新型高強(qiáng)韌TWIP鋼概述

1、新型高強(qiáng)韌TWIP鋼概述一 背景隨著人們生活水平的日益提高，有車(chē)一族在城市中的比重越來(lái)越大，現(xiàn)代汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)是輕量化，節(jié)能和安全等，為適應(yīng)這一發(fā)展需要，在汽車(chē)制造中有必要采用高強(qiáng)度的鋼板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)重量每減輕1%，燃料消耗可降低0.6%1.0%1，而能耗高會(huì)導(dǎo)致尾氣排放量增加，因此，汽車(chē)減重對(duì)節(jié)能和環(huán)保意義重大。汽車(chē)減重的一個(gè)重要手段是采用高強(qiáng)度鋼?；谶@種情況汽車(chē)工業(yè)迫切需要人們對(duì)高強(qiáng)度鋼的研究和開(kāi)發(fā)。近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的含15-25%Mn、2-4%Si和2-4%Al的高M(jìn)n鋼顯示出極高的延伸率（60-95%）和中等的強(qiáng)（600-1100MPa），其抗拉強(qiáng)度和延伸率的乘積在50000 MPa%

2、以上，其優(yōu)良的力學(xué)性能來(lái)自于形變過(guò)程中的孿生誘發(fā)塑性效應(yīng)，即TWIP效應(yīng)。TWIP鋼是現(xiàn)在研究較廣泛的超高強(qiáng)度鋼，它不僅具有高強(qiáng)度，高的應(yīng)變硬化率，還有非常優(yōu)良的塑性，韌性和成形性能。從現(xiàn)代汽車(chē)用鋼對(duì)高強(qiáng)度和高塑性的要求來(lái)看，TWIP鋼是最佳選擇。經(jīng)過(guò)成分篩選，發(fā)現(xiàn)Fe-25Mn-3Si-3Al合金具有最佳的TWIP效應(yīng)，其研發(fā)和實(shí)用化對(duì)汽車(chē)用鋼板產(chǎn)業(yè)和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的調(diào)整升級(jí)起著重要作用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)潛力。國(guó)外知名鋼企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在TWIP鋼的成分設(shè)計(jì)、處理工藝、微觀機(jī)理等方面開(kāi)展了廣泛研究，目前，典型成分除Fe-Mn-Si-Al系外，還有Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼。

3、國(guó)內(nèi)的上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)等高校研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合上海寶鋼、鞍山鞍鋼等大型鋼鐵企業(yè)在此領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究2。二 概念和力學(xué)性能TWIP鋼是twinning induced plasticity steel的簡(jiǎn)稱(chēng)，全稱(chēng)：孿生誘發(fā)塑性鋼。孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）鋼是第二代高強(qiáng)度用鋼的一種，因其形變過(guò)程中能產(chǎn)生大量形變孿晶、推遲縮頸的形成，具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性及高應(yīng)變硬化性、高能量吸收能力（時(shí)吸收能達(dá)到0.5J/ram3）2而得名，是一種理想的汽車(chē)用抗沖擊結(jié)構(gòu)材料。Grassal等9在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)了該鋼，并提出孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）的概念。材料的力

4、學(xué)性能決定于其基體組織，TWIP鋼為單一的奧氏體(面心立方)組織，因而具有較低的屈服強(qiáng)度(約280 MPa)，中等的抗拉強(qiáng)度(約600 MPa)5。面心立方結(jié)構(gòu)的TWIP鋼密排面密排程度高，滑移系，滑移方向多，因而塑性好，特別是當(dāng)TWIP鋼拉伸時(shí)，由于高應(yīng)變區(qū)會(huì)應(yīng)變誘發(fā)孿晶轉(zhuǎn)變，由此顯著延遲鋼的縮頸，從而極大地提高了鋼的塑性，因此具有極高的延伸率(大于80 %)6。除此之外，另一個(gè)令人矚目的力學(xué)性能是具有高的能量吸收能力和沒(méi)有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。如20時(shí)約為0.5J/mm3 2，為傳統(tǒng)深沖鋼的兩倍以上；在196 200形變溫度區(qū)間內(nèi)沒(méi)有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。該鋼在無(wú)外載荷的條件下，室溫組織是穩(wěn)定的奧

5、氏體，基體中存在大量的退火孿晶，一旦施加一定的外部載荷后，因?yàn)閼?yīng)變誘發(fā)產(chǎn)生形變孿晶，發(fā)生大的無(wú)頸縮延伸，表現(xiàn)出優(yōu)良的機(jī)械性能，如高的應(yīng)變硬化率、高的塑性值和高的強(qiáng)度2。與TRIP鋼相比較，應(yīng)變誘發(fā)的馬氏體組織更有利于提高鋼的抗拉強(qiáng)度，而應(yīng)變誘發(fā)的孿晶則更有利于提高塑性，故TWIP鋼的塑性遠(yuǎn)大于TRIP鋼，而抗拉強(qiáng)度低于TRIP鋼TWIP鋼的特點(diǎn)有：（1）：具有良好的抗拉強(qiáng)度（600MPa）（2）：具有優(yōu)良的延伸率（70%）（3）：具有高的能量吸收能力（傳統(tǒng)深沖鋼的2倍以上)（4）：具有沒(méi)有低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度 (196200）（5）：具有高的能量吸收率（時(shí)吸收能達(dá)到0.5J/ram3）三 TWIP

