锰镍比对Fe-Mn-Ni系TWIP合金铸铁组织和力学性能的影响

王明杰，朱定一

(1.福州大学 材料科学与工程学院，福建 福州 350116； 2.福建工程学院 材料科学与工程学院，福建 福州 350118)



锰镍比对Fe-Mn-Ni系TWIP合金铸铁组织和力学性能的影响

王明杰1,2，朱定一1

(1.福州大学 材料科学与工程学院，福建 福州 350116； 2.福建工程学院 材料科学与工程学院，福建 福州 350118)

摘要：通过制备4种不同锰镍比的TWIP合金铸铁，研究了锰镍比对Fe-Mn-Ni系TWIP合金铸铁组织和力学性能的影响。试验结果表明：随着锰镍比从3∶2、2∶1、3∶1和4∶1逐渐增加，铸铁铸态组织中的碳化物含量增加。在1 050 ℃保温10 h后进行水淬，就能使碳化物分解，获得单相奥氏体基体组织。经过热处理后，锰镍比为3∶2的TWIP合金铸铁力学性能最佳，其抗拉强度为885 MPa，伸长率为29.7%。

关键词：锰镍比； TWIP效应； 组织； 力学性能； 铸铁

铸铁以其价廉易用在工业领域里得到广泛应用，但是铸铁属于脆性材料，伸长率几乎为零，限制了铸铁材料在一些特殊领域里的应用[1]。随着科学技术的发展和科技水平的提高，在不断提高铸铁强度的同时，对铸铁的塑性也提出了很高的要求。研制出具有高强度高塑性的铸铁材料成为当今材料科学的重要研究目标[2]。

球墨铸铁因其石墨对基体组织切割作用小，故而具有较高的力学性能，但是目前普通的球墨铸铁的伸长率仍然比较低，只能达到QT600-5、QT700-2的水平[3-5]。上世纪70年代开发出具有高强度高塑性的(austempered ductile iron，ADI等温淬火)球墨铸铁。将优质球墨铸铁件进行等温淬火，以得到针状铁素体和富碳奥氏体混合组织，从而使ADI球墨铸铁具有较高的强度和塑性[6]。林淑梅[7]和黄芬芬[8]分别利用孪生诱发塑性(twinning induced plasticity,TWIP)效应，制备出了Fe-Ni-Mn-C-Si系TWIP合金铸铁和Fe-Mn-C-Si-Cu-Ni系TWIP合金铸铁，研发出具有QT700-20水平的球墨铸铁。

本文主要在Fe-Mn-Ni系TWIP合金铸铁(以下简称TWIP合金铸铁)基础上，通过调整不同的锰镍比，探索锰镍比对TWIP合金铸铁组织和力学性能的影响。

1　材料制备与试验方法

采用南非生铁(Fe质量分数为95.30%，C质量分数为4.52%，其余为杂质)为主料，使用电解镍、电解锰、75硅铁和20钢进行成分调整。制备出锰镍比为3∶2、2∶1、3∶1和4∶1的TWIP合金铸铁，其成分如表1。原铁液碳质量分数为4.3%。使用中频感应炉熔炼，熔化温度为1 520 ℃。使用稀土镁为球化剂进行球化处理，浇注前使用75硅铁进行孕育处理。将处理后的铁液浇注成“Y”形试块。铸锭的热处理工艺为：在1 050 ℃下保温10 h后水淬。

将热处理后的铸锭线切割加工成标准板形拉伸试样。在CMT6104型万能试验机进行拉伸试验，变形速率为10-3s-1。采用XJZ-6A立式金相显微镜进行金相组织分析。

表1　TWIP合金铸铁化学成分Tab.1　Chemical composition of TWIP alloy iron

2　试验结果与分析

2.1金相组织分析

不同锰镍比的TWIP合金铸铁铸态组织如图1。从图中可看出，尽管各铸铁试样锰镍比不同，但其铸态组织都是由奥氏体基体、碳化物和球状石墨组成。随着锰镍比由3∶2增加到4∶1，铸态组织中的碳化物含量不断增加。这些碳化物以厚片状碳化物为主，也存在部分块状碳化物。在锰含量相同的情况下，其碳化物的减少主要因为镍含量提高引起。因为镍和锰一样，可以扩大奥氏体相区，提高奥氏体的稳定性。同时，镍是一种非碳化物形成元素，有利于促进铸铁中碳化物的分解，减少碳化物数量[9]。

图1　不同锰镍比的TWIP合金铸铁铸态组织Fig.1　Casting microstructures of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni

碳化物的存在会提高铸铁的脆性，降低铸铁的塑性，对铸铁力学性能造成不良影响。通过适当的热处理可以消除碳化物对铸铁力学性能的不良影响。把试样在1 050 ℃下保温10 h后进行水淬，其金相组织如图2。铸态组织中的碳化物经过热处理已经完全分解。碳化物分解产生的碳原子部分固溶于奥氏体基体，对奥氏体基体产生固溶强化。还有一部分扩散到球状石墨表面，成为球状石墨的一部分[10]。热处理后的奥氏体基体中产生了一部分退火孪晶。此时，铸铁的组织为奥氏体和球状石墨。这也是铸铁基体组织在受力变形过程中稳定发生TWIP效应的基础[11]。

图2　不同锰镍比的TWIP合金铸铁热处理后的组织Fig.2　Microstructures of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni after heat treatment

