基于层错能的中锰q&p钢变形机制研究术-吝章国.pdf

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1、第44卷第2期2016年2月华南理工大学学报(自然科学版)Joumal of Soutll China UIliVersity of Technology(Namral Science Edition)V0144 No2Febmary 2016文章编号：1000565x(2016)02014007基于层错能的中锰QP钢变形机制研究术吝章国 陈家泳 唐荻 江海涛+ 段晓鸽(北京科技大学冶金工程研究院，北京100083)摘要：首先利用层错能的热力学模型计算了Mn含量分别为5、7的中锰Q&P钢中残余奥氏体的层错能，并分析了热处理过程中碳配分对层错能的影响；然后通过XRD、SEM及TEM分析等研究了中

2、锰Q&P钢拉伸变形过程中的变形机制；最后将层错能与实测变形机制相结合分析了两者的关系结果表明：中锰Q&P钢残余奥氏体的层错能计算必须考虑碳的配分；7Mn一15Si一02C试样的层错能为455 rnJm2，5Mn一15Si一02C试样的层错能为178 rIlJm2；钢中残余奥氏体含量的对数与变形量成线性关系；中锰Q&P钢的残余奥氏体在变形过程中主要发生的是TRIP效应，这与通过层错能判别的结果相吻合关键词：Q&P钢；层错能；变形机制；残余奥氏体；热处理；碳配分中图分类号：TGl51 doi：103969jissn1000一565x201602020Q&P(Quenching and Paniti

3、oning)钢是一种新型高强钢，通过在淬火后增加碳配分工艺，使得碳在奥氏体中聚集，提高了奥氏体的稳定性，增加了最终淬火组织残余奥氏体含量，从而提高了钢的综合性能Q&P工艺已经在低锰到中锰钢中得到应用，许多文献。1已证实其明显提高了钢残余奥氏体含量，改善了钢的性能然而随着研究的深人，研究重点也逐渐从工艺转到机理在对于TwIP钢变形机制的研究中，一种方法就是通过层错能来区分变形机制M。6 o有研究表明门j，在SFE20 IIlJm2时，易产生形变诱发马氏体，称为相变诱发塑性，即TRIP效应；而当sFE一25 IIlJm2时，高锰钢优先形成孪晶而不发生马氏体相变，即TwIP效应也有研究表明：在一定范

4、围内增大SFE，会导致变形机制由形变诱发马氏体相变向形变诱发孪晶转变。8。9 J与TWIP钢不同，Q&P钢在室温下为多相组织，在完全奥氏体后进行Q&P工艺则主要为马氏体和残余奥氏体组织，如果是在两相区退火后进行Q&P工艺则为铁素体、马氏体和残余奥氏体三相组织研究发现u 0【，低锰钢经Q&P工艺处理后，钢中残余奥氏体在变形过程中主要发生的是TRIP效应当锰含量较高时则容易发生TwIP效应(如TwIP钢)中锰Q&P钢锰含量介于高锰TWIP钢与低锰TRIP钢之间，常温下组织中奥氏体含量也介于两者之间，残余奥氏体在变形过程中的变形机制也可能介于两者之间或是两者的混合文中以低碳中锰成分Q&P钢为研究对象

5、，对其层错能进行热力学计算，通过sEM组织观察、xRD分析技术及TEM微观组织观察对Mn含量为38的MnSi系中锰Q&P钢变形前后的显微组织进行研究，结合实验与计算的结果分析讨论了该钢种收稿日期：20141212*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51271035)；北京科技大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRFTP11J005B)Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China(51271035)作者简介：吝章国(1971一)，男，高级工程师，主要从事高端钢铁产品生产技术研

6、究E-mail：linzhangguoheb萌tcom十通信作者：江海涛(1976一)，男，副教授，主要从事汽车用钢材料的开发与研究Email：nwpujht163。com万方数据第2期 吝章国等：基于层错能的中锰Q&P钢变形机制研究 141的变形机制1 实验材料及方法实验用中锰Q&P钢经zGJL00510025D型真空感应熔炼炉冶炼，其化学成分见表1将锻件加热到1200保温2h，热轧至3mm厚，经680qC保温10h退火酸洗后冷轧至12 mm厚冷轧板利用cCTAY连退模拟实验机对试样进行Q&P热处理，采用线切割在试验板上沿轧向取50 mm标距的拉伸试样，以2 mrnmin的拉伸速度在室温下进

