Fe-Mn-Si-Al钢力学性能与显微结构研究
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1 引言 近年来，汽车工业的发展要求汽车结构材料的具有轻量化和高安全性等特点，以降低
油耗、减小环境污染等以缓解当前日益紧张的能源和环境问题。据统计，汽车重量每减轻 1%，燃料便可降低 0.6%~1.0%，因此，汽车的减重是降低油耗的重要途径之一。虽然随着 汽车减重的需要和车重的下降，汽车用钢铁材料的比例不断减少，但由于钢铁材料具有的 独特优势，仍在汽车制造业中占据主导地位（约占汽车用材的 70%~80%）。在汽车用板材
Abstract：The tensile properties of three steels (Fe-30Mn-3Si-3Al, Fe-15Mn-2Si-2Al and Fe15Mn) show that yield strength and fracture strength increase, and expansion ratio of elongation percentage elongation strain decreases with the decrease of Mn, Si and Al contents. Frequency of Coincidence site lattice grain boundary (CSL) is 83.4%, 36% and 21% for three steels, respectively. Deformation twinning is comprised of a primary twins and secondary twins. A angle between the primary twins and secondary twins is about 60 degree. Most of secondary twins grows in the primary twins. But, some of secondary twins traverse the primary twins boundaries in the heavy deformation band. Keyword: Microstructure，Coincidence site lattice grain boundary, Twinning
钢力学性能与显微结构研究
张继明*1 孙卫华 1 王国栋 2 （1.济钢集团有限公司，山东济南 250101；
2.东北大学国家重点实验室，辽宁沈阳 110004）
摘要 本文对三种成分 Fe-Mn-Si-Al 钢的力学性能、显微结构和重位晶界进行了研究，结果 表明，随着钢中 Mn、Si 和 Al 元素含量的降低，材料的屈服强度和抗拉强度逐渐升高，延 伸率逐渐降低，低Σ值重位晶界出现频率依次为 83.4%、36%和 21%，并且钢中形变孪晶的 数量逐渐减少。Fe-30Mn-3Si-3Al 钢中形变孪晶分为一次孪晶和二次孪晶，一次孪晶和二次 孪晶生长方向成 60°夹角，大部分二次孪晶分布在一次孪晶的两孪晶界之间，但在高应力 的形变带内二次孪晶可穿过一次孪晶的孪晶界。 关键词：显微结构，重位晶界，孪晶
−−
−−
方向，衍射斑点关于 (111) 面呈镜面对称分布，表明选区内平行孪晶板条之间构成 (111) 孪
晶关系。在较宽的一次孪晶板条内存在大量的二次孪晶，相对于一次孪晶，二次孪晶条的
长度和宽度尺寸都比较小，一次孪晶和二次孪晶的生长方向基本上呈 60°角（见图 3c,d）。有的二次孪晶在一次孪晶两孪晶界内生成，但有的二次孪晶在严重变形的形变带 内形成，生长方向平行于形变带，并能够穿过一次孪晶的孪晶界（见图 3d）。图 4 为 Fe15Mn 和 Fe-15Mn-2Si-2Al 拉伸后显微组织中的形变孪晶形貌，可以看出，由于钢中 Mn、 Si 和 Al 元素含量的减低，钢中形变诱发孪晶的数量大为减少，尤其是在 Fe-15Mn 钢中，
0.3 200
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Eng, Srain, %
0.2 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 ε