6、鋼的產(chǎn)生機(jī)理TWIP 鋼是變形時(shí)孿晶誘導(dǎo)塑性( Twinning induced plasticity)或通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 TWIP(Twining Induced Plasticity)鋼經(jīng)軋制并退火、水淬處理后基體組織為奧氏體，并伴有大量退火孿晶。孿生作為塑性變形的另一種機(jī)制，在 發(fā)生孿生的過(guò)程 中孿晶出現(xiàn)的頻率和尺寸取決于晶 體結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能的大小。當(dāng)晶體在切應(yīng)力的作用下 發(fā)生了孿生變形時(shí)，晶體的一部分沿一定的孿生面和孿生方向相對(duì)于另一部分晶體作均勻的切變，晶體的點(diǎn)陣類(lèi) 型不 發(fā)生變化，但它使均勻切變區(qū)中的晶體取 向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體成鏡面對(duì)稱(chēng) 的取 向。變形

7、部分的晶體位向發(fā)生改變，可是原來(lái)處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠颍梢赃M(jìn)一步激發(fā)滑移。孿生與滑移交替進(jìn)行，使TWIP鋼 的塑性 非 常優(yōu) 異。在軋制過(guò)程中，隨著形變?cè)黾?，孿 晶會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在4個(gè)1 1 1孿生面都會(huì)出現(xiàn)堆垛層錯(cuò)和孿晶，這樣排列的孿晶因?qū)\晶間的相互制約，在應(yīng)變量增加時(shí)孿晶不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，沿軋制面排列。 TWIP鋼優(yōu)異的力學(xué)性能來(lái)自孿生誘導(dǎo)塑性這種孿生在形變中的作用與傳統(tǒng)的概念完全不同。TWIP鋼成分設(shè)計(jì)要求是，其在形變過(guò)程中誘發(fā)孿晶，抑制馬氏體相變，從而產(chǎn)生TWIP效應(yīng)。四 TWIP鋼的發(fā)展歷程和分類(lèi)孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼是鋼材在強(qiáng)度和延展性綜合性能上的一次突破,它不僅

8、具有很高的強(qiáng)度和成型性，還具有很好的吸收沖擊能量能力，是新一代延性高強(qiáng)鋼的一個(gè)發(fā)展方向。TWIP鋼是最近幾年國(guó)外正在進(jìn)行研究的高強(qiáng)度，高塑性鋼。該鋼在使用時(shí)無(wú)外載荷，冷卻到室溫下的組織是穩(wěn)定的殘余奧氏體，但是如果施加一定的外部載荷，由于應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)械孿晶，會(huì)產(chǎn)生大的無(wú)頸縮延伸，顯示出非常優(yōu)異的力學(xué)性能。由于加入了大量的Al，鋼的密度也會(huì)有所下降。目前國(guó)外的研究已經(jīng)從第一代的Fe-25Mn-3Al-3Si-0.03C系列到第二代的Fe-23Mn-0.6C系一直到目前的Fe-26Mn-11Al-1.1C和Fe-6Al-0.05Ti-0.05Nb-0.02B系3。德國(guó)馬普鋼鐵研究所G.Fromme

9、yer11課題組研制和開(kāi)發(fā)了Fe-Mn-Si-Al系高錳奧氏體TRIP/TWIP鋼，并申請(qǐng)專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：1997DE19727759，EP9810981)并注冊(cè)商標(biāo)“HSD”。國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的研究起步較晚，但勿庸置疑，TWIP鋼具有極高的強(qiáng)塑積，優(yōu)勢(shì)十分明顯。TWIP鋼的開(kāi)發(fā)在我國(guó)具有極大的潛力，蘊(yùn)涵著巨大的商機(jī)和市場(chǎng)1）、第一代TWIP鋼（典型成分：Fe-25Mn-3Al-3Si），鍛造成棒材，經(jīng)高溫退火后水冷，然而較高含量的Al影響鋼水的澆鑄，較高含量的Si影響冷軋板的鍍鋅質(zhì)量。該類(lèi)鋼的優(yōu)點(diǎn)：具有中等的抗拉強(qiáng)度（650MPa）和更高的塑性（90%）；缺點(diǎn)：鍍鋅表面焊接問(wèn)題，鋅會(huì)沿著接頭處的

