王丽娜
, 毛卫民
WANG Lina, MAO Weimin
中图分类号: TG142.33
文献标识码: A
文章编号: 0412-1961(2016)09-1045-08
通讯作者:
收稿日期: 2016-02-26
网络出版日期: 2016-09-27
版权声明: 2016 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部
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作者简介: 王丽娜, 女, 1982年生, 博士生
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摘要
利用EBSD技术对不同应变速率下单向拉伸高锰TRIP钢中的马氏体相变进行了观察, 使用XRD数据计算了奥氏体(γ), hcp马氏体(ε-M)和bcc马氏体(α’-M)的体积分数, 并对γ→ε-M和ε-M→α’-M两阶段相变的变体选择进行了理论计算. 结果表明, 高速拉伸时TRIP行为仍然具有取向依赖性, 这是由不同取向γ晶粒内α’-M变体的机械功差异引起的. 应变速率的提高促进ε-M→α’-M转变, 但总的马氏体转变量降低, 即高速拉伸抑制了TRIP效应. TRIP钢静态拉伸时α’-M变体选择较强, 动态拉伸时变体选择减弱. 静态拉伸时, <111>γ和<100>γ晶粒内α’-M变体选择可用局部应力对变体做功来计算. 高速拉伸时, 需结合应力对α’-M变体做功大小及应变能、界面能来分析这些γ晶粒内的变体选择规律. 与1个α’-M变体单独出现相比, 一对具有特殊取向关系的变体同时出现, 可以降低变体的应变能, 使得不利变体能够出现.
关键词：
Abstract
Among the wide variety of recently developed steels, high manganese transformation-induced plasticity (TRIP) steels with low stacking fault energy (SFE) are particularly promising. Outstanding mechanical properties combining a high ductility and a high strength are then obtained. Compared to the static deformation of high manganese TRIP steels, the behaviors of martensitic transformation and mechanical properties of such steels during dynamic deformation may be different. In this work, martensitic transformation of high manganese TRIP steel at different strain rates was characterized by the EBSD technique. The volume fractions of austenite (γ), hcp martensite (ε-M) and bcc martensite (α’-M) were calculated based on the XRD data. Meanwhile, variant selections of martensitic transformation in γ→ε-M and ε-M→α’-M transformation were investigated by theoretical calculation. It is shown that orientation dependence of TRIP effect during tension exists even at high strain rates and can be ascribed to the influence of mechanical work in differently oriented γ grains. The transformation of ε-M→α’-M was promoted, but the total amount of transformed martensite decreased, which means that TRIP effect was restricted at high strain rates. The α’-M variant selection is more obvious during static tension and became weaker during dynamic tensile deformation. α’-M variant selection can be predicted by the calculated mechanical works induced by the local stress in <111>γ and <100>γ grains during static tension. However, during dynamic tension, the mechanism of variant selection needs to be explained by analyzing the mechanical works induced by the local stress, the strain energy and the interfacial energy in these grains comprehensively. Compared to the occurrence of a single α’-M variant, a pair of α’-M variants having specific orientation relationship reduces the strain energy, then unfavored α’-M variants appear.