7、行拉伸试验，相应的热处理_丁艺参数及其力学性能如表2所示表l 实验用中锰QP钢合金成分表“I、able 1 Chemical composition of medium manganese QP steelsa“ples 1)5Mn指锰含量为492的中锰QP钢试样；7Mn指锰含量为683的中锰QP钢试样表2 中锰Q&P钢热处理温度及力学性能Table 2 Heaf treafmellf femperature and mechanical propertiesof medium manganese Q&P steelQ&P退火板经电解抛光后，使用4硝酸酒精侵蚀，利用zEISS ULTRA 55

8、型场发射扫描电子显微镜(SEM)进行显微组织观察，如图1所示由于热处理工艺采用的是两相区Q&P工艺，因此最终室温组织应为铁素体、马氏体和残余奥氏体组织从图1可以看出5Mn组织比7Mn组织明显粗大，并且5Mn实fal5Mn7Mn图1 不同成分钢的SEM组织照片Fig1 SEM images of the different composition steels验组织多为等轴状，而7Mn组织则主要是长条状利用DMAXRB型12kW旋转阳极X射线衍射仪，采用Cu(K。)射线，得到衍射图谱选择面心立方(FCc)的200、220、311衍射峰的积分强度以及体心立方(Bcc)的200、211衍射峰的积分强

9、度，利用下式计算残余奥氏体含量1I：妒老蕞式中：咖7为残余奥氏体的体积分数，y为奥氏体(200)、(220)、(311)晶面衍射峰的积分强度，。为铁素体(200)、(211)晶面衍射峰的积分强度，K。、K。分别为铁素体相和奥氏体相的反射系数实验所得两钢种的xRD衍射图谱如图2所示根据式(1)可以计算得到，5Mn钢经Q&P处理后组40 50 60 70 80 90 1002e。1fhl7Mn图2不同成分钢的xRD衍射图谱Fig2 Xray diffraction patterns of different colposition samples踟加糯万方数据142 华南理工大学学报(自然科学版)

10、 第44卷织中残余奥氏体含量为181(体积分数，下同)；7Mn钢组织中残余奥氏体含量为344TEM试样经机械研磨后，在一20进行双喷减薄，所用双喷液为5(体积分数)高氯酸+95(体积分数)无水乙醇，液氮冷却，电压50V2层错能的计算21 热力学模型根据Hinh理论2l，对于纯金属可以认为层错能是具有两层FCC结构C原子与具有两层密排六方(HcP)结构占原子的Gibbs自由能差；对于合金，其FCC与HCP密排结构的Gibbs自由能之差并不严格地等于层错能，因为元素在层错区的浓度与合金的平均成分不同，特别是C、N间隙原子引起铃木效应，使其在层错区和基体的浓度有明显的差别因此，面心立方结构的层错能7

11、邬表示为7sF=知dG 78+2盯78 (2)其中：G 78为面心立方与密排六方结构之间的自由能差；肌为面心立方结构中原子面堆积密度，肌=话走矽2去赤，y为金属的摩尔体积，。为合金的点阵参数，为阿伏伽德罗常数，=602 x 10。23；盯78为相界面结合能值(105)10。Jm2)，文中取为1010。7 Jm23。1 4|根据规则固溶体模型近似，富铁的FeMn_A1si系合金的面心立方与密排六方相之间自由能差表征为G7一=戈MG：一8+石M戈，。力等+G8(3)式中：G78为Fe、Mn、si、Al、C等合金元素的面心立方与密排六方结构间的自由能差；菇M为Fe、Mn、si、Al、c等合金元素的摩

12、尔分数；门焉为Fe与Mn、Si、A1、C等合金元素的交互作用参数差，其中合金元素之间的交互作用差作为高阶无穷小，这里忽略不计；G：8是y相与占相摩尔磁性自由能的差异，计算式为G芝一8=G：一G： (4)其中，G：、G：分别代表占相与7相的摩尔磁性自由能蛾稍ln(磊+1)肿9) (5)其中。(r_磊)”卟一吉岳+恭+赢 (r_争)D=罴+黑(专一) (8)D 2砑+面沥I万。1 J (8)P为晶体结构常数，对于FCC和HCP晶体结构，JP=028；，；为9相的尼尔温度；表示妒相的磁矩，为波尔磁子层错能计算参数见表3表3层错能计算热力学参数15。161Table 3 Themodynamic pa