10、晶界滲入，使接頭不穩(wěn)定。2）、第二代TWIP鋼（典型成分：Fe-23Mn-0.6C），鑄造成板坯，經(jīng)熱軋、冷軋、高溫退火后快速冷卻，它去除了合金元素鋁和硅，卻出現(xiàn)了以前奧氏體和高強(qiáng)度鋼存在的延遲斷裂、一定程度的缺口敏感性?xún)纱髥?wèn)題。此類(lèi)鋼的優(yōu)點(diǎn)：很高的抗拉強(qiáng)度（1000MPa）和良好的塑性（50%）；缺點(diǎn)是延遲開(kāi)裂、缺口敏感性。第一、二代TWIP鋼的共同缺點(diǎn)是生產(chǎn)加工過(guò)程中吸氫比較嚴(yán)重，有時(shí)會(huì)造成延遲斷裂。一般吸氫可以通過(guò)退火來(lái)消除，但是由于鍍鋅過(guò)程帶來(lái)的吸氫退火能破壞鍍層，所以不能通過(guò)退火來(lái)消除。因此開(kāi)始了新的TWIP鋼的研發(fā)。3）、第三代TWIP鋼正在研發(fā)中，主要集中在高M(jìn)n鋼中通過(guò)置換固溶

11、原子（Mn、Al、Si）成分調(diào)整來(lái)獲得TWIP效應(yīng)。國(guó)內(nèi)對(duì)于高錳TWIP鋼的研究比較晚，世界上研究先進(jìn)的國(guó)家有德國(guó)、韓國(guó)。五、成分對(duì)合金元素的影響1、 合金元素的作用TWIP鋼中合金元素有兩個(gè)作用，第一是對(duì)奧氏體穩(wěn)定性的影響；第二是對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響。TWIP鋼經(jīng)典成分(Fe-25Mn-3Si-3Al)中的主要合金元素為錳、鋁、硅。錳是TWIP鋼最重要的組成元素之一，具有很強(qiáng)的促進(jìn)奧氏體化的作用，使TWIP鋼在低溫下依然可以得到穩(wěn)定的奧氏體相，同時(shí)又是增加合金層錯(cuò)能的最有效元素，強(qiáng)烈促進(jìn)TWIP效應(yīng)，抑制TRIP效應(yīng)?？傮w上，隨Mn含量的增加，TWIP鋼表現(xiàn)出塑性提高、強(qiáng)度下降的趨勢(shì)。鋁元素

12、亦可增加合金的層錯(cuò)能，抑制奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，但由于鋁易氧化，在鋼板澆鑄時(shí)容易生成氧化物殘?jiān)伦茶T口，故高鋁成分不利于TWIP鋼的工業(yè)化生產(chǎn)4。硅元素可以降低馬氏體相變臨界溫度s，對(duì)室溫下得到穩(wěn)定的奧氏體組織有貢獻(xiàn)，并且硅固溶于奧氏體，有利于TWIP鋼強(qiáng)度的提高（每添加的硅，拉伸強(qiáng)度提高50Mpa左右5），但是硅會(huì)降低合金層錯(cuò)能，導(dǎo)致層錯(cuò)數(shù)量增加，抑制TWIP效應(yīng)。同時(shí)，過(guò)高的硅含量會(huì)影響鋼板表面質(zhì)量，降低鋼板的熱軋性能4。低硅低鋁的成分設(shè)計(jì)是TWIP鋼發(fā)展的思路之一。黃寶旭等3設(shè)計(jì)了含鈮的Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼，其低溫力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)成分的TWIP鋼。鈮對(duì)TWIP鋼的影響

13、主要體現(xiàn)在它可以增加合金層錯(cuò)能，抑制馬氏體相變，促進(jìn)孿晶轉(zhuǎn)變，同時(shí)起到抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒的作用。氮固溶于奧氏體中能增加TWIP鋼的強(qiáng)度，但對(duì)合金層錯(cuò)能的影響較為復(fù)雜。在Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼中，層錯(cuò)能隨氮含量的增加先提高后降低，而Fe-Mn-C系TWIP鋼層錯(cuò)能與氮含量的關(guān)系則恰好相反8，具體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)含量還需要大量實(shí)驗(yàn)來(lái)確定?？傊?，在一定范圍內(nèi)，氮能起到既不危害TWIP鋼的塑性，又提高其強(qiáng)度的作用。碳元素通過(guò)固溶強(qiáng)化可以提高TWIP鋼的強(qiáng)度和硬度，阻礙形變過(guò)程中馬氏體的相變，是有效的奧氏體穩(wěn)定元素。特別是在Fe-Mn-C系TWIP鋼中，碳的加入對(duì)形變前后得到單一奧氏體組織

14、有明顯的作用。但是碳含量的提高會(huì)使TWIP鋼的塑性和韌性有所降低。除Co、Al等兩三種合金元素外，其它合金元素都能使奧氏體穩(wěn)定性不同程度的增加。改變合金元素的種類(lèi)和數(shù)量，奧氏體的層錯(cuò)能也隨之變化。定性的說(shuō)，Ni、C、Cu、Nb等使奧氏體的層錯(cuò)能增加；Cr、Si有使奧氏體層錯(cuò)能顯著降低的傾向。馬氏體相變與奧氏體基體的層錯(cuò)能有關(guān)，非常低的層錯(cuò)能有利于馬氏體相變，而較高的層錯(cuò)能則抑制這種相變。加入Al，增加層錯(cuò)能，強(qiáng)烈抑制馬氏體相變，起到穩(wěn)定奧氏體的作用11；與之相反，Si的加入降低層錯(cuò)能，因而在冷卻和形變過(guò)程中有利于-馬氏體相變12。Mn是奧氏體穩(wěn)定化元素，它的加入使Ms點(diǎn)降低。Mn既能以固溶狀態(tài)