Keywords：
高锰相变诱发塑性 (TRIP)钢在形变同时诱发马氏体相变从而获得更高的强度和塑性, 在汽车的防冲撞和车身轻量化方面可以最大程度地满足需求[1~4]. 随形变速率的提高, 位错钉扎及其交互作用会引起材料局部迅速的温升、层错能提高[5~7], 在TRIP钢[1]和不锈钢[8,9]中伴随延伸率的明显下降以及低碳淬火-分配-回火(Q-P-T)马氏体钢的延伸率稍微降低[10]. 高应变速率压缩条件下, 局部变形不均匀以及绝热温升会导致剪切带的出现[5,11]. 金属材料在高应变速率下拉伸变形, 由于位错运动受阻会导致局部温升、层错能提高以及马氏体相变被抑制的现象, 与此相对应的微观组织研究尚少见报道[12,13]. 对于TRIP钢, 一般认为形变诱发马氏体相变的转变顺序为奥氏体(γ)→hcp马氏体(ε-M)→bcc马氏体(α’-M), 其中γ与ε-M具有S-N (Shoji-Nishiyama)取向关系[14,15], γ与α’-M之间通常满足K-S (Kurdjumov-Sachs)取向关系[16]. K-S关系决定的24种α’-M变体在相变时部分出现[16,17], 丰富的变体是材料组织-性能调控的重要来源, 变体选择影响TRIP效应、马氏体取向分布以及马氏体变体间的取向关系, 进而对材料的性能有重要影响, 为此众多学者开展了大量有关变体选择的研究. 其中比较有代表性的研究, 主要包括利用取向因子、应力与马氏体形状应变间的相互作用能、应力和相变应变引起的机械功来解释变体选择行为. Miyamoto等[18]认为, α’-M的变体选择与滑移系开动有关, 优先出现的α’-M变体其惯习面平行于首先被激发的滑移面, 但利用取向因子很难解释同一惯习面上6个α’-M变体的选择行为. Martin等[19]和Jonas等[20]对镁合金的研究表明, 取向因子决定了主孪晶的变体选择, 但对次孪晶的变体选择不具有决定作用; Jonas等[20]认为取向因子较小的变体出现是由于所需周围晶粒的协调应变小. Hamidreza等[21]通过计算α’-M形成时应力与应变的作用能来分析变体选择特征, 该模型适合{259}惯习面材料, 对于存在ε-M的情况并不适用. Humbert等[22]利用应力和相变应变引起的机械功分析了304不锈钢形变时γ→ε-M和ε-M→α’-M两阶段的变体选择, 与第一阶段相变相比, ε-M→α’-M阶段的变体选择计算结果与实验结果符和稍差, 这与第二阶段各种应力的叠加作用有关. 由于γ晶粒取向对马氏体相变有显著的影响[23], 本工作利用电子背散射衍射(EBSD)技术观察高应变速率单向拉伸时不同取向γ晶粒内马氏体变体选择行为和相变的难易, 并结合X射线衍射(XRD)数据对马氏体转变量和TRIP的抑制程度进行分析.
本实验材料为高锰TRIP钢, 利用真空感应加热炉进行冶炼, 具体成分(质量分数, %)为: C 0.036, Mn 19.4, Si 3.41, Al 2.28, Fe余量. 铸锭加热至1050 ℃保温1 h, 始锻温度为1050 ℃, 终锻温度为700~800 ℃, 锻后空冷. 将锻造后的样品放入有N2气氛的高温箱式加热炉, 在1050 ℃保温2 h后水淬. 利用CMT4105电子万能实验机和Hopkinson拉杆对样品进行室温单向拉伸, 应变速率分别为1×10-3和2×103 s-1, 形变量40%. 沿垂直于拉伸轴的平面截取试样, 利用TTRⅢ型多功能X射线衍射仪(XRD)进行物相测试. 使用5%的高氯酸酒精溶液(体积分数)电解抛光、4%硝酸酒精(体积分数)侵蚀后, 利用ULTRA55型扫描电子显微镜(SEM)对试样微区的显微组织和取向特征进行观察.
利用XRD数据计算γ, ε-M和α’-M相的晶格常数, 分别为aγ=0.36005 nm; aε=0.25282 nm, cε=0.41198 nm; aα’=0.28715 nm. TRIP钢中任一相(i=γ, ε-M和α’-M)的体积分数Vi利用式(1)和(2)进行计算[24,25]:
式中,
由于成分的影响, 高锰钢初始组织中可能有热致的ε-M和α’-M, 后续形变会发生形变诱发的2类马氏体转变. 图1和2分别为高锰TRIP钢形变前的SEM像和XRD谱. 可以看出变形前的组织主要为γ, 同时有平直条状的热致ε-M.