13、rameters used for the calculation ofstacking fault energ、r5，1516参数 表达式 参考文献G8(Jmol一1) 一224338+4309r 15G；2：(Jmol一1) 一100000+1123r 15Gg(Jmol一1) 一150一8T 16G苫一(Jmol一1) 一22166 16G芝萧8(Jmol一1) 2873717(zF。一zM。) 16G等8(Jmol一1) 2850+3520(zFexM。) 16G甚8(Jm011) 42500 16r；K 2517l+681zM。一1 575并sil 740石c 5礞K 580xM。

14、5巳(J。11)o7。Fe+o62xM。一o64zF。xM。一4xc5pB岛(J。l一1) o62zM。一4xc 522 残余奥氏体7一相自由能差计算与TWIP钢层错能的计算方法不同，由于TWIP钢的室温组织为全奥氏体组织，因此计算层错能时可以直接用合金的平均摩尔百分比，然而对于中锰Q&P钢，其室温组织为铁素体、马氏体和残余奥氏体的三相组织，并且其处理过程中还有碳的配分过程，因此在不同相之间存在元素的偏析，不能直接用合金的平均摩尔百分比来计算层错能中锰Q&P钢，残余奥氏体合金元素的确定需要经过以下过程，由于在中锰Q&P钢的制备过程中存在两相区退火过程及配分过程，前者完成了碳由铁素体向残余奥氏体

15、的配分，后者完成了碳由马氏体向残余奥氏体的重新配分。由于这两个过程时间较短，而Mn和si元素原子系数大，扩散缓慢，使得其来不及偏析，因此这里暂不考虑Mn、Si元素偏析的影响但是C元素在BCC组织和奥氏体之间的配分是迅速而且显著的，关于C元素的配分，涉及到Q&P过程，可以通过ccE模型对配分后残余奥氏体嗣旦蟒p一6一D坐铆一一D坠m一D尸万方数据第2期 吝章国等：基于层错能的中锰Q&P钢变形机制研究 143中碳的含量进行计算，但是文献17指出，C在配分过程中的前10s内就完成了配分过程，通过3DAP三维原子探针实验分析证实，碳在配分完成时，马氏体中碳的质量分数约为o018 9，与铁素体中的碳含量

16、相当因此可以利用简化的CCE模型，仅根据总含碳量和组织中残余奥氏体的体积分数，计算出残余奥氏体中的C含量厂“x：+厂7xj=x：107 (9)厂。+厂y=l (10)式中，尸、。厂7分别为BCC组织和奥氏体组织的体积分数，霹、艇分别为Bcc组织和奥氏体组织的碳质量分数测量得到5MnNb和7MnNb试样中残余奥氏体的体积分数分别为，二。=1810、，磊。=344；而BcC组织中碳的质量分数大约为霹=00189，合金中总的碳质量分数为驾M。=020、骂M。=o22因此计算得5Mn、7Mn两种合金残余奥氏体碳的质量分数分别102、0603表4为5Mn和7Mn试样中各合金元素平均摩尔百分比，根据表3、

17、4给出的数据和式(3)、(4)计算两种合金298K时的a和占相自由能差，结果如表4所示表5为对残余奥氏体中合金元素进行修正后的值以及计算出来的a和占相自由能差值与表4中计算值相比，相差巨大合金元素成分中主要是碳含量发生了变化，这对于7和占相自由能差有很大的影响，说明c的配分有效地稳定了残余奥氏体，碳元素是影响残余奥氏体层错能的主要因素因此对于中锰Q&P钢层错能的计算，一定要考虑组织中碳元素偏析的影响表4各合金元素平均摩尔百分比及自由能差Table 4 Average element molar percentage composition andfree energy difference o