图 1 三种钢的应力-应变曲线和应变对硬化指数 n 值的影响 Fig.1 Stress-strain curves and effect of strain on n value of three steels with different
集降低 n-ε 规律近似抛物线关系（图 1b）。Fe-15Mn 钢 n 值变化与其它两种钢不同，主要 是由其成分所决定的，层错能与成分密切相关，Mn 含量增加能够显著提高材料层错能，
降低加工硬化速率而增加塑性[3]。Si 使材料层错能降低，而 Al 则可以增加层错能，并且
Al 元素提高材料塑性作用优于 Si 元素，且当材料中 Si 和 Al 含量均为 3%时，效果最显著 [2]。三种钢中，Fe-15Mn 层错能最低，Fe-15Mn-2Si-2Al 次之，Fe-30Mn-3Si-3Al 层错能最 大。研究表明[3,5]，层错能越低，材料在应力作用下越容易发生形变诱导马氏体相变（也
* 作者简介：张继明（1977-），男，博士，jiming_zhang@
中，为减轻车体重量，大量采用高强度钢板已成为必然趋势，而随着钢板强度的提高，其 冲压成形加工过程中的回弹和弯曲开裂现象增多，降低了加工成形性[1,2]。研制和开发高 强、高塑性钢是汽车工业近年研究的重点。
Grassel 等[3,4]在试验研究 Fe-Mn-Si-Al 系 Trip 钢时发现，当 Mn 含量达到 25wt%，Al 含量超过 3%，Si 含量在 2wt%~3wt%之间时，其抗拉强度和延伸率的乘积在 50000•MPa% 以上，是高韧性 TRIP 钢的两倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而 不是 TRIP 钢中的相变，故命名为孪生诱发塑性（Twinning induced plasticity, TWIP）钢。 TWIP 钢具有中等的抗拉强度（约 600MPa）和极高的均匀延伸率（大于 80%）。除此之 外，还具有高的能量吸收能力和没有低温脆性转变温度，拉伸形变时无缩颈[5,6]。TWIP 钢的显微组织观察表明，变形过程中有大量的孪晶在奥氏体晶粒内形成[7,8]。本文选取了 三种不同成分的 Fe-Mn-Si-Al 系钢，研究化学成分对其显微结构与力学性能的影响。 2 试验材料与方法
于发生孪生而使材料塑性增加，这在后面显微组织观察中得到证实。
1200 1000
0.6
Fe-15Mn
Fe-15Mn-2Si-2Al
Fe-30Mn-3Si-3Al
0.5
800
600
0.4
Fe-15Mn Fe-15Mn-2Si-2Al Fe-30Mn-3Si-3Al
Eng, Sress, MPa n
400
chemical compositions
3.2 断口形貌观察 图 2 为 Fe-30Mn-3Si-3Al 钢拉伸断口形貌和拉伸过程中滑移形貌，从宏观断口可以看
出在断裂前，材料产生较大的塑性变形。断口表面由起裂源和剪切唇组成，其中剪切唇面 积约占断口表面的四分之三（图 2a）。断口心部起裂源由大量的韧窝组成，在较大的韧窝 壁上可以观察到大量细密的蛇形纹，表面在韧窝形成过重中材料塑性变形量较大，韧窝的 底部可以观察到大小尺寸不等的夹杂物或二次相粒子（图 2b）。拉伸过程中，试样表面产 生大量平行排列的滑移线，在表面可以观察到两套滑移系，一次滑移和二次滑移系约成 60 ℃夹角，在滑移量较大的部位因应力集中而产生微裂纹。研究发现[9],TWIP 钢在拉伸过程 中，裂纹大部分在晶界处萌生，同时部分裂纹也沿孪晶界扩展，主要是因为在较大的应变
during tensile testing
3.3 显微组织 TEM 观察
图 3 为 Fe-30Mn-3Si-3Al 钢拉伸形变后的显微结构照片，可以看出，Fe-30Mn-3Si-3Al
钢拉伸变形后显微组织主要为长条状的形变孪晶，板条状孪晶宽度尺寸大小不等，在孪晶
条内存在高密度位错。形变孪晶的选区衍射分析表明，电子束入射方向平行于[011]晶带轴
图 1 为 Fe-30Mn-3Si-3Al、Fe-15Mn-2Si-2Al 和 Fe-15Mn 的拉伸性能的应力－应变曲线 和应变硬化指数，可以看出，随着钢中 Mn、Si 和 Al 含量的降低，钢的屈服强度和抗拉强 度增加，而延伸率大幅降低。Fe-30Mn-3Si-3Al 钢具有较低的屈服强度，约为 250MP。而 随着应变的增加，存在较长的加工硬化阶段，在延伸率达到 78％时强度达到最大值 600MPa，延伸率最大为 82.5%。而 Fe-15Mn-2Si-2Al 和 Fe-15Mn 屈服强度和断裂强度相对 较高，屈服强度约为 500MPa 左右，拉伸强度分别为 900MPa 和 1100MPa 左右，但其塑性 大为降低，Fe-15Mn 延伸率仅为 36%左右（图 1a）。在 0.05~0.3 的应变范围内，Fe-30Mn-