图3 不同应变速率拉伸40%的高锰TRIP钢的XRD谱
Fig.3 XRD spectra of 40% tensioned high manganese TRIP steel with different strain rates
图4 不同应变速率拉伸40%的高锰TRIP钢中γ, ε-M和α’-M相的体积分数
Fig.4 Volume fractions of γ, ε-M and α’-M phases in 40% tensioned high manganese TRIP steel with different strain rates
图3和4分别为以不同应变速率拉伸40%的高锰TRIP钢的XRD谱和3种物相(γ, ε-M和α’-M)体积含量计算结果. 可以看出, 固溶样品中主要由γ和11.17%热致ε-M组成, 几乎无α’-M. 从图4看出, 静态拉伸后γ的体积分数为31.96%, 而应变速率2×103 s-1拉伸后γ的体积分数为59.72%, 即高速变形有较多的残余γ, 马氏体总转变量较少. 前期研究[11,23]表明, 材料形变时发生γ→ε-M和ε-M→α’-M两阶段相变. 定义Mt为马氏体的总体积转变量, Vε→α’为α’-M占马氏体总量的体积分数, Vε→α’反映出ε-M→α’-M阶段相变的难易程度. 利用图4中数据进一步进行计算, 静态拉伸和高速拉伸样品对应的Vε→α’分别为33.19%和55.31%, 即高速变形时ε-M向α’-M的转变率更高. 以上说明, 高速拉伸时γ→ε-M转变被显著抑制, 但是ε-M→α’-M转变被促进. 有研究[12,13]表明, γ层错能提高是马氏体转变被抑制的原因, 层错能低时(≤20 mJ/m2)促进γ→ε-M的转变, 随着层错能提高, 更容易出现孪生和滑移[26~28]. 相比静态拉伸, 高应变率变形时材料更易出现温升 [5~7], 因此本实验TRIP钢中ε-M转变被抑制可认为与高应变率下局部温升导致的层错能提高有关, 而ε-M→α’-M过程被促进应与高速变形时较高的应力和该阶段更复杂的应力状态有关.
在(111), (111), (111)和(111)面产生的4个ε-M变体记为ε1~ε4, 根据γ和α’-M变体的K-S取向关系, 把24个α’-M变体分成4组, 每组的α’-M在1个ε-M内产生、具有同一惯习面, 记为P1 (V1~V6), P2 (V7~V12), P3 (V13~V18), P4 (V19~V24)[17,18].
参考局部应力对各变体做功的模型[22,29], 对单向拉伸条件下不同取向γ晶粒的变体选择行为进行分析. 该模型认为变体选择存在于γ→ε-M和ε-M→α’-M两个阶段, 变体在应力对其做功达到某一临界值时才有机会出现. 因此可通过计算两阶段相变时应力和应变引起的机械功预测变体选择情况, 即应力对其做功较大的变体优先出现. 计算时选择局部应力σ33=200 MPa[22], ε-M和α’-M晶格常数如前所述. 对γ→ε-M阶段的计算表明, <111>γ晶粒有3个ε-M变体做功相同且最大, <100>γ晶粒有4个ε-M变体做功相同且为正, <110>γ晶粒有2个ε-M变体(ε1和ε4)做功为正. 由于TRIP钢形变前有一定量热致ε-M产生, 讨论时不考虑试样的ε-M变体选择.
图5 40%拉伸高锰TRIP钢<111>γ晶粒的取向成像分析
Fig.5 Orientation maps (a, b) and pole figures of γ, ε-M and α’-M (c, d) of <111>γ in 40% tensioned high manganese TRIP steel at strain rates of 1×10-3 s-1 (a, c) and 2×103 s-1 (b, d) (γ—gray color, ε-M—red color, α’-M—Euler angles color, TD—tensile direction)
图5a和c为应变速率1×10-3 s-1拉伸试样中<111>γ晶粒的取向成像分析, 此晶粒内有3个ε-M变体(ε2~ε4)出现, ε4数量少. α’-M变体总数为4, ε2和ε3内的2个α’-M变体(V7/V12和V14/V15)均保持<110>50°取向关系. 图5b和d为应变速率2×103 s-1拉伸试样中<111>γ晶粒的取向成像分析, 该晶粒内有2个ε-M变体(ε2和ε3), 其中ε3数量较多. 晶粒内α’-M变体总数为7, 1个ε-M变体内α’-M变体数为3~4, 除满足<110>50°取向关系的V7/V12和V14/V15, 还有V11, V13和V16出现. 其中V11, V13, V16分别同V12, V14, V15满足<111>60°取向关系. 对比图5可知, 随应变速率增加, α’-M变体数变多、变体选择减弱, 这是由于静态拉伸时应力较低, 只有少数做功较大的变体能达到临界值; 高速变形具有更高的应力, 使得做功相对较小的变体也有机会出现. 为讨论应变速率的提高是否引起变体选择规律改变, 本工作利用变体做功模型对不同取向γ晶粒单向拉伸时24个α’-M变体做功进行了计算. 图6为<111>γ晶粒内24个α’-M变体对应的机械功计算值. 可以看出ε2 (ε3)内均有4个α’-M变体做
功为正, 分别为V7, V12, V14和V15. 静态拉伸时(图5a和c)做功最大且满足<110>50°取向关系的2个变体V7和V12 (V14和V15)优先出现, 变体选择显著. 高速拉伸时(图5b和d)做功最大的2个变体同样优先出现, 另外2个做功为正的变体V9和V10 (V17和V18)未出现, 做功为负的α’-M变体V11 (V13和V16)产生. 值得注意的是, V11, V13, V16分别与做功最大的变体V12, V14, V15满足<111>60°取向关系. V11, V13, V16做功为负, 却能够与满足特殊取向关系的其它变体成对出现, 这与相变时产生的应变能以及界面能有关.
