5 是不同温度下 Q235 试样静态拉伸时的断口形貌． 图 中可见，1000 ℃ 高温拉伸时试样断口韧窝细小而均 匀，颈缩明显，断面收缩率高于 90% ． 观察发现，该温 度下基体热塑性与动态再结晶有关． 图 2 中 1000 ℃时 真应力--应变曲线的波动特征也证实了基体拉伸时发 生的动态再结晶． Q235 钢 850 ℃拉伸时断面收缩率约 为 40% ，为典型枝晶间断裂特征，如图 5( c) 和( d) 所 示． 试样断口韧窝粗大、浅平，且韧窝中存在比较多的 球状颗粒物，这是可能导致其脆性断裂的主要因素． 与相同实验条件下的 Q235 钢相比，TWIP 钢各温度下 的热塑性均较差． 1200 ℃ 到熔点之间是 TWIP 钢的第 图 4 两钢种的相体积分数曲线． ( a) Q235 钢; ( b) TWIP 钢 Fig． 4 Phase volume fraction curves of the two steels: ( a) Q235 steel; ( b) TWIP steel 图 5 Q235 试样的断口形貌． ( a，b) 1000 ℃ ; ( c，d) 850 ℃ Fig． 5 Fracture morphologies of the Q235 specimen: ( a，b) 1000 ℃ ; ( c，d) 850 ℃ · 897 ·
兰鹏等：Fe-22Mn0.7CTWP钢的热塑性与断裂机制 ·799* 一脆性区，其断面收缩率下降与M和C的显微偏析 力逐渐弱化，但高温时试样均温区内晶间偏聚溶质 及夹杂物在晶界的偏聚有关：950~1200℃是TWIP钢 可以向晶内扩散，在一定程度上改善基体均质性和 第二脆性区，该范围内断面收缩率在30%~35%内波 形变连续性，与850℃和900℃试样相比，其断面收 动.实验分析表明，高锰合金化推迟动态再结晶是该 缩率略有回升（图3）.图7为试样1150℃静态拉伸 区间内热塑性较低的根本原因79，而枝晶间溶质 时断口及其附近基体的变形特征.图中可见，该温度 元素偏聚引起的显微偏析和疏松是其形变连续性恶化 拉伸时变形主要发生在断口区，裂纹多萌生于相邻 的直接因素 枝晶与试样表面交汇处，且多沿一次枝晶边界向基 图6是TWIP钢铸态试样1100℃拉伸时的断口 体内部扩展.颈缩形成后TWP钢基体中存在三向 形貌.从图中可以看出，该温度下断口表观为沿晶间 应力，对枝晶间偏析和疏松基体有一定的剪切作用， 脆性断裂，且存在明显的枝晶间滑移特征，塑性变形 使该温度下断口表现出沿枝晶滑移的脆性断裂 主要集中在断口颈缩区.尽管温度升高时晶界结合 特征. 38 56 SEI 图6TWP钢1100℃静态拉伸时的断口形貌 Fig.6 Fracture morphologies of statically-ested TWIP steel at 1100C 拉伸方向 200m 200m 图7TWP钢1150℃静态拉伸时基体变形特征.(a)断口附近：(b)断口处 Fig.7 Deformation feature of the statically-ested TWIP steel at 1100 C:(a)near fracture:(b)fracture TWIP钢第三脆性区位于800~950℃，该范围内 征明显：当拉伸温度低于800℃时，TWIP钢断口为沿 断面收缩率低于30%，最容易形成晶间裂纹.图8 晶和少量穿晶混合型断裂，断面收缩率高于30%. 是TWP钢900℃静态拉伸时的断口形貌.图中可 图9为TWP钢850℃静态拉伸时断口及其附近基 见，该温度拉伸时试样断口平齐且基本无颈缩，为典 体的变形特征.图中可见：断口附近未发生明显颈 型晶间脆性断裂特征.根据高温力学理论，多晶材料 缩，形变时基体主要受到单向拉应力作用：裂纹萌生 晶界强度随温度升高而逐渐减小，基体断裂特征将 于试样内部相邻枝晶交界面上，且沿着结合力弱的 由穿晶型转为沿晶型（形变时不考虑动态再结晶作 晶界向外扩展.观察发现，TWP钢试样断口及其附 用).根据已有实验结果0，第三脆性区Fe-22Mn- 近区域的基体中均存在许多微裂纹，说明拉伸时均 0.7CTWP钢晶间强度低于晶内，且该温度下溶质 温区内变形分布比较均匀，试样断裂模式为单向应 扩散能力有限，试样拉伸时基本无颈缩，沿晶断裂特 力状态下沿枝晶间脆性开裂
