高锰钢中奥氏体状态对马氏体相变的影响

图 1 18Mn 钢不同条件下的显微组织。a： 未经热形变时的淬水组织； b： 750℃ 压缩 70% 后直接淬水中心组织； c： 750℃ 压缩 70% 保温 3min 形变区域； d： 750℃ 压缩 70% 保温 3min 静态再结晶区； e： 800℃ 压缩 70% 后保温 3min；
a，c，d，e： Bar = 10 μm； b： Bar = 2 μm Fig． 1 The microstructure of 18Mn steel under different heat treatment． a： Quenched at 1100℃ without deformation； b： the center microstructure of the sample compressed 70% at 750℃ and quenched； c： Compressed 70% at 750℃ and heated
图 3 为 18Mn 钢 750℃ 压 缩 70% 后 保 温 3 min 并冷却后的取向 成 像 结 果 （ 称 为 区 域 1 ） ，保 温 的 目 的是获得同时含有形变态和再结晶状态奥氏体的样 品。从图 3a 可见，该 区 域 发 生 了 静 态 再 结 晶，形 成 大量等轴的小晶粒，且 小 晶 粒 中 没 有 显 著 的 亚 结 构 存在。而残留的形 变 晶 粒 比 较 细 长，内 部 存 在 大 量 亚晶界，抑制了冷却时的马氏体相变。图 3b 显示较 大的再 结 晶 晶 粒 内 生 成 ε-M，而 α'-M 量 （ 蓝 色 ） 很 少； 形变晶粒内没有形成 ε-M，为单相奥氏体。 这说 明细小等 轴 的 静 态 再 结 晶 晶 粒 内 α'-M 受 抑 制，但 不能抑 制 ε-M。 此 时 许 多 静 态 再 结 晶 晶 粒 已 长 到 10μm 以上，仍不能顺利产生 α'-M； 且多数奥氏体晶 粒内 的 只 有 1 种 ε-M 变 体 生 成。 由 于 再 结 晶 的 发 生，奥氏体的取向分布比 较 弱，主 要 分 布 在 ｛ 110 ｝ 和 较稳定的｛ 120｝ ～ ｛ 110｝ 范围内。
于多晶体中各晶粒 取 向 不 同，经 历 形 变 后 各 晶 粒 内 的 形 变 储 能 及 相 变 速 度 有 差 异 ，因 此 ，奥 氏 体 状 态 的 差异和尺寸差异往往会与晶粒取向相关。
高锰 TRIP / TWIP 钢 具 有 高 强 度 与 良 好 塑 性 的 特点，是新一代高安 全 性 和 节 能 汽 车 用 冲 压 件 的 选 材。这类钢具有两 种 马 氏 体，它 们 既 可 在 冷 却 中 形 成，也 可 在 形 变 中 形 成。 在 研 究 该 高 锰 钢 室 温 TRIP / TWIP 过程 与 晶 粒 取 向 的 关 系 后［7，8］，本 文 考 察奥氏体热形变后不同类型的组织状态对随后的热 致马氏体相变的影 响，同 时 关 注 这 些 差 异 与 母 相 晶 粒取向的联系。
第 30 卷 第 4-5 期 2011 年 10 月
电子显微学报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society
Vol. 30，No. 4-5 2011 -10
文章编号： 1000-6281（ 2011） 04 /05-0334-06
高锰钢中奥氏体状态对马氏体相变的影响
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织 。 此 试 样 的 组 织 变 化 不 均 匀 ——— 既 有 长 条 的 形 变 组织（ 图 1c） ，又有细小的静态再结晶组织 （ 图 1d） 。 图 1e 是样品在 800℃ 变形 70% 且保温 3 min 后的组 织。因形变温度升 高，此 试 样 发 生 动 态 再 结 晶 的 程 度高于 750℃ 样品，再结晶 的 小 晶 粒 已 明 显 增 多，且 有的已经开始长大，晶 粒 尺 寸 大 于 750℃ 的 样 品，同 时部分晶粒中开始出现细小透镜状的 α'-M，如箭头 所示。 2. 2 取向成像结果及分析