15、存在，也可以進(jìn)入滲碳體中取代一部分Fe原子，還能形成硫化物。Mn對(duì)TWIP鋼的層錯(cuò)能有重要影響，使其在形變過(guò)程中產(chǎn)生密集的孿晶，顯著的提高TWIP鋼的延伸率，但Mn含量過(guò)高易形成帶狀組織8，且焊接性能大幅下降，不利于TWIP鋼綜合性能的改善。Si是鐵素體形成元素，在亞臨界加熱時(shí)，傾向于向鐵素體中擴(kuò)散，有利于鐵素體的延展性能，對(duì)鐵素體母相起置換固溶強(qiáng)化作用，Si在碳化物中不易溶解，可以抑制碳化物的析出。Si含量過(guò)高，會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)鑄造困難、焊接困難、熱鍍鋅困難、表面質(zhì)量差等缺陷4。C是奧氏體穩(wěn)定化元素，起間隙固溶強(qiáng)化作用，奧氏體中含碳量升高，奧氏體穩(wěn)定性升高，Ms點(diǎn)下降，但TWIP鋼作為成形用鋼，

16、其含C量不能太高，一是影響成形性，二是影響焊接性能。2、不同成分系列TWIP鋼組織性能特點(diǎn)1）Fe-xMn-3Si-3Al系Grassal課題組10以及黎倩等4對(duì)Fe-xMn-3Si-3Al系TWIP鋼的力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行了較深入的研究。隨Mn含量的增加，F(xiàn)e-xMn-3Si-3Al系TWIP鋼表現(xiàn)出塑性提高、強(qiáng)度下降的趨勢(shì)。這主要與它們的顯微組織和形變機(jī)理密切相關(guān)。當(dāng)Mn含量較低（x=15%和20%）時(shí)，由于低錳合金的層錯(cuò)能較低，形變中容易發(fā)生TRIP效應(yīng)（fcchcp，fcchcpbcc）形成馬氏體，馬氏體作為硬化相，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度有重要貢獻(xiàn)，但會(huì)降低部分塑性，故合金表現(xiàn)為強(qiáng)度較大、塑

17、性相對(duì)較差。隨著Mn含量的增加（x=25%和30%），奧氏體的穩(wěn)定性增加，形變前后皆為單一奧氏體組織，屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度有所下降，主要的塑性變形機(jī)制由TRIP效應(yīng)過(guò)渡到TWIP效應(yīng)，孿晶誘發(fā)的TWIP效應(yīng)使合金塑性明顯提高。值得注意的是，F(xiàn)e-30Mn-3Si-3Al鋼在強(qiáng)度下降的同時(shí)延伸率也略有下降，合金延伸率及強(qiáng)塑積在錳含量為25%時(shí)達(dá)到最大，說(shuō)明錳含量過(guò)低或過(guò)高都會(huì)有害于TWIP鋼的力學(xué)性能。黎倩等4用孿晶剛開(kāi)始形成時(shí)的應(yīng)變量來(lái)表示材料形成孿晶的難易程度，應(yīng)變量門(mén)檻值c越大，代表孿晶越難形成。通過(guò)測(cè)量不同錳含量的合金形變過(guò)程中的應(yīng)變量門(mén)檻值c發(fā)現(xiàn)，在錳含量較高的TWIP鋼中，合金層錯(cuò)能高

18、，組織中原始晶粒咫寸大，位錯(cuò)不易塞積，臨界切應(yīng)力大，相應(yīng)門(mén)檻值c大，孿晶形成相對(duì)困難。2）Fe-Mn-C系由于高硅高鋁的成分設(shè)計(jì)給Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)以克服的困難，F(xiàn)e-XMn-3Si-3Al系TWIP鋼多被用于TWIP效應(yīng)的基礎(chǔ)研究，關(guān)于TWIP鋼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者把目光放到了Fe-Mn-Si-C系中碳TWIP鋼的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上。米振麗等5,10,13對(duì)Fe-23Mn-0.6C鋼的組織性能進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明，此成分范圍內(nèi)的Fe-Mn-C系中碳TWIP鋼組織為單一奧氏體，平均晶粒尺寸約為5m，晶粒中含有少量退火孿晶，具備發(fā)生TWIP效應(yīng)的前提條件。