图6 <111>γ晶粒24个α’-M变体对应的机械功计算值
Fig.6 Calculated mechanical works of 24 α’-M variants in a <111>γ grain
图7 1个(0002)ε-M面内6个α’-M变体形成示意图
Fig.7 Schematic of 6 α’-M variants formed from one (0002)ε-M plane
图7为1个ε-M内产生α’-M的示意图. 箭头为满足<111>60°取向关系的2个α’-M对应切变方向, 其余4个变体根据六方对称性, 由这2个α’-M切变方向旋转120°和240°可得. 在该坐标系x1x2x3 (x3=[0001])下计算6个α’-M变体产生时的形状应变(D). 再根据式(3)和(4)[29]对满足特定取向关系的一对α’-M变体产生的形状应变和应变能进行计算:
式(3)中, Di和Dj分别为i和j 2个变体单独出现的形状应变(i, j=1~6); Dij为i和j 2个变体成对出现的形状应变. 式(4)中, P为应变能; δk (k=1~3)为主应变;
1个ε-M内的α’-M变体对之间可能满足<111>60°, <110>60°, <110>50°和<110>10°取向关系. 对满足这4种取向关系变体对的应变能计算结果表明, 具有<111>60°取向关系的变体成对出现, 具有较小的应变能(
利用EBSD分别测定了不同应变速率拉伸(1×10-3和2×103 s-1)样品中5个<111>γ晶粒内(总面积约290 μm×1900 μm) γ, ε-M和α’-M的相含量, 分别为21.9%, 22.5%和50.8%; 59.6%, 1.69%和37.3%. 高速拉伸时残余γ较多, 马氏体转变量较少, 同时ε-M向α’-M的转变率更高. 这与前文XRD的计算结果一致, 即高速拉伸时TRIP效应被抑制, ε-M→α’-M转变被促进.
图8 40%拉伸高锰TRIP钢<100>γ晶粒的取向成像分析
Fig.8 Orientation map (a) and pole figures of γ, ε-M and α’-M (b) of <100>γ in 40% tensioned high manganese TRIP steel at strain rate of 2×103 s-1 (γ—gray color, ε-M—red color, α’-M—Euler angles color)
图9 <100>γ晶粒中24个α’-M变体对应的机械功计算值
Fig.9 Calculated mechanical works of 24 α’-M variants in a <100>γ grain
图8和9分别为2×103 s-1拉伸样品中<100>γ晶粒的取向成像图和<100>γ晶粒24个α’-M变体对应的机械功计算值. 图8中ε2, ε3和ε4内的α’-M变体数分别为2, 4和4, 其中V10, V16, V17, V21和V24具有最大的机械功; 做功同样最大的V11未出现, 这与该选区内ε2板条数量少并且很窄有关(图8a中箭头所示). 动态拉伸时该<100>γ晶粒内做功为负的变体V9 (V15, V18)与V10 (V16, V17)成对出现, 同样是由于二者之间满足<111>60°取向关系, 具有较低的应变能和界面能.