for 3 min then quenched； d： Recrystallized microstructure of compressed 70% at 750℃ and heated fБайду номын сангаасr 3 min； e： Compressed 70% at 800℃ and heated for 3 min． a，c，d，e： Bar = 10 μm； b： Bar = 2 μm
图 2 为该合金在 750℃ 压缩 70% 后直接淬水样 品的取向成像，灰 色 为 奥 氏 体，红 色 为 ε-M，此 时 的 高温奥氏 体 只 有 全 位 错 滑 移 运 动，没 有 形 变 孪 晶。 由图可见： 1） 绝大多数长条状形变奥氏体内抑制了 ε 和 α'两类马氏体 相 变，其 边 界 有 很 少 量 细 小 动 态 再结晶晶粒（ 图 2a 箭头） ； 2） 少数形变晶粒内回复 充 分 ，或 局 部 形 变 量 远 低 于 平 均 形 变 量 ，发 生 了 马 氏 体相变，特 别 是 ε-M 较 易 形 成。 该 区 域 的 取 向 为 ｛ 110｝ 稳定形变取向。值得强调的是充分回复的形 变奥氏体一般只抑制 α'-M 而 难 以 抑 制 ε-M。图 2b 中的亮暗衬度表明，奥 氏 体 内 取 向 变 化 大 的 区 域 马 氏 体 相 变 困 难 ，如 晶 界 附 近 ，此 时 一 个 形 变 奥 氏 体 晶 粒内通常只转变成 1 种 ε 变体，难以产生交叉作用， 所以不能促进 α'形成。
马氏体相变为 切 变 型 相 变，其 相 变 动 力 学 及 马 氏 体 形 态 受 各 种 内 、外 因 素 的 影 响 ，其 中 母 相 奥 氏 体 的形变状态及尺寸是两个重要的影响因素。由于实 际生产中奥氏体都 要 经 过 热 加 工，不 同 温 度 范 围 的 奥氏体可能处于完 全 再 结 晶、部 分 再 结 晶 及 形 变 状 态，因此对随后的扩 散 型 铁 素 体 相 变 及 切 变 型 马 氏 体相变的 织 构 有 影 响［1，2］。 通 常 情 况 下，再 结 晶 后 的奥氏体晶 粒 尺 寸 越 大，越 有 利 于 马 氏 体 相 变，即 M s 点提高［3，4］； 形变的奥氏体内部晶体缺陷越多 ，加 工硬化越严重，马氏体越难形成［3，4］，M s 点下降。但 另 一 方 面 ，形 变 可 帮 助 切 变 过 程 ，促 进 不 全 位 错 的 运 动 ，进 而 也 会 促 进 相 变 ，如 应 力 诱 发 相 变 及 应 变 诱 发 相变。因此，形变 对 相 变 会 有 正、反 两 方 面 的 作 用。 一般 认 为，在 Ms ～ Md 温 度 之 间 形 变 会 促 进 马 氏 体 相变，在 Md 温 度 以 上 形 变 会 阻 碍 马 氏 体 相 变。 文 献［5］报道，Fe-32Ni 合金 中 动 态 再 结 晶 的 奥 氏 体 内 的缺陷促进马氏 体 相 变，提 高 Ms 点。 此 外，已 有 对 奥氏体不锈钢的研 究 表 明［6］，奥 氏 体 的 取 向 对 马 氏 体相变的快慢有明显的影响。虽然已有很多针对奥 氏体热变形对随后的铁素体相变织构影响的研究， 但 目 前 尚 缺 少 奥 氏 体 形 变 晶 粒 、动 态 再 结 晶 晶 粒 、不 同尺寸的静态再结晶晶粒冷却过程中马氏体相变快 慢差异的比较研 究，以 及 晶 粒 取 向 的 潜 在 影 响。 由
2 实验结果及分析
2. 1 组织形貌 图 1 是 18Mn 钢在不同条件下冷却至室温的显
微组织。图 1a 为 18Mn 钢1 100℃ 加热后直接淬水 的组织，未 经 过 热 变 形 时，冷 却 过 程 中 直 接 形 成 ε、 α'两种马氏体，且 α'-M 只 能 在 片 状 ε-M 内 形 成，说 明 Ms 点在室温以上。图 1b 是 18Mn 钢在 750℃ 压 缩 70% 后直接淬水的中 心 区 组 织。试 样 平 均 压 缩 量为 70% ，其表 层 受 压 头 摩 擦 作 用 形 变 量 很 小，故 试样中心区 的 形 变 量 高 于 70% 。从 图 1b 中 可 见， 样品中心区域组织中主要是长条压扁的形变晶粒， 在形变晶粒的边界处分布尺寸细小的动态再结晶晶 粒。组织中不同相 的 分 布 很 难 分 辨，但 总 体 上 马 氏 体相变 被 抑 制。 图 1 （ c，d ） 是 样 品 从 1 100℃ 冷 至 750℃ 压缩 70% 后保温 3 min 冷却后不同位置的组