19、塑性變形后，可觀察到與基體取向不同的形變孿晶，組織中含有奧氏體、bcc馬氏體、hcp馬氏體，說(shuō)明在形變過(guò)程中還發(fā)生了fcchcp和fcchcpbcc轉(zhuǎn)變的TRIP效應(yīng)。在TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)共同作用下，F(xiàn)e-23Mn-0.6C鋼最終可達(dá)到延伸率55%、屈服強(qiáng)度450Mpa和抗拉強(qiáng)度1160Mpa，并具有較高的加工硬化率。該成分TWIP鋼現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，研究者對(duì)Fe-Mn-C系列TWIP鋼的研究主要專(zhuān)注于Fe-23Mn-0.6C成分的進(jìn)一步合金化，嘗試采用添加其他微量合金元素（N，Cr，Nb，V等）來(lái)調(diào)整合金的力學(xué)性能和熱加工性能。此外，國(guó)外學(xué)者對(duì)Fe-Mn-C系TWIP鋼等高錳鋼的

20、高加工硬化性表現(xiàn)出濃厚的興趣12,13，普遍接受的觀點(diǎn)是把Fe-Mn-C系TWIP鋼的高工硬化性歸結(jié)于形變過(guò)程中產(chǎn)生的高密度纏結(jié)位錯(cuò)和形變孿晶。周小芬等14的研究結(jié)果表明，F(xiàn)e-Mn-C系TWIP鋼應(yīng)變硬化機(jī)制有2種：在0.4%3%的應(yīng)變區(qū)間為位錯(cuò)強(qiáng)化階段；在10%50%的應(yīng)變區(qū)間為形變孿晶強(qiáng)化階段。這方面的進(jìn)一步研究還需從Fe-Mn-C系TWIP鋼形變過(guò)程中的微觀組織觀察和織構(gòu)演變?nèi)耸?，尋找更為合理和全面的機(jī)制。目前，正在研制新一代Fe-Mn-C系中碳TWIP鋼，成分設(shè)計(jì)思路是通過(guò)由碳化物組成的“捕氫器”來(lái)控制鋼中剩余氫含量，以解決傳統(tǒng)TWIP鋼在軋鋼和電鍍過(guò)程中氫的吸收，同時(shí)保持著優(yōu)異的力

21、學(xué)性能。3）Fe-Mn-Al-C系為了滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化的要求，汽車(chē)用鋼板除了具有高強(qiáng)韌度外，低密度也是人們十分關(guān)注的性能之一。對(duì)Fe-Mn-Al-C系高鋁高錳鋼進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋁含量的提高會(huì)明顯降低鋼的密度（鋁含量12%的TWIP鋼密度為6.59g/cm3左右16)，同時(shí)Fe-Mn-Al-C系高錳鋼的各種力學(xué)性能并不遜于甚至優(yōu)于其他成分體系的TWIP鋼。表1列出了3種典型TWIP鋼的力學(xué)性能，可以看到Fe-28Mn-9Al-0.8C鋼的強(qiáng)塑積高達(dá)84553Mpa%，密度只有6.87g/cm3，相比Fe-25Mn-3Al-3Si和Fe-23Mn-0.6CTWIP鋼的性能優(yōu)勢(shì)十分明顯。Fe-Mn-A

22、l-C系高錳鋼和其他成分體系TWIP鋼一樣，典型組織為單一穩(wěn)定的奧氏體組織，部分晶粒中存在退火孿晶。但是由于添加了10%左右的鋁，使其層錯(cuò)能提高至85mJ/m213。合金0.2MpaUTSMpa延伸率%強(qiáng)塑積Mpa%Fe-25Mn-3Si-3Al2806509561750Fe-23Mn-0.6C45011609563800Fe-28Mn-9Al-0.8C440843100.384553表1 三種典型TWIP鋼力學(xué)性能對(duì)比1目前，對(duì)Fe-Mn-Al-C系高錳鋼的研究仍停留在力學(xué)性能的測(cè)量、成分的微調(diào)以及簡(jiǎn)單熱處理工藝的調(diào)整上，對(duì)其形變機(jī)制的認(rèn)識(shí)還不夠深入和全面。同時(shí)，鋁、碳含量較高給工業(yè)化生產(chǎn)帶

23、來(lái)的弊端仍不容忽視。Fe-Mn-Al-C系高錳鋼盡管在研究上還有很多不足，但高強(qiáng)塑積和低密度的特點(diǎn)使其具有極大的研究和開(kāi)發(fā)潛力。六 TWIP鋼的微觀組織TWIP鋼的金相組織通常為完全的奧氏體組織以及退火孿晶。與TRIP鋼不同，TWIP鋼的奧氏體在機(jī)械載荷作用下保持穩(wěn)定，并且在變形時(shí)產(chǎn)生大量的機(jī)械孿晶，而TRIP鋼在機(jī)械載荷下發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。 TWIP鋼優(yōu)異的力學(xué)性能來(lái)自變形時(shí)產(chǎn)生的孿生誘導(dǎo)塑性，和由此而帶來(lái)的顯著的強(qiáng)化效果，即TWIP效應(yīng)。這種孿生在形變中的作用與傳統(tǒng)的概念完全不同。通常認(rèn)為，在晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性比較低、滑移系比較少的材料中，當(dāng)形變速度較大，變形溫度較低，或在不利于滑移取向的情況