就是 TRIP 效应），而随着层错能增加，马氏体相变被抑制，当层错能增加到一定值时， 材料在应力作用下发生 TWIP 效应，相变过程中主要通过孪晶的形成来延迟钢的颈缩。所
以，在拉伸过程中，Fe-15Mn 钢主要由于应变诱导马氏体形变而使材料具有较快的加工硬
化速率，而 Fe-15Mn-2Si-2Al 则同时发生了马氏体相变和孪生，而 Fe-30Mn-3Si-3Al 主要由
3Si-3Al 钢的 n 值均匀而平稳，表明其在拉伸过程中具有良好的应变分布，能够承受局部的 应变；与前者相比，Fe-15Mn-2Si-2Al 的 n 值随应变量增加 n 值增加较快，但增量比较均
匀；而 Fe-15Mn 的 n 值变化较大，当应变量增加大约 0.15 时，n 值迅速增加，随后 n 值聚
速率下，材料产生大量的位错，这些位错在滑移过程中在诱发孪晶界大量塞积，正负位错 结合产生空位，致使裂纹沿孪晶界延伸。
(a)
(b)
剪切唇
起裂源
(c)
滑移线
(d)
二次滑移
60℃ 一次滑移
微裂纹
图 2 Fe-30Mn-3Si-3Al 钢拉伸断口形貌和裂纹观察 Fig.2 (a and b) Fractograph and (c and d) crack propagation of Fe-30Mn-3Si-3Al steel
研究发现9twip钢在拉伸过程中裂纹大部分在晶界处萌生同时部分裂纹也沿孪晶界扩展主要是因为在较大的应变10203040506070809020040060080010001200engsrainfe15mnfe15mn2si2alfe30mn3si3al三种钢的应力应变曲线和应变对硬化指数n值的影响fig1stressstraincurvesthreesteelsdifferentchemicalcompositions0050100150200250300203040506fe15mnfe15mn2si2alfe30mn3si3al速率下材料产生大量的位错这些位错在滑移过程中在诱发孪晶界大量塞积正负位错结合产生空位致使裂纹沿孪晶界延伸
STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF Fe-Mn-Si-Al STEELS
ZHANG Jiming, LIU Junliang
(1. Technology Center of Jinan Steel and Iron Group Corporation, Jinan 250101 , China ; 2. Baoshan Iron & Steel Co. Ltd., Shanghai 201900, China)
试验用材料的主要化学成分为（wt%）Fe-30Mn-3Al-3Si，Fe-15Mn-2Al-2Si 和 Fe15Mn 三种成分。试验材料首先在 50 公斤真空感应炉中进行冶炼，Ar 气保护，然后浇注成 200×200×300mm3 长方坯。在 1050℃真空炉中进行均匀化处理，保温 50h。开始轧制温度 为 1150℃，轧成 15mm 厚的板材，轧后空冷。最后进行回火处理，回火温度为 1000℃保温 8h，随炉冷却。
从基板上截取试样进行力学性能试验和 EBSD 试验。采用标准拉伸试样，尺寸为 M12 （l=2d，d=5mm）圆棒试样，拉伸试验在岛津液压伺服万能试验机上进行，拉伸应变速率 均为 4.2×10-3/s，加载应力方向平行于轧向。拉伸后截取 EBSD 和 TEM 试样。TEM 试样 首先经机械研磨减薄，然后用冲样机剪成φ3mm 圆片，最后采用电解双喷技术进行最终减 薄处理，电解液为 10%高氯酸酒精。显微结构观察在 JEM 200CX 透射电镜上进行，加速 电压 120kV。EBSD 试样经机械研磨抛光处理后，利用 StruersLectropol-5 电解抛光设备对 表面进行抛光处理以消除表面硬化层对衍射花样质量的影响，抛光电流约 1μA，抛光液为 5%高氯酸酒精。EBSD 试验在 JSM 6460LV 扫描电镜上进行，加速电压为 25kV。 3 试验结果与讨论 3.1 力学性能