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王璋琦等： 高锰钢中奥氏体状态对马氏体相变的影响
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结晶或部 分 再 结 晶 的 组 织，然 后 吹 气 快 冷 到 室 温。 考察不同状态的奥氏体在冷却过程中形成马氏体的 难易程度。沿热模 拟 压 缩 方 向 取 样，观 察 面 平 行 于 受力方向。样品磨光后用 5% 的 HClO4 酒精溶液进 行 电 解 抛 光，并 用 4% 的 硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蚀。 用 Zeiss Ultra 55 场发 射 扫 描 电 镜 进 行 组 织 观 察，并 用 其 上 配 备 的 HKL Channel 5 背 散 射 电 子 衍 射 （ EBSD） 系统进行取向成像分析。
收稿日期： 2011 -03 -03 ； 修订日期： 2011-04 -07 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 50771019） ； 高等学校博士学科点专项科研基金项目 （ 20090006110013） ； 北京科技大学本科生科技
创新基金项目（ 10030350） ． 作者简介： 王璋琦（ 1989 － ） ，男（ 汉族） ，浙江杭州人，学士． E-mail： 13811910854@ 139． com * 通讯作者： 杨平（ 1959 － ） ，男（ 汉族） ，湖南人，教授，博士研究生导师． E-mail： yangp@ mater． ustb． edu． cn
王璋琦，孙 鹏，刘文琦，鲁法云，杨 平* ，王会珍
（ 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）
摘 要： 通过不同温度的热变形及保温获得不同状态的 奥 氏 体 组 织，用 EBSD 取 向 成 像 技 术 分 析 其 在 冷 却 时 形 成 马氏体的难易，并关注各类奥氏体转变成马氏体的 难 易 与 奥 氏 体 取 向 的 关 系 。 结 果 表 明，马 氏 体 相 变 从 难 到 易 的 奥氏体状态依此是： 细小的动态再结晶晶粒、形变长 条 晶 粒、细 小 等 轴 的 静 态 再 结 晶 晶 粒、粗 大 奥 氏 体 晶 粒。 形 变 抑制六方 ε 马氏体的能力比抑制体心立方的 α'马氏体低得多。形变奥氏体晶粒因取向不同，内部亚晶间 取 向 差 不 同，从而形变储能不同，抑制相变的能力也就不同。最难发生相变的奥氏体取向为〈110〉，随形变 温 度 升 高，这 种 取 向择优程度减弱。 关键词： 高锰钢； 热压缩； 取向； 马氏体相变； 再结晶 中图分类号： TG142. 33； TG115 文献标识码： A
1 实验材料与方法
实验材料选用高锰 TRIP 钢，其具体成分 （ 质 量 分数） 如 下： 17. 5% Mn，0. 0045% C，3% Si，2% Al，其 余为 Fe，称 为 18Mn 钢。真 空 冶 炼 浇 铸 后 将 铸 锭 加 热到1 050℃ 保温 1 h 后进行锻造，终锻温度 900℃ ， 锻后空冷。随 后 经 高 温1 140℃ 加 热 保 温 2 h 后 淬 水，得到原始固溶组织。从固溶样品中切取 6 × 12 mm 的热模拟 压 缩 样 品 5 个。 在 Gleeble-1500 热 模 拟机上将样品加 热 到1 100℃ 保 温 10 min，以 5℃ / S 分别冷至 950℃ ，900℃ ，850℃ ，800℃ ，750℃ 后 压 缩 70% ，应变速率 10 － 2 / S，再保温 3 min 以得到完全再