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《Scripta Materialia》：大幅提高鑄態(tài)高 Mn TWIP 鋼的熱延展性！

2022-04-07 16:47:17 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：由于在700-950℃時(shí)熱延性下降，橫向開(kāi)裂是TWIP鋼連鑄過(guò)程中的主要問(wèn)題。本研究通過(guò)孕育處理精煉鑄態(tài)組織來(lái)提高18.1Mn-0.68C-1.5Al （wt.%） TWIP鋼的熱延展性。采用將含MnS的母合金直接添加到熔體中來(lái)實(shí)施孕育處理。由于MnS在熔體中不溶解，它們?cè)趭W氏體成核過(guò)程中充當(dāng)異相形核位點(diǎn)。因此，經(jīng)MnS孕育處理的鋼相互比于參考鋼具有更細(xì)的晶粒尺寸。此外，MnS顆粒具有多邊形形狀，隨機(jī)分布，并與奧氏體具有立方對(duì)立方取向關(guān)系；兩個(gè)慣析面都平行于{111}。MnS每四個(gè){222}面上的b= 1/6<112>邊緣位錯(cuò)的周期性排列是適應(yīng)立方體-立方體關(guān)系的大晶格錯(cuò)合的必要條件。與之前報(bào)道的TWIP鋼相比，MnS孕育的TWIP鋼的熱延展性有顯著提高。

孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）鋼以出色的高強(qiáng)度-延展性組合和高能量吸收能力而聞名，使其成為汽車應(yīng)用領(lǐng)域極具吸引力的材料。然而，由于合金加工成本高和制造相關(guān)問(wèn)題，其應(yīng)用仍不廣泛。尤其是橫向裂紋被報(bào)道為一個(gè)在TWIP鋼生產(chǎn)中重要問(wèn)題。連鑄過(guò)程中橫向開(kāi)裂的概率可以通過(guò)熱延性來(lái)預(yù)測(cè)，熱延性是通過(guò)高溫拉伸試驗(yàn)獲得的斷面收縮率（RA）來(lái)評(píng)估的。許多TWIP鋼在700-950℃變形時(shí)，熱延性下降。為了成功的鑄造，RA大于40%是非常必要的。

研究人員做了一些努力來(lái)闡明影響 TWIP 鋼的熱延展性的機(jī)制。由于 TWIP 鋼含有單相 γ，晶界滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼的斷裂。在熱拉伸試驗(yàn)期間，γ晶界處的高應(yīng)力集中促進(jìn)了微裂紋的形核，這些裂紋沿著γ晶界逐漸生長(zhǎng)并合并，導(dǎo)致沿晶斷裂。同樣，在 γ 晶界處析出第二相顆粒（如 AlN 和 TiC）也具有不利影響，因?yàn)樗鼈兲幱谟欣诹鸭y形成的位置。相反，由于晶粒細(xì)化效應(yīng)，快速動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)可以恢復(fù)熱延展性，從而將裂紋與其傳播路徑分離開(kāi)。遺憾的是，據(jù)報(bào)道，非微合金化 TWIP 鋼具有緩慢的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)性。因此，它對(duì)提高在700-950℃范圍內(nèi)的熱延展性的貢獻(xiàn)是有限的。

研究人員嘗試采用一些方法來(lái)提高熱延展性。較快的應(yīng)變速率能提高合金的熱延展性。然而，在現(xiàn)有的制造設(shè)備中，應(yīng)變速率難以改變，通常在矯直操作中，應(yīng)變速率在10?3-10?4 s?1范圍內(nèi)。此外，研究人員還研究了合金添加量的影響。Kang等人的研究表明，Ti和B的共同添加提高了TWIP鋼的熱延展性。Ti消耗N，能阻礙晶界處AlN和BN的析出；同時(shí)，B偏析會(huì)強(qiáng)化晶界。Salas-Reyes等人發(fā)現(xiàn)添加V的TWIP鋼比未添加V的鋼表現(xiàn)出更快的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而提高了熱延展性。值得注意的是，其他元素如Nb和Ni會(huì)由于在晶界處形成沉淀物而產(chǎn)生不利影響。盡管它們對(duì)熱延展性的影響不同，但添加這些昂貴的合金元素會(huì)進(jìn)一步增加TWIP鋼的成本。晶粒細(xì)化是一種替代方法，它將促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，從而抑制微空洞的形成。因此，具有較小晶粒尺寸的 TWIP 鋼表現(xiàn)出較高的RA。然而，在主要通過(guò)孕育處理實(shí)現(xiàn)的連鑄工藝中，降低鑄態(tài)晶粒尺寸具有挑戰(zhàn)性的。孕育處理可以通過(guò)添加合金來(lái)進(jìn)行，這會(huì)形成充當(dāng)孕育劑的第二相顆粒，如添加Ti、Zr、Mg和Ce以形成Ti2O3、ZrO2、MgO、Ce2O3和富含 Ce 的化合物顆粒。孕育處理也可以通過(guò)直接向熔體中加入孕育劑顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)，這在鋁合金中得到了廣泛應(yīng)用。晶粒細(xì)化程度與γ與孕育劑顆粒的晶格錯(cuò)合密切相關(guān)；Ce2O3和ZrO2顆粒相比MgO與γ的不匹配更小，在晶粒細(xì)化方面更有效。