油耗、减小环境污染等以缓解当前日益紧张的能源和环境问题。据统计，汽车重量每减轻 1%，燃料便可降低 0.6%~1.0%，因此，汽车的减重是降低油耗的重要途径之一。虽然随着 汽车减重的需要和车重的下降，汽车用钢铁材料的比例不断减少，但由于钢铁材料具有的 独特优势，仍在汽车制造业中占据主导地位（约占汽车用材的 70%~80%）。在汽车用板材
Abstract：The tensile properties of three steels (Fe-30Mn-3Si-3Al, Fe-15Mn-2Si-2Al and Fe15Mn) show that yield strength and fracture strength increase, and expansion ratio of elongation percentage elongation strain decreases with the decrease of Mn, Si and Al contents. Frequency of Coincidence site lattice grain boundary (CSL) is 83.4%, 36% and 21% for three steels, respectively. Deformation twinning is comprised of a primary twins and secondary twins. A angle between the primary twins and secondary twins is about 60 degree. Most of secondary twins grows in the primary twins. But, some of secondary twins traverse the primary twins boundaries in the heavy deformation band. Keyword: Microstructure，Coincidence site lattice grain boundary, Twinning
钢力学性能与显微结构研究
张继明*1 孙卫华 1 王国栋 2 （1.济钢集团有限公司，山东济南 250101；
2.东北大学国家重点实验室，辽宁沈阳 110004）
摘要 本文对三种成分 Fe-Mn-Si-Al 钢的力学性能、显微结构和重位晶界进行了研究，结果 表明，随着钢中 Mn、Si 和 Al 元素含量的降低，材料的屈服强度和抗拉强度逐渐升高，延 伸率逐渐降低，低Σ值重位晶界出现频率依次为 83.4%、36%和 21%，并且钢中形变孪晶的 数量逐渐减少。Fe-30Mn-3Si-3Al 钢中形变孪晶分为一次孪晶和二次孪晶，一次孪晶和二次 孪晶生长方向成 60°夹角，大部分二次孪晶分布在一次孪晶的两孪晶界之间，但在高应力 的形变带内二次孪晶可穿过一次孪晶的孪晶界。 关键词：显微结构，重位晶界，孪晶
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方向，衍射斑点关于 (111) 面呈镜面对称分布，表明选区内平行孪晶板条之间构成 (111) 孪
晶关系。在较宽的一次孪晶板条内存在大量的二次孪晶，相对于一次孪晶，二次孪晶条的
长度和宽度尺寸都比较小，一次孪晶和二次孪晶的生长方向基本上呈 60°角（见图 3c,d）。有的二次孪晶在一次孪晶两孪晶界内生成，但有的二次孪晶在严重变形的形变带 内形成，生长方向平行于形变带，并能够穿过一次孪晶的孪晶界（见图 3d）。图 4 为 Fe15Mn 和 Fe-15Mn-2Si-2Al 拉伸后显微组织中的形变孪晶形貌，可以看出，由于钢中 Mn、 Si 和 Al 元素含量的减低，钢中形变诱发孪晶的数量大为减少，尤其是在 Fe-15Mn 钢中，
0.3 200
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Eng, Srain, %
0.2 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 ε
图 1 三种钢的应力-应变曲线和应变对硬化指数 n 值的影响 Fig.1 Stress-strain curves and effect of strain on n value of three steels with different