兰 鹏等: Fe--22Mn--0. 7C TWIP 钢的热塑性与断裂机制 一脆性区，其断面收缩率下降与 Mn 和 C 的显微偏析 及夹杂物在晶界的偏聚有关; 950 ～ 1200 ℃ 是 TWIP 钢 第二脆性区，该范围内断面收缩率在 30% ～ 35% 内波 动． 实验分析表明，高锰合金化推迟动态再结晶是该 区间内热塑性较低的根本原因［8，17--19］，而枝晶间溶质 元素偏聚引起的显微偏析和疏松是其形变连续性恶化 的直接因素． 图 6 是 TWIP 钢铸态试样 1100 ℃ 拉伸时的断口 形貌． 从图中可以看出，该温度下断口表观为沿晶间 脆性断裂，且存在明显的枝晶间滑移特征，塑性变形 主要集中在断口颈缩区． 尽管温度升高时晶界结合 力逐渐弱化，但高温时试样均温区内晶间偏聚溶质 可以向晶内扩散，在一定程度上改善基体均质性和 形变连续性，与 850 ℃ 和 900 ℃ 试样相比，其断面收 缩率略有回升( 图 3) ． 图 7 为试样 1150 ℃ 静态拉伸 时断口及其附近基体的变形特征． 图中可见，该温度 拉伸时变形主要发生在断口区，裂纹多萌生于相邻 枝晶与试样表面交汇处，且多沿一次枝晶边界向基 体内部扩展． 颈缩形成后 TWIP 钢基体中存在三向 应力，对枝晶间偏析和疏松基体有一定的剪切作用， 使该温 度 下 断 口 表 现 出 沿 枝 晶 滑 移 的 脆 性 断 裂 特征． 图 6 TWIP 钢 1100 ℃静态拉伸时的断口形貌 Fig． 6 Fracture morphologies of statically-tested TWIP steel at 1100 ℃ 图 7 TWIP 钢 1150 ℃静态拉伸时基体变形特征． ( a) 断口附近; ( b) 断口处 Fig． 7 Deformation feature of the statically-tested TWIP steel at 1100 ℃ : ( a) near fracture; ( b) fracture TWIP 钢第三脆性区位于 800 ～ 950 ℃ ，该范围内 断面收缩 率 低 于 30% ，最 容 易 形 成 晶 间 裂 纹． 图 8 是 TWIP 钢 900 ℃ 静态拉 伸 时 的 断 口 形 貌． 图 中 可 见，该温度拉伸时试样断口平齐且基本无颈缩，为典 型晶间脆性断裂特征． 根据高温力学理论，多晶材料 晶界强度随温度升高而逐渐减小，基体断裂特征将 由穿晶型转为沿晶型( 形变时不考虑动态再结晶作 用) ． 根 据 已 有 实 验 结 果［4］，第三 脆 性 区Fe--22Mn-- 0. 7C TWIP 钢晶间强 度 低 于 晶 内，且 该 温 度 下 溶 质 扩散能力有限，试样拉伸时基本无颈缩，沿晶断裂特 征明显; 当拉伸温度低于 800 ℃ 时，TWIP 钢断口为沿 晶和少量 穿 晶 混 合 型 断 裂，断面收缩率高于 30% ． 图 9 为 TWIP 钢 850 ℃ 静态拉伸时断口及其附近基 体的变形特征． 图中 可 见: 断 口 附 近 未 发 生 明 显 颈 缩，形变时基体主要受到单向拉应力作用; 裂纹萌生 于试样内部相邻枝晶交界面上，且沿着结合力弱的 晶界向外扩展． 观察发现，TWIP 钢试样断口及其附 近区域的基体中均存在许多微裂纹，说明拉伸时均 温区内变形分布比较均匀，试样断裂模式为单向应 力状态下沿枝晶间脆性开裂． · 997 ·