值得注意的是，MnS顆粒可能是一種很有前途的孕育劑，因?yàn)樗鼈兒?gamma;之間的晶格失配也是最小的。MnS的這種潛在優(yōu)勢(shì)尚未實(shí)現(xiàn)，原因有二。首先，Mn和S作為合金元素傾向于向γ晶界偏析，從而降低了晶界內(nèi)聚力。其次，Mn與S結(jié)合在γ晶界形成MnS顆粒會(huì)促進(jìn)沿晶斷裂，降低熱延展性。然而，當(dāng)MnS顆粒存在于γ基體中時(shí)，它們并不會(huì)影響熱延展性。因此，正確使用MnS顆粒作為一種有效的孕育劑而不引起晶間破裂是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在這里，浦項(xiàng)科技大學(xué)的T.T.T. Trang、Soo-Yeon Lee、Yoon-Uk Heo等探討了在鑄態(tài)條件下使用MnS顆粒作為孕育劑來(lái)細(xì)化γ晶粒尺寸，從而提高TWIP鋼的熱延展性的可能性。相關(guān)成果以題為“Improved hot ductility of an as-cast high Mn TWIP steel by direct implementation of an MnS-containing master alloy”發(fā)表在《Scripta Materialia》上。

本文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646222001853

圖1所示：（a） TWIP鋼錠的制造工藝示意圖，（b）熱拉伸試驗(yàn)中的熱循環(huán)，以及（c）顯示TWIP鋼中粗晶粒和MnS孕育的TWIP鋼錠中細(xì)晶粒的截面圖像。

圖 2所示：TWIP 鋼（a）未添加和（b）添加 MnS 孕育劑的鑄造方向觀察到的反極圖；（15°- 62°）用黑色高亮顯示。（c）從過(guò)冷區(qū)柱狀的過(guò)渡晶帶獲得的掃描電子顯微照片顯示 MnS 顆粒的均勻分布。（d） MnS 顆粒的 EDS 組成圖。

圖3所示：從[110]γ區(qū)軸觀察到MnS粒子與γ基體的取向關(guān)系：（a）衍射圖，（b）亮場(chǎng)和暗場(chǎng)TEM顯微圖，（c-d） HAADF-STEM圖像；γ和MnS粒子都是在< 110 >區(qū)軸上觀察到的。（d）中的白色虛線沿原子列排列，線與線之間的距離對(duì)應(yīng)于{111}γ或{222}MnS的平面間距。（d）中的插圖是γ和MnS的快速傅里葉變換（FFT）圖形，以及用于識(shí)別錯(cuò)配位錯(cuò)及其Burgers矢量的逆FFT圖像。

圖 4所示：（a）研究鋼在 800°C 和 900°C 下變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）斷面收縮率（RA）與溫度的函數(shù)關(guān)系；插圖是斷裂試樣的側(cè)視圖。（c-j）低倍和高倍掃描電鏡圖像顯；（c-f） TWIP 和（g-j）由 MnS孕育處理的TWIP 鋼的斷口。

圖5所示；研究了Fe-18Mn-0.6C-1.5Al TWIP鋼的熱延展性，并與（a）添加和不添加微量合金化元素的TWIP鋼和（b）不同Mn含量的TWIP鋼進(jìn)行了比較。（c）晶粒尺寸對(duì)TWIP鋼900℃熱塑性的影響。

對(duì)TWIP鋼的鑄態(tài)組織進(jìn)行細(xì)化，對(duì)于提高其力學(xué)性能和解決橫向開(kāi)裂問(wèn)題具有重要意義。MnS 孕育合金可以在連鑄過(guò)程中通過(guò)送絲法進(jìn)入結(jié)晶器（鑄模），從而提高TWIP鋼的熱延展性。我們的發(fā)現(xiàn)有助于使 TWIP 的制造成為可能，從而使 TWIP 鋼能夠廣泛用于各種應(yīng)用，尤其是汽車領(lǐng)域。

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