集降低 n-ε 规律近似抛物线关系（图 1b）。Fe-15Mn 钢 n 值变化与其它两种钢不同，主要 是由其成分所决定的，层错能与成分密切相关，Mn 含量增加能够显著提高材料层错能，
降低加工硬化速率而增加塑性[3]。Si 使材料层错能降低，而 Al 则可以增加层错能，并且
Al 元素提高材料塑性作用优于 Si 元素，且当材料中 Si 和 Al 含量均为 3%时，效果最显著 [2]。三种钢中，Fe-15Mn 层错能最低，Fe-15Mn-2Si-2Al 次之，Fe-30Mn-3Si-3Al 层错能最 大。研究表明[3,5]，层错能越低，材料在应力作用下越容易发生形变诱导马氏体相变（也
* 作者简介：张继明（1977-），男，博士，jiming_zhang@
中，为减轻车体重量，大量采用高强度钢板已成为必然趋势，而随着钢板强度的提高，其 冲压成形加工过程中的回弹和弯曲开裂现象增多，降低了加工成形性[1,2]。研制和开发高 强、高塑性钢是汽车工业近年研究的重点。
Grassel 等[3,4]在试验研究 Fe-Mn-Si-Al 系 Trip 钢时发现，当 Mn 含量达到 25wt%，Al 含量超过 3%，Si 含量在 2wt%~3wt%之间时，其抗拉强度和延伸率的乘积在 50000•MPa% 以上，是高韧性 TRIP 钢的两倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而 不是 TRIP 钢中的相变，故命名为孪生诱发塑性（Twinning induced plasticity, TWIP）钢。 TWIP 钢具有中等的抗拉强度（约 600MPa）和极高的均匀延伸率（大于 80%）。除此之 外，还具有高的能量吸收能力和没有低温脆性转变温度，拉伸形变时无缩颈[5,6]。TWIP 钢的显微组织观察表明，变形过程中有大量的孪晶在奥氏体晶粒内形成[7,8]。本文选取了 三种不同成分的 Fe-Mn-Si-Al 系钢，研究化学成分对其显微结构与力学性能的影响。 2 试验材料与方法
于发生孪生而使材料塑性增加，这在后面显微组织观察中得到证实。
1200 1000
0.6
Fe-15Mn
Fe-15Mn-2Si-2Al
Fe-30Mn-3Si-3Al
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Fe-15Mn Fe-15Mn-2Si-2Al Fe-30Mn-3Si-3Al
Eng, Sress, MPa n
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chemical compositions
3.2 断口形貌观察 图 2 为 Fe-30Mn-3Si-3Al 钢拉伸断口形貌和拉伸过程中滑移形貌，从宏观断口可以看
出在断裂前，材料产生较大的塑性变形。断口表面由起裂源和剪切唇组成，其中剪切唇面 积约占断口表面的四分之三（图 2a）。断口心部起裂源由大量的韧窝组成，在较大的韧窝 壁上可以观察到大量细密的蛇形纹，表面在韧窝形成过重中材料塑性变形量较大，韧窝的 底部可以观察到大小尺寸不等的夹杂物或二次相粒子（图 2b）。拉伸过程中，试样表面产 生大量平行排列的滑移线，在表面可以观察到两套滑移系，一次滑移和二次滑移系约成 60 ℃夹角，在滑移量较大的部位因应力集中而产生微裂纹。研究发现[9],TWIP 钢在拉伸过程 中，裂纹大部分在晶界处萌生，同时部分裂纹也沿孪晶界扩展，主要是因为在较大的应变
during tensile testing
3.3 显微组织 TEM 观察
图 3 为 Fe-30Mn-3Si-3Al 钢拉伸形变后的显微结构照片，可以看出，Fe-30Mn-3Si-3Al
钢拉伸变形后显微组织主要为长条状的形变孪晶，板条状孪晶宽度尺寸大小不等，在孪晶
条内存在高密度位错。形变孪晶的选区衍射分析表明，电子束入射方向平行于[011]晶带轴
图 1 为 Fe-30Mn-3Si-3Al、Fe-15Mn-2Si-2Al 和 Fe-15Mn 的拉伸性能的应力－应变曲线 和应变硬化指数，可以看出，随着钢中 Mn、Si 和 Al 含量的降低，钢的屈服强度和抗拉强 度增加，而延伸率大幅降低。Fe-30Mn-3Si-3Al 钢具有较低的屈服强度，约为 250MP。而 随着应变的增加，存在较长的加工硬化阶段，在延伸率达到 78％时强度达到最大值 600MPa，延伸率最大为 82.5%。而 Fe-15Mn-2Si-2Al 和 Fe-15Mn 屈服强度和断裂强度相对 较高，屈服强度约为 500MPa 左右，拉伸强度分别为 900MPa 和 1100MPa 左右，但其塑性 大为降低，Fe-15Mn 延伸率仅为 36%左右（图 1a）。在 0.05~0.3 的应变范围内，Fe-30Mn-
