《Scripta Materialia》:解决重大工程难题!突破TWIP钢连铸坯开裂问题

发稿时间:2022-05-12 来源:凯时体育平台app 作者:凯时体育平台app网站

  原标题:《Scripta Materialia》:解决重大工程难题!突破TWIP钢连铸坯开裂问题

  导读:由于在700-950℃时热延展性下降,横向开裂是TWIP钢连铸过程中的主要问题。本研究通过精炼铸态组织来提高18.1Mn-0.68C-1.5Al (wt.%) TWIP钢的热延性。采用将含MnS的母合金直接添加到熔体中来实施孕育处理。由于MnS在熔体中不溶解,它们在奥氏体成核过程中充当异相形核位点。因此,经MnS孕育处理的钢相互比于参考钢具有更细的晶粒尺寸。此外,MnS颗粒具有多边形形状,随机分布,并与奥氏体具有立方对立方取向关系;两个惯析面都平行于{111}。与之前报道的TWIP钢相比,MnS孕育的TWIP钢的热延展性有显著提高。我们的发现有助于使TWIP 钢的制造成为可能,从而使 TWIP 钢能够广泛用于各种应用,尤其是汽车领域。

  孪晶诱导塑性 (TWIP) 钢以出色的高强度-延展性组合和高能量吸收能力而闻名,使其成为汽车应用领域极具吸引力的材料。然而,由于合金加工成本高和制造相关问题,其应用仍不广泛。尤其是横向裂纹被报道为一个在TWIP钢生产中重要问题。连铸过程中横向开裂的概率可以通过热延性来预测,热延性是通过高温拉伸试验获得的断面收缩率(RA)来评估的。许多TWIP钢在700-950℃变形时,热延性下降。为了成功的铸造,RA大于40%是非常必要的。

  研究人员做了一些努力来阐明影响 TWIP 钢的热延展性的机制。由于 TWIP 钢含有单相 γ,晶界滑动会导致钢的断裂。在热拉伸试验期间,γ晶界处的高应力集中促进了微裂纹的形核,这些裂纹沿着γ晶界逐渐生长并合并,导致沿晶断裂。同样,在 γ 晶界处析出第二相颗粒(如 AlN 和 TiC)也具有不利影响,因为它们处于有利于裂纹形成的位置。相反,由于晶粒细化效应,快速动态再结晶动力学可以恢复热延展性,从而将裂纹与其传播路径分离开。遗憾的是,据报道,非微合金化 TWIP 钢具有缓慢的动态再结晶动力学性。因此,它对提高在700-950℃范围内的热延展性的贡献是有限的。

  研究人员尝试采用一些方法来提高热延展性。较快的应变速率能提高合金的热延展性。然而,在现有的制造设备中,应变速率难以改变,通常在矫直操作中,应变速率在10−3-10−4 s−1范围内。此外,研究人员还研究了合金添加量的影响。Kang等人的研究表明,Ti和B的共同添加提高了TWIP钢的热延展性。Ti消耗N,能阻碍晶界处AlN和BN的析出;同时,B偏析会强化晶界。Salas-Reyes等人发现添加V的TWIP钢比未添加V的钢表现出更快的动态再结晶,从而提高了热延展性。值得注意的是,其他元素如Nb和Ni会由于在晶界处形成沉淀物而产生不利影响。尽管它们对热延展性的影响不同,但添加这些昂贵的合金元素会进一步增加TWIP钢的成本。晶粒细化是一种替代方法,它将促进动态再结晶的发生,从而抑制微空洞的形成。因此,具有较小晶粒尺寸的 TWIP 钢表现出较高的RA。然而,在主要通过孕育处理实现的连铸工艺中,降低铸态晶粒尺寸具有挑战性的。孕育处理可以通过添加合金来进行,这会形成充当孕育剂的第二相颗粒,如添加Ti、Zr、Mg和Ce以形成Ti2O3、ZrO2、MgO、Ce2O3和富含 Ce 的化合物颗粒。孕育处理也可以通过直接向熔体中加入孕育剂颗粒来实现,这在铝合金中得到了广泛应用。晶粒细化程度与γ与孕育剂颗粒的晶格错合密切相关;Ce2O3和ZrO2颗粒相比MgO与γ的不匹配更小,在晶粒细化方面更有效。

  值得注意的是,MnS颗粒可能是一种很有前途的孕育剂,因为它们和γ之间的晶格失配也是最小的。MnS的这种潜在优势尚未实现,原因有二。首先,Mn和S作为合金元素倾向于向γ晶界偏析,从而降低了晶界内聚力。其次,Mn与S结合在γ晶界形成MnS颗粒会促进沿晶断裂,降低热延展性。然而,当MnS颗粒存在于γ基体中时,它们并不会影响热延展性。因此,正确使用MnS颗粒作为一种有效的孕育剂而不引起晶间破裂是一个挑战。

  图1所示:(a) TWIP钢锭的制造工艺示意图,(b)热拉伸试验中的热循环,以及(c)显示TWIP钢中粗晶粒和MnS孕育的TWIP钢锭中细晶粒的截面图像。

  图 2所示:TWIP 钢(a)未添加和(b)添加 MnS 孕育剂的铸造方向观察到的反极图;(15°- 62°)用黑色高亮显示。(c)从过冷区柱状的过渡晶带获得的扫描电子显微照片显示 MnS 颗粒的均匀分布。(d) MnS 颗粒的 EDS 组成图。

  图3所示:从[110]γ区轴观察到MnS粒子与γ基体的取向关系:(a)衍射图,(b)亮场和暗场TEM显微图,(c-d) HAADF-STEM图像;γ和MnS粒子都是在 110 区轴上观察到的。(d)中的白色虚线沿原子列排列,线}MnS的平面间距。(d)中的插图是γ和MnS的快速傅里叶变换(FFT)图形,以及用于识别错配位错及其Burgers矢量的逆FFT图像。

  图 4所示: (a) 研究钢在 800°C 和 900°C 下变形的应力-应变曲线。(b) 断面收缩率 (RA)与温度的函数关系;插图是断裂试样的侧视图。(c-j) 低倍和高倍扫描电镜图像显;(c-f) TWIP 和(g-j)由 MnS孕育处理的TWIP 钢的断口。

  图5所示;研究了Fe-18Mn-0.6C-1.5Al TWIP钢的热延展性,并与(a)添加和不添加微量合金化元素的TWIP钢和(b)不同Mn含量的TWIP钢进行了比较。(c)晶粒尺寸对TWIP钢900℃热塑性的影响。返回搜狐,查看更多