24、下加力時(shí)，在某些應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生孿晶。面心立方金屬不易產(chǎn)生孿晶，只有在極低的溫度下才形成機(jī)械孿晶。但在TWIP鋼中，可在形變溫度為-70400時(shí)的面心立方奧氏體中形成，形變速率可低達(dá)10-4/s。形變過(guò)程中，高應(yīng)變區(qū)孿晶的形成，孿晶界阻止了該區(qū)滑移的進(jìn)行，促使其他應(yīng)變較低的區(qū)域通過(guò)滑移進(jìn)行形變直至孿晶的形成，由此導(dǎo)致試樣的均勻形變，顯著推遲縮頸的產(chǎn)生。TWIP鋼冷軋織構(gòu)由S.Vercammen用X射線衍射的位向分布函數(shù)(ODF)方法測(cè)定，結(jié)果表明，軋制織構(gòu)一般具有黃銅類(lèi)型織構(gòu)110和高斯型的110織構(gòu)8。 在對(duì)Fe-28Mn-3Si-3Al TWIP鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，將拉伸變形的試樣加工成薄

25、膜樣品,在透射電鏡下觀察形變孿晶。當(dāng)變形量大于5 %時(shí)變形鋼中會(huì)出現(xiàn)變形孿晶。變形孿晶的大量出現(xiàn)是由于實(shí)驗(yàn)鋼28Mn-3Si-3Al的特殊成分，能夠?qū)渝e(cuò)能降低到20 mJ/mm2左右，使其變形機(jī)制發(fā)生變化所致。當(dāng)一個(gè)晶粒內(nèi)包含兩組孿晶形態(tài)時(shí)，在這個(gè)系統(tǒng)中兩組孿晶不但是平行的，而且產(chǎn)生一定的切變。晶粒內(nèi)的孿晶層的排列方向與變形面平行5。七 孿晶和層錯(cuò)能金屬材料塑性變形方式與晶體的層錯(cuò)能相關(guān)，高層錯(cuò)能晶體以滑移為主，低層錯(cuò)能晶體傾向于孿生，形成孿晶帶。應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶使變形過(guò)程中產(chǎn)生的滑移位錯(cuò)堆積于孿晶界,同時(shí)進(jìn)行大的無(wú)頸縮延伸，體現(xiàn)出孿晶誘導(dǎo)塑性效應(yīng)，材料具有非常優(yōu)異的強(qiáng)韌性。孿晶指兩個(gè)晶體(或者

26、一個(gè)晶體的兩個(gè)部分)沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位相關(guān)系，這兩個(gè)晶體稱(chēng)為“孿晶”，此公共晶面就稱(chēng)孿晶面。在金相照片中表現(xiàn)為特定的線，該線稱(chēng)為孿晶線或?qū)\晶界，這樣的晶體稱(chēng)為孿晶。孿晶的形成與堆跺層錯(cuò)有密切關(guān)系，一般層錯(cuò)能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶。孿晶分為退火孿晶和形變孿晶，其形成機(jī)理和外形不同，退火孿晶尺寸大于形變孿晶，一般單個(gè)出現(xiàn)并橫貫整個(gè)奧氏體晶粒，但兩者晶體結(jié)構(gòu)一樣，即晶體點(diǎn)陣相同，以孿生面呈180鏡像分布。層錯(cuò)能是合金材料的一個(gè)重要物理特征，直接影響材料的力學(xué)性能，位錯(cuò)交滑移，相穩(wěn)定性等。TWIP鋼中的馬氏體相變是通過(guò)奧氏體內(nèi)每隔一層111面上形成的堆垛層錯(cuò)來(lái)完成，因而與奧氏體基體的層錯(cuò)能相

27、關(guān)。層錯(cuò)能的研究由來(lái)已久，影響層錯(cuò)能的因素包括合金元素，成分的偏聚，溫度，磁性等，一般認(rèn)為成分偏聚降低層錯(cuò)能，而溫度是影響鐵基層錯(cuò)能的又一個(gè)重要因素。早在20世紀(jì)60年代，Ericsson研究了Co基合金的層錯(cuò)能與合金成分和溫度的關(guān)系，得到在FCC結(jié)構(gòu)的Co基合金中，其層錯(cuò)能隨溫度的升高而長(zhǎng)高，而在HCP結(jié)構(gòu)的Co基合金中卻得出相反的規(guī)律，另外在Ms點(diǎn)層錯(cuò)能并不為零7。鑒于目前這方面的研究數(shù)據(jù)較少，需要對(duì)隨溫度的變化規(guī)律作進(jìn)一步的研究8。八 TWIP鋼變形及斷裂機(jī)理材料的斷裂問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，在外載荷作用下，固體材料響應(yīng)的兩大宏觀特征是變形和斷裂?，F(xiàn)有的研究表明，材料的斷裂是微結(jié)構(gòu)損傷