就是 TRIP 效应），而随着层错能增加，马氏体相变被抑制，当层错能增加到一定值时， 材料在应力作用下发生 TWIP 效应，相变过程中主要通过孪晶的形成来延迟钢的颈缩。所
以，在拉伸过程中，Fe-15Mn 钢主要由于应变诱导马氏体形变而使材料具有较快的加工硬
化速率，而 Fe-15Mn-2Si-2Al 则同时发生了马氏体相变和孪生，而 Fe-30Mn-3Si-3Al 主要由
3Si-3Al 钢的 n 值均匀而平稳，表明其在拉伸过程中具有良好的应变分布，能够承受局部的 应变；与前者相比，Fe-15Mn-2Si-2Al 的 n 值随应变量增加 n 值增加较快，但增量比较均
匀；而 Fe-15Mn 的 n 值变化较大，当应变量增加大约 0.15 时，n 值迅速增加，随后 n 值聚
速率下，材料产生大量的位错，这些位错在滑移过程中在诱发孪晶界大量塞积，正负位错 结合产生空位，致使裂纹沿孪晶界延伸。
(a)
(b)
剪切唇
起裂源
(c)
滑移线
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60℃ 一次滑移
微裂纹
图 2 Fe-30Mn-3Si-3Al 钢拉伸断口形貌和裂纹观察 Fig.2 (a and b) Fractograph and (c and d) crack propagation of Fe-30Mn-3Si-3Al steel
研究发现9twip钢在拉伸过程中裂纹大部分在晶界处萌生同时部分裂纹也沿孪晶界扩展主要是因为在较大的应变10203040506070809020040060080010001200engsrainfe15mnfe15mn2si2alfe30mn3si3al三种钢的应力应变曲线和应变对硬化指数n值的影响fig1stressstraincurvesthreesteelsdifferentchemicalcompositions0050100150200250300203040506fe15mnfe15mn2si2alfe30mn3si3al速率下材料产生大量的位错这些位错在滑移过程中在诱发孪晶界大量塞积正负位错结合产生空位致使裂纹沿孪晶界延伸
STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF Fe-Mn-Si-Al STEELS
ZHANG Jiming, LIU Junliang
(1. Technology Center of Jinan Steel and Iron Group Corporation, Jinan 250101 , China ; 2. Baoshan Iron & Steel Co. Ltd., Shanghai 201900, China)
试验用材料的主要化学成分为（wt%）Fe-30Mn-3Al-3Si，Fe-15Mn-2Al-2Si 和 Fe15Mn 三种成分。试验材料首先在 50 公斤真空感应炉中进行冶炼，Ar 气保护，然后浇注成 200×200×300mm3 长方坯。在 1050℃真空炉中进行均匀化处理，保温 50h。开始轧制温度 为 1150℃，轧成 15mm 厚的板材，轧后空冷。最后进行回火处理，回火温度为 1000℃保温 8h，随炉冷却。
从基板上截取试样进行力学性能试验和 EBSD 试验。采用标准拉伸试样，尺寸为 M12 （l=2d，d=5mm）圆棒试样，拉伸试验在岛津液压伺服万能试验机上进行，拉伸应变速率 均为 4.2×10-3/s，加载应力方向平行于轧向。拉伸后截取 EBSD 和 TEM 试样。TEM 试样 首先经机械研磨减薄，然后用冲样机剪成φ3mm 圆片，最后采用电解双喷技术进行最终减 薄处理，电解液为 10%高氯酸酒精。显微结构观察在 JEM 200CX 透射电镜上进行，加速 电压 120kV。EBSD 试样经机械研磨抛光处理后，利用 StruersLectropol-5 电解抛光设备对 表面进行抛光处理以消除表面硬化层对衍射花样质量的影响，抛光电流约 1μA，抛光液为 5%高氯酸酒精。EBSD 试验在 JSM 6460LV 扫描电镜上进行，加速电压为 25kV。 3 试验结果与讨论 3.1 力学性能