2.2力学性能分析

表2是热处理后，不同锰镍比的TWIP合金铸铁试样在室温环境、变形速率为10-3s-1下进行单向拉伸的力学性能数据。由表2可以得出，锰镍比为3:2时，TWIP合金铸铁抗拉强度为885 MPa，伸长率为29.7%，具有最佳力学性能。随着锰镍比从3∶2增加到4∶1，TWIP合金铸铁抗拉强度从885 MPa降低到640 MPa，伸长率从29.7%减少为16.2%。即随着锰镍比的增加，TWIP合金铸铁力学性能降低。

表2不同锰镍比的TWIP合金铸铁力学性能

Tab.2Mechanical properties of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni

锰镍比抗拉强度σb/MPa伸长率δ/%3∶288529.72∶184827.23∶173321.84∶164016.2

图3　不同锰镍比的TWIP合金铸铁的工程应力-工程应变曲线Fig.3　Engineering strain-engineering stress curves of TWIP alloy iron with different ratios of Mn to Ni

图3是不同锰镍比TWIP合金铸铁的工程应力-工程应变曲线。从工程应力-工程应变曲线可以看出，TWIP合金铸铁都存在明显的屈服现象。而且当越过屈服阶段后，随着变形过程的进行，位错开始在晶界处聚集。当位错聚集到一定程度，就会产生机械孪晶。机械孪晶的产生改变了晶粒滑移面法线、滑移方向与拉伸力的位向关系，使得原先晶粒中处于硬位向的滑移体系转变成为软位向的滑移体系。与未发生孪晶的情况相比，显著增加了软位向滑移体系的数量，从而表现出良好的塑性，这就是TWIP效应。同时，由于镍能够扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织。奥氏体中可以溶解更多的碳原子，产生更好的固溶强化作用，提高奥氏体基体的强度。此外，机械孪晶晶界本身也相当于亚晶界，能够起到细晶强化的作用。在这几方面综合作用下，TWIP合金铸铁表现出良好的强度和塑性。图4是TWIP合金铸铁拉断后的金相组织图(在断口附近取样)。从图中可以看出，随着锰镍比增加，TWIP合金铸铁变形组织中的机械孪晶数量减少。

3　结论

1)Fe-Mn-Ni系TWIP合金铸铁的力学性能随着锰镍比的提高而降低，在锰镍比为3∶2时，力学性能最好。此时材料的抗拉强度为885 MPa，伸长率为29.7%。

2)随着锰镍比的提高，铸态组织中碳化物的含量逐渐增加。

3)通过热处理(1 050 ℃保温10 h后进行水淬)可以使TWIP合金铸铁铸态组织中的碳化物分解，得到单相奥氏体基体组织。

参考文献：

[1] 郝石坚.现代铸铁学[M].北京:冶金工业出版社，2004：353-364.

[2] 吴德海.球墨铸铁[M].北京:中国水利水电出版社，2006：50-68.

[3] 万仁芳.浅谈近年来铸铁件的发展[J].现代铸铁，2014，34(3)：15-24.

[4] 王亚萍,高峰，王顺序，等.高强度、高伸长率球铁件的研究与开发[C]//第六届湖北省铸造学术年会论文集.北京：中国铸造协会，2013：66-69.

[5] 张伯明.六十年来我国铸铁材料的发展[J].铸造，2012，61(1)：1-10.

[6] 张云，龚文邦，刘欢.ADI的研究应用前景探讨[J].铸造，2014，63(5)：439-443.

[7] 林淑梅，朱定一，杨泽斌，等.高强韧TWIP铸铁的形变组织与力学性能[J].铸造，2010，59(12)：1267-1270.

[8] 黄芬芬，朱定一，宋卫涛，等.Mn含量对高强韧TWIP 球墨铸铁组织和性能的影响[J].铸造，2011，60(9)：831-840.

[9] 陈希杰.高锰钢[M].北京: 机械工业出版社，1989：98-99.

[10] 陆文华.铸造合金及其熔炼[M].北京:机械工业出版社，2008：73-90.

[11] Grassel O，Kruger L，Frommeyer G，et al.High strength Fe-Mn-(Al，Si)TRIP/TWIP steels development-properties-application[J].International Journal of Plasticity，2000，16(10/11)：1391-1409.

(责任编辑： 陈雯)

Effects of Mn and Ni ratios on microstructures and mechanical properties of Fe-Mn-Ni TWIP alloy iron

Wang Mingjie1,2，Zhu Dingyi1

(1.College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;2.College of Materials Science and Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Abstract：The Fe-Mn-Ni twinning induced plasticity(TWIP) alloy iron samples of four different Mn and Ni ratios were produced.The effects of Mn and Ni ratios on the microstructures and mechanical properties of TWIP alloy iron were studied.Experimental results show that with the increase of Mn and Ni ratios from 3∶2 to 4∶1, the carbides in the iron increase.The samples were water-quenched after heating 10 hours at 1,050 ℃ to decompose the carbides completely to obtain single austenite structure.The TWIP alloy iron with Mn and Ni ratio of 3∶2 has the best mechanical properties after heat-treatment with a tensile strength of 885MPa and an elongation of 29.7%.

Key words：Mn to Ni ratio; twinning induced plasticity(TWIP) effect; microstructure; mechanical property; iron

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.008

收稿日期:2016-06-29

基金项目：福建省科技厅工业引导性重点项目(2011H0001)；福建工程学院科研发展基金(GY-Z10069)

第一作者简介：王明杰(1972- )，男，山西万荣人，副教授，硕士，研究方向：高性能金属材料。

中图分类号：TG143.5

文献标志码：A

文章编号：1672-4348(2016)04-0352-04