18、f tlle alloy表5残余奥氏体中各元素摩尔百分比的修正值及自由能差Table 5 Co雠eted percentage of each element and free energydifference of retained austenite23 晶体点阵常数的测量文中利用XRD测定残余奥氏体的衍射峰，计算残余奥氏体的点阵常数由于奥氏体为面心立方晶体，晶面(危f尼)的面间距d与点阵常数口之间的关系为 扛赢利用Jade软件寻峰标定，选择(200)晶面，试样残余奥氏体该晶面间距d=18017 nm所以7Mn的残余奥氏体点阵常数n，。=36034 nm；同理，试样5Mn的残余奥氏体(20

19、0)晶面问距d=1797 8 nm，所以05M。=35956nm24层错能计算结果根据点阵常数计算得原子面堆积密度p。=砉六为pA5M。=29510-。moLm2，pA7M。=297 x 10-1moLm2，因此两种不同组分下奥氏体钢的层错能分别为7sF5M。=178 ITlJm2。7sF7M。=455lJm2，可以看出虽然两种试样的锰含量相差不大，总体的元素差异不大，但是由于Q&P工艺的不同导致了组织中残余奥氏体含量的差异，再加上c配分作用，导致残余奥氏体中的含碳量差异较大，从而导致了两种试样的残余奥氏体层错能存在巨大的差异3 变形机制观察与分析31 残余奥氏体含量与形变量关系利用xRD分析

20、方法，测得两种试样在不同应变下的残余奥氏体含量(疋)，如图3(a)所示由图3(a)可见，在塑性变形开始阶段，残余奥氏体便发生大量转变，随着变形量的增加，组织中的残余奥氏体不断发生相变而减少，在拉断后，两种组织中残余奥氏体含量都在5以下，这些都与吴其浩等副关于TRIP钢的转变过程相似残余奥氏体含量的对数(1nf)与变形量呈线性关系这一特点与TRIP钢的TRIP效应相同弘2lj，进一步表明两种试样在变形时基本按照TRIP效应发生转变而从图3(b)试样的应力一应变曲线可以看出，在5Mn和7Mn试样发生屈服之后，强度发生了下降，分析认为这与试样屈服时大量奥氏体发生马氏体转变提供了大量变形导致拉伸过程应

21、力松弛有关万方数据华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷一005 000 005 0 10 015 020 0 25 0 30 035 040应变(1)残余奥氏体含量与应变的关系一005 000 O05 010 015 0 20 0 25 0 30 035 040应变(1，)应力一应变|Il线图3 中锰Q&P钢残余奥氏体含量与应变的关系及应力一应变曲线Fig3 Relationship be【ween retained austenite content and defonnation degree as well as stressstrain curves of medium manga

22、nese Q&P steel32 中锰Q&P钢试样变形前后的TEM组织图4为7Mn钢未变形试样的TEM组织照片及相应的标定结果，对图中组织标定发现，黑色块状组织(图中1区域)为残余奥氏体，在晶粒边界处还可以找到薄膜状残余奥氏体，白色组织(图中2区域)为位错较少的铁素体组织经过37的拉伸变形后，组织的TEM照片如图5所示，与未变形TEM照片一样，白色组织为铁图4 7Mn试样未变形时的TEM组织及衍射斑Fig4 TEM image and SAED pattem of undefo邢ed 7Mn steel素体组织，对比发现深色组织在未变形前应该为残余奥氏体组织；而对深色的1、2、3号组织标定发现

23、，1号组织为BCc组织，2和3区域仍然为残余奥氏体组织，说明1号组织是残余奥氏体发生TRIP效应转变成的马氏体组织这表明组织中的块状与薄膜状残余奥氏体稳定性的差异，2、3区域残余奥氏体由于组织薄膜状及稳定性更好使得能够在变形结束后仍能够保存下来图5 7Mn变形后的TEM组织及对应区域衍射斑Fig5 TEM image and SAED paltem of defornlated 7Mn steeI通过对两种成分的中锰Q&P钢变形前后显微组织对比，以及对其残余奥氏体在变形过程中的含量分析，可以得出中锰Q&P钢的残余奥氏体在变形过程中主要发生的是TRIP效应，没有观察到TwIP效应根据热力学模型计