28、累積的結(jié)果，與材料的塑性變形相互耦合，材料的變形加劇了微結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展，微結(jié)構(gòu)的損傷反過(guò)來(lái)又影響了材料的變形。材料的變形和斷裂是材料對(duì)載荷響應(yīng)不可分割的兩個(gè)方面，研究材料的斷裂行為對(duì)正確設(shè)計(jì)材料和提高其服役時(shí)的壽命及安全性具有重要的指導(dǎo)意義4。根據(jù)微裂紋形核的位錯(cuò)理論：在絕大多數(shù)情況下，微裂紋的形核以位錯(cuò)的發(fā)射、增殖和運(yùn)動(dòng)(局部塑性變形)為先導(dǎo)，是局部塑性變形發(fā)展到臨界狀態(tài)的必然結(jié)果。目前，有關(guān)微裂紋形核的位錯(cuò)理論主要有位錯(cuò)塞積形成微裂紋和位錯(cuò)反應(yīng)形成微裂紋兩種。屬于位錯(cuò)塞積形成微裂紋的Stroh理論12認(rèn)為，對(duì)于金屬材料，一旦發(fā)生局部塑性變形，則位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)有可能使它們?nèi)e于障礙處(晶界、

29、第二相或不動(dòng)位錯(cuò))，當(dāng)塞積位錯(cuò)的數(shù)目足夠大時(shí)塞積群前端的應(yīng)力集中就有可能等于原子鍵合力，從而導(dǎo)致裂紋形核，而SmithL18理論則認(rèn)為，在塞積群頂端可形成和塞積群共面的裂紋。屬于位錯(cuò)反應(yīng)形成微裂紋的Cottyell理論認(rèn)為，刃型位錯(cuò)缺少半個(gè)原子面，當(dāng)同一滑移面上的n個(gè)同號(hào)刃型位錯(cuò)合并在一起時(shí)，就會(huì)在下方形成一個(gè)尖劈形的微裂紋。韌性材料的斷裂破壞過(guò)程要經(jīng)歷明顯的塑性變形階段，其最常見(jiàn)的損傷破壞往往是由微裂紋和微孔洞形核、長(zhǎng)大和聚合形成宏觀裂紋，然后自行擴(kuò)展所導(dǎo)致的。從材料學(xué)的角度而言，材料中微缺陷的初始形狀是多種多樣的，有近似球狀的，也有裂紋狀的15。微缺陷的初始形狀是材料中孔洞型損傷破壞的一個(gè)

30、重要細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，它直接影響微缺陷周?chē)牧系淖冃尉植炕^(guò)程以及它們的長(zhǎng)大規(guī)律，并且可以導(dǎo)致材料細(xì)觀損傷的各向異性，造成材料力學(xué)性能的逐步劣化。對(duì)普通結(jié)構(gòu)鋼的大量研究結(jié)果表明，其斷裂過(guò)程都是以微裂紋和孔洞的形核、長(zhǎng)大和聚合直至頸縮斷裂為主要的延性斷裂機(jī)理。對(duì)于TWIP鋼，總體而言，也應(yīng)該是微裂紋和孔洞的形核、長(zhǎng)大和聚合的斷裂過(guò)程，但由于該鋼種在形變過(guò)程中產(chǎn)生孿晶，可能和普通結(jié)構(gòu)鋼有所不同5。普通結(jié)構(gòu)鋼中孔洞的形成一般集中于珠光體與鐵素體界面或由珠光體的斷裂形成，TWIP鋼中孔洞的形成機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。目前，對(duì)TWIP鋼斷裂機(jī)理方面的研究還沒(méi)有展開(kāi)，僅有的一些研究多集中在對(duì)其斷裂形式的定性分

31、析，即TWIP鋼的斷口形貌(SEM)。低應(yīng)變速率下變形斷裂機(jī)理與高應(yīng)變速率下是否存在一些差異，通過(guò)常規(guī)的顯微分析手段，找出高應(yīng)變速率下TWIP鋼的斷裂特征，是優(yōu)化材料性能的一個(gè)重要課題。九 TWIP效應(yīng)的微觀強(qiáng)化機(jī)理TWIP鋼經(jīng)軋制并退火、水淬處理后基體組織為奧氏體，并伴有大量退火孿晶。孿生作為塑性變形的另一種機(jī)制，在發(fā)生孿生的過(guò)程中孿晶出現(xiàn)的頻率和尺寸取決于晶體結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能的大小。當(dāng)晶體在切應(yīng)力的作用下發(fā)生了孿生變形時(shí)，晶體的一部分沿一定的孿生面和孿生方向相對(duì)于另一部分晶體作均勻的切變，晶體的點(diǎn)陣類(lèi)型不發(fā)生變化，但它使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體成鏡面對(duì)稱(chēng)的取向。變形部

