中錳鋼奧氏體逆轉(zhuǎn)變機(jī)制──切變？擴(kuò)散？
2020-10-29 來(lái)源： Goal Science
中錳鋼，作為第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼，因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能而受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。中錳鋼室溫下的組織一般為超細(xì)晶的鐵素體+殘余奧氏體，其中亞穩(wěn)的殘余奧氏體是其力學(xué)性能提升的關(guān)鍵。因此，對(duì)中錳鋼中奧氏體的全方位研究顯得尤為重要。然而，學(xué)術(shù)界對(duì)于中錳鋼中奧氏體逆轉(zhuǎn)變的機(jī)制卻關(guān)注甚少。一般來(lái)說(shuō)，馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變可分為切變型和重構(gòu)型兩種。重構(gòu)型相變一般依賴于原子的擴(kuò)散和重組。而切變型相變則主要通過(guò)原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，不需要原子的擴(kuò)散。母相中的位錯(cuò)會(huì)阻礙界面移動(dòng)，進(jìn)而影響切變型相變的進(jìn)行，此種現(xiàn)象被稱為“機(jī)械穩(wěn)定化”，是區(qū)分切變型和重構(gòu)型相變的關(guān)鍵指標(biāo)。
本工作中，研究人員對(duì)化學(xué)成分為0.28C-6.22Mn-1.57Si（wt.%）的中錳鋼進(jìn)行不同壓下量的冷軋?zhí)幚砗螅?℃/s、10℃/s、50℃/s的加熱速度升溫到不同溫度，進(jìn)而表征加熱過(guò)程中奧氏體體積分?jǐn)?shù)的演變。研究人員發(fā)現(xiàn)加熱過(guò)程中奧氏體相變分為兩個(gè)階段：（1）300-500℃，生成的奧氏體體積分?jǐn)?shù)不隨加熱速度發(fā)生變化，且冷軋壓下量越大，此階段生成的奧氏體量越少；（2）>500℃，加熱速度越快，生成的奧氏體量越少，說(shuō)明此階段相變時(shí)間影響奧氏體相變的進(jìn)程。通過(guò)進(jìn)一步的組織表征和熱力學(xué)計(jì)算分析，研究人員得出結(jié)論：第一階段為切變型奧氏體相變，第二階段為擴(kuò)散控制的重構(gòu)型奧氏體相變。此工作以“Reverse transformation frommartensite into austenite in a medium-Mn steel”為題于2019年發(fā)表在期刊Scripta Materialia，通訊作者為東北大學(xué)易紅亮教授，一作為東北大學(xué)博士研究生楊達(dá)朋。
中錳鋼在冷軋前進(jìn)行了軟化退火（620℃/10h），退火后的組織如圖1（a, b）所示，由板條狀鐵素體+奧氏體組成，且鐵素體和奧氏體之間發(fā)生了強(qiáng)烈的碳錳配分。冷軋后，奧氏體的體積分?jǐn)?shù)急劇下降，12%壓下量樣品（12CR）的奧氏體含量為4.1%，36%壓下量樣品（36CR）的奧氏體含量為0.9%，如圖1（c, d）所示。在隨后的加熱過(guò)程中，奧氏體將優(yōu)先從富碳富錳的新生馬氏體區(qū)域處形成。
圖1 軟化退火和冷軋過(guò)程中的組織演變。軟化退火后的（a）TEM表征和（b）奧氏體取向圖。（c）冷軋過(guò)程中奧氏體體積分?jǐn)?shù)的演變。（d）12%壓下量樣品的TEM表征。
不同加熱速率、不同階段奧氏體的體積分?jǐn)?shù)如圖2所示。10℃/s加熱條件下，12CR和36CR樣品均在300℃時(shí)開始生成奧氏體，且加熱過(guò)程中的奧氏體轉(zhuǎn)變可分為兩個(gè)階段：（1）300-500℃；（2）>500℃。第一階段，生成的奧氏體體積分?jǐn)?shù)恒定，不受加熱速率的影響，且冷軋壓下量與生成的奧氏體量成負(fù)相關(guān)，即切變型相變中所謂的“機(jī)械穩(wěn)定化”。第二階段，加熱速率，即整體的相變時(shí)間影響奧氏體生成量。因此，第一階段為切變型奧氏體相變，第二階段為重構(gòu)型奧氏體相變。
圖2 （a）10℃/s連續(xù)加熱過(guò)程中12CR和36CR樣品中奧氏體體積分?jǐn)?shù)的變化。（b）12CR和（c）36CR樣品在不同加熱速率下、不同階段奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。注：本工作采用XRD對(duì)殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行表征。
12CR樣品以10℃/s加熱到500℃，生成的奧氏體為板條狀，且與周圍的馬氏體保持K-S位相關(guān)系。由于奧氏體記憶效應(yīng)，在一個(gè)原奧晶粒內(nèi)生成的逆轉(zhuǎn)變奧氏體取向相同，如圖3（b）。第二階段（670℃）生成的奧氏體顆粒取向隨機(jī)（圖3（d, f）），且奧氏體的形貌呈球狀（globular shape），這些特征表明第二階段奧氏體相變?yōu)橹貥?gòu)型。
圖3 12CR樣品10℃/s加熱到（a, b）500℃和（c, d）670℃后的TEM表征（a, c）和奧氏體取向圖（b, d）。36CR樣品10℃/s加熱到670℃后的TEM表征（e）和奧氏體取向圖（f）。
考慮到馬氏體和奧氏體兩相的自由能變化以及冷軋馬氏體中位錯(cuò)強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化對(duì)界面運(yùn)動(dòng)的阻力，計(jì)算得到的12R樣品切變型奧氏體相變的開始溫度為307-321℃，和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的~300℃基本吻合，從側(cè)面證實(shí)了在低溫區(qū)間發(fā)生切變型奧氏體相變的可能性。
圖4 馬氏體和奧氏體的吉布斯自由能隨溫度的變化。T0：奧氏體和馬氏體自由能相等的溫度；As：奧氏體相變開始溫度。
本工作探究了冷軋中錳鋼在加熱過(guò)程中不同溫度區(qū)間下奧氏體相變機(jī)制的變化，并通過(guò)組織表征和熱力學(xué)理論進(jìn)行了證實(shí)，拓寬了我們對(duì)奧氏體逆轉(zhuǎn)變行為的理解，有望指導(dǎo)中錳鋼的工業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化中錳鋼的機(jī)械性能。
歡迎留言，材料科學(xué)的進(jìn)步，需要您的發(fā)聲！
原文鏈接：
微信公眾號(hào)：Goal Science
投稿郵箱：wechat@gs-metals.com
投稿微信：GSmaterial