24、算5Mn试样中残余奥氏体的层错能为178 mJm2，7Mn中残余奥氏体层错能为455 IIlJm2两者都在20耐m2以下，文献6指出残余奥氏体层错能在此值以下主要发生TRIP效应，这与本实验中观察到的结果一致4 结论(1)通过热力学计算，经两相区Q&P工艺处理后，7Mn15 Si旬2C中残余奥氏体层错能为455脚m2；5Mn15Si旬2C残余奥氏体层错能为178 n1Jm2(2)两相区Q&P工艺下，中锰Q&P钢组织为铁素体、马氏体和奥氏体三相组织，并且存在碳元素的配分，因此在计算层错能时，不能直接利用合金的平均含量，必须对残余奥氏体中合金元素含量进行修正，在对中锰Q&P钢残余奥氏体合金元素修正

25、时，可以利用CCE模型或者简化的CCE模型进行计算(3)通过对两种成分的中锰Q&P钢变形前后显微组织对比，以及对其残余奥氏体在变形过程中含量分析，可以得出中锰Q&P钢的残余奥氏体在变形过程中主要发生的是TRIP效应，没有观察到TWIP效应000000踟如t舢暑二f_|口万方数据第2期 吝章国等：基于层错能的中锰QP钢变形机制研究 145参考文献：1 i SPEER J G，RIZZO ASSUNC五O F C，MATLOCK D K，eta1The “quenching and partitioning” pIDcess： back-铲ourld and recent pmgress JMat

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38、第44卷InVestigation into Defomation MechaIlism of Medium Manganese QPSteel Based on Stac姑ng Falllt EnergyHN zh珊谵昏 CHEN J诡一yong TANG Dt JIANG H舐一to(En百neeTing Research Institute，univers时of science aJld Technolog)，Beijing，DUAN Xt一geBeijing 100083，China)Abstract：In this paper，矗rst，the stacking fault ener

39、gy of the retained austenite in medium manganese Q&P steelsrespectiVely with a Mn content of 5and 7were calculated by using the themodynamic model of stacking faultenergy，and the栅fect of carbon panition du五ng the heat treatment on the stacking fault energ)r was analyzed7rhen，the defo瑚ation mechanism

40、 of the steel under tensile strain was investigated by means of XRD。SEM andTEM，and the relationship between the stacking fault energ)r and the def0咖ation mechanism was exploredThe results show tllat(1)c盯bon partition should be con8idered during the calculation 0f the stacking fault ene唱y of me-dium

41、manganese Q&P steels； (2)the stacking fault energy of 7Mn-15 Si旬2C sample is 455 mJm2，and that of5Mn一15 sim2C sample is 178 nlJm2； (3)there is a linear relationship between the natural logarithm of retained austenite content and the def0彻ation；and (4)TRIP eff色ct is the main defonIlation mechanism of

42、 mediummanganese Q&P steels，which is also Verified by the calculated results of the stacking fault energyKey words：Q&P steel；stacking fault energy；defoHnation mechanism；retained austenite；heat treatment；earbonDartition(上接第123页)13 BOCKHORN H，FE，ITnNG F，HEDDRICH F Investigation of particle inception i

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44、Effects of H20C02 Addition to Acetylene Flame on SootParticle Size DistributionLfU J讥-p讯g WEf M饥g-以(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of AutomotiveAutomotiVe Components Technology，Wuhan UniversityG(，D G配onZ配n JU舶，峪componentsHubei couaborative Innovation center forof Technolog)r，Wuhan 43007

45、0，Hubei，China)Abstract：In this paper，first，a mathematical model based on the panicle population balance theory，which takesinto consideration the nucleation，coa舛lation，surface growth and oxidation of particles，is established to describethe dynamic evolution of soot particles in onedimension laminar p

46、remixed names Next。 the model is solved bvmeans of Monte Cado stochastic methodThen，based on a detailed chemical kinetic mechanism。a computationplatfo珊of panicle size distribution is establishedWith this platfom，the efkcts of C0，and H，O addition on thesoot fomation in laminar acetyleneair premixed n

47、ames are analyzed，and the particle size distribution“kcted bythe C02H2 O dosage(0，20and 40)is obtained8The results show that the addition of CO，and H，Oslows down the soot fomation when the equivalence mtio remains unchanged at 25，especially at a H，O addition of40；and that fewer particles in large size may fo瑚due to the addition of C0。and H，0Key words：acetylene；laminar name；soot particle；size distribution；Monte Carlo method万方数据