32、分的晶體位向發(fā)生改變，可是原來(lái)處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠?，可以進(jìn)一步激發(fā)滑移。孿生與滑移交替進(jìn)行，使TWIP鋼的塑性非常優(yōu)異。在軋制過(guò)程中，隨著形變?cè)黾?，孿晶會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在4個(gè)（111）孿生面都會(huì)出現(xiàn)堆垛層錯(cuò)和孿晶，這樣排列的孿晶因?qū)\晶間的相互制約，在應(yīng)變量增加時(shí)孿晶不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，沿軋制面排列。在外力作用下，隨著應(yīng)變?cè)黾?，變形試樣中觀察到大量形變孿晶，產(chǎn)生TWIP效應(yīng)。TWIP效應(yīng)也可分步解釋為：(1)拉伸變形最大的部位首先誘發(fā)孿晶，孿晶界阻止了該區(qū)滑移的進(jìn)行從而導(dǎo)致位錯(cuò)的塞積，使局部的強(qiáng)度提高，難以繼續(xù)變形，導(dǎo)致變形向其它應(yīng)變較低區(qū)轉(zhuǎn)移，從而推遲了頸縮的形成，極大提高了斷后伸長(zhǎng)率

33、；(2)拉伸后的奧氏體晶粒內(nèi)包含了大量的形變孿晶。粗大的透鏡狀形變孿晶從奧氏體晶界處向晶內(nèi)貫穿，分割?yuàn)W氏體晶粒。接著，更細(xì)小的形變孿晶呈交織狀分布于奧氏體晶粒內(nèi)。實(shí)質(zhì)上，分割晶粒后的孿晶起到了亞晶界的作用，阻礙了位錯(cuò)的滑移，這就起到了加工硬化的作用，使得TWIP鋼在變形后獲得非常高的抗拉強(qiáng)度。(3)由于孿晶與奧氏體基體的共格作用，高的界面能不利于裂紋的擴(kuò)展，因此宏觀表現(xiàn)為拉伸時(shí)的伸長(zhǎng)率，特別是均勻伸長(zhǎng)率的提高。目前對(duì)于TWIP效應(yīng)原理的解釋還不完善，仍然需要大量的試驗(yàn)來(lái)證實(shí)。它與TRIP鋼，HDP鋼斷口顯著不同之處在于，斷口的韌窩非常深而且沿深度方向呈階梯狀，這些是否與晶粒內(nèi)孿晶大小及數(shù)量有關(guān)

34、，至今既無(wú)試驗(yàn)結(jié)果也無(wú)理論研究報(bào)道，變形過(guò)程中孔洞的形成長(zhǎng)大過(guò)程也還沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)化的模型8。十 TWIP鋼的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景TWIP鋼由于具有高的能量吸收能力、高強(qiáng)塑性和沒(méi)有低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度等優(yōu)點(diǎn)，可以作為防彈鋼板等抗沖擊鋼材，汽車(chē)大梁、車(chē)體鋼架、車(chē)門(mén)等汽車(chē)用鋼，以及作為低溫容器、艦船用鋼等低溫用鋼等等。Fe-Mn-Si基多晶合金以其低成本、高強(qiáng)度、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。作為一個(gè)新型的鋼種，目前對(duì)TWIP鋼的研究以及認(rèn)識(shí)上還有很多不足。但是，盡管還存在一些有待解決的問(wèn)題，TWIP鋼具有極高的強(qiáng)塑積，性能優(yōu)勢(shì)十分明顯。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，迫切需要此類(lèi)綜合性能優(yōu)良的鋼種

35、。因此，TWIP鋼開(kāi)發(fā)具有極大的潛力，蘊(yùn)涵著巨大的商機(jī)和市場(chǎng)，TWIP鋼的研制必將對(duì)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用6。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是對(duì)安全和能耗方面的要求，加速了TWIP鋼的發(fā)展。TWIP鋼的研究重點(diǎn)已經(jīng)不再是單純的成分設(shè)計(jì)、組織結(jié)構(gòu)觀察和簡(jiǎn)單的熱處理工藝。今后TWIP鋼研究將主要集中在以下幾點(diǎn)：（1）更加深人的成分優(yōu)化，以探求更高強(qiáng)塑積或性能穩(wěn)定化的成分配比，例如通過(guò)摻雜合金元素來(lái)改善TWIP鋼的耐腐蝕性能。（2）TWIP鋼形變過(guò)程中亞結(jié)構(gòu)對(duì)外加應(yīng)力場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律，深化對(duì)于孿晶誘導(dǎo)塑性機(jī)制的理解。（3）TWIP鋼在生產(chǎn)制備過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題，特別是覆鍍性、焊接性、烘烤硬化性的的研究，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。參考文獻(xiàn)1劉向海等.孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼的研究現(xiàn)狀J.材料導(dǎo)報(bào)：綜述篇，2010.6，上半月刊，24（6）.2馬鳳倉(cāng),馮偉駿,王利,張荻.TWIP鋼的研究現(xiàn)狀J.寶鋼技術(shù),2008,6:62-66.3黃寶旭,王曉東.TWIP鋼研究的現(xiàn)狀與展望.熱處理,2005,20(4):4-64王軼娜，黎倩，何燕霖，符仁鈺，李麟.高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的組織和性能.