变体选择较强时(例如1×10-3 s-1拉伸), 利用变体做功模型可以较好地预测α’-M变体选择行为, <111>γ和<100>γ晶粒中满足<110>50°取向关系的1对α’-M变体做功最大、优先出现. 变体选择较弱时(例如应变速率、形变量均较大的高速拉伸)变体做功模型无法解释α’-M变体选择, 需结合应变能和界面能的大小进行分析. 此时做功最大的变体(VA)仍然优先出现, 其它出现的变体则主要受应变能、界面能大小的影响. 若一个变体VB与VA满足<111>60°取向关系, 二者成对出现具有最小应变能和界面能, 因此VB即便做功为负也可出现.
Yang等[23]和Kireeva等[30]在奥氏体不锈钢和TRIP钢静态拉伸时都发现, γ晶粒取向对马氏体相变有显著的影响, 即马氏体相变存在明显的取向依赖性; 其中<100>γ晶粒很难发生马氏体相变, <110>γ晶粒在较大形变量时发生相变, <111>γ晶粒容易相变. 本工作利用EBSD对高速拉伸(2×103 s-1)样品中131个γ晶粒内的马氏体转变量进行统计, 其中有马氏体转变但转变量<25%的62个γ晶粒取向随机分布, 此处未列出. 图10a和b分别为无马氏体转变、马氏体转变量>25%的γ晶粒取向. 在统计范围内未发生马氏体相变的晶粒均具有非<111>γ取向; 容易发生马氏体相变的γ晶粒(马氏体转变量>25%的γ晶粒)都具有<111>和<112>取向, 这说明高速变形样品仍然具有与静态拉伸类似的取向依赖性.
图10 40%拉伸高锰TRIP钢中马氏体相变的取向依赖性
Fig.10 Orientations of γ grains without martensitic transformation (a) and with martensitic transformation of more than 25% volume fraction (b) in 40% tensioned high manganese TRIP steel at strain rate of 2×103 s-1
图11 <110>γ晶粒中24个α’-M变体对应的机械功计算值
Fig.11 Calculated mechanical works of 24 α’-M variants in a <110>γ grain
与<111>γ晶粒(图6)相比, <100>γ晶粒(图9)变体做功数值较小, 因此α’-M转变相对困难. 图11为<110>γ晶粒内24个α’-M变体对应的机械功计算值. γ→ε-M阶段的计算表明<110>γ晶粒中只有ε1和ε4这2个ε-M变体出现, 图11中ε1和ε4内V4, V5, V21和V24做功最大, 但数值仅为2, 很难发生ε-M→α’-M转变. 有实验研究[25]也表明, <110>γ晶粒拉伸时ε-M内几乎没有α’-M出现, 但是会通过孪生-逆相变获得一个新取向的γ晶粒. 3个不同取向γ晶粒, ε-M→α’-M转变阶段外力做功计算值最大为7.6, 最小仅为2.1, 即ε-M→α’-M转变的难易程度存在明显的取向依赖性. 其中<111>γ晶粒变体做功最大、相变最容易发生, 其次为<100>γ, <110>γ晶粒变体做功最小, ε-M→α’-M相变很难发生.
(1) 高速拉伸时(2×103 s-1)马氏体转变仍然具有取向依赖性, 容易发生马氏体相变的γ晶粒取向集中在<111>和<112>附近. 相同的局部应力作用下, 应力对<111>γ晶粒内α’-M变体做功计算值最大、相变更容易, 对<100>γ和<110>γ晶粒内各变体做功较小、相变困难.
(2) 应变速率提高使得<111>γ晶粒内α’-M变体数增加, 即变体选择减弱. 静态拉伸时<111>γ晶粒内的α’-M变体选择符合局部应力对变体做功模型的计算结果, 优先出现的变体对具有最大的机械功、满足<110>50°取向差关系.
(3) 高速拉伸时γ晶粒内的α’-M变体选择无法单纯利用变体做功模型进行预测, 需要结合α’-M变体对应的应变能、界面能大小来分析, 但做功的大小起主要作用. <111>γ和<100>γ晶粒内满足<110>50°取向差关系的1对α’-M变体做功最大, 优先出现; 而与做功最大的变体满足<111>60°取向关系的α’-M变体同时出现, 是由于Σ3具有更小的应变能和界面能.
(4) 高速拉伸变形, 马氏体的总转变量显著减少, 即TRIP效应被抑制. 同时高应变率下ε-M→α’-M转变被促进, 这可能与该阶段相变时较高的应力和更复杂的应力状态有关.
The authors have declared that no competing interests exist.
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