TRIP鋼組織與性能

相變塑性(TRIP)鋼的組織和

力學(xué)性能

汽車用高強度鋼的性能要求：高的強度好的成形性好的焊接性能高的抗沖撞性能

提高鋼板性能的方法－－位錯運動與變形在純鐵中，由于位錯的存在，很容易進行變形，所以，鐵有較好的成形性。

提高鋼板性能的方法－－間隙原子的作用、硬度間隙原子碳和氮的存在，將提高鐵的強度

提高鋼板性能的方法－－無間隙原子鋼（Interstitial-Free鋼）極低的碳、氮含量，加入鈦等微量合金元素，有極好的成形性

提高鋼板性能的方法－－固溶強化一定量的碳、氮含量，加入價廉的硅、錳元素，強度水平為440MPa

提高鋼板性能的方法－－沉淀硬化含有一定量的碳、氮，加入釩、鈦、鈮等微量元素，形成碳化物，強度水平為780～980MPa

高鋼板性提能的方法－－彌散硬化若通過控制軋制，使鋼中析出彌散的釩、鈦、鈮等碳化物，強度水平為1470MPa

高鋼板性能提的方法－－多相組織(雙相鋼)硬的馬氏體相和軟的鐵素體相共存，使雙相鋼具有高強度和好的成形性

提高鋼板性能的方法－－多相組織（TRansformation-InducedPlasticity鋼）鋼中存在一定量的殘余奧氏體，在變形時，殘余奧氏體應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，使鋼具有高強度、好的成形性和抗沖撞性能

提高鋼板強度的方法：形變強化固溶強化（錳鋼、P鋼）沉淀強化（含Ti、Nb、V）組織強化：提高碳量（增加珠光體）DP鋼（鐵素體+馬氏體）TRIP鋼(鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體)馬氏體時效鋼（馬氏體）

4TRIP效應(yīng)和早期TRIP鋼TRIP效應(yīng)，即相變誘發(fā)塑性，它是由于晶體材料發(fā)生了馬氏體相變而使材料塑性增加的一種效應(yīng)。最早，人們是在奧氏體不銹鋼中發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變這一現(xiàn)象：低碳的奧氏體不銹鋼，在MS～MD溫度之間變形時，發(fā)生了應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變。由于馬氏體的形成，使奧氏體鋼的強度提高。由此，材料具有很好的強韌性配合。

在1967年，Zackay首次報道了將應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變應(yīng)用于高強度合金。應(yīng)力應(yīng)變曲線比較：（A）0％變形處理（B）10％變形處理

Zackay認(rèn)為，這些高強度鋼由于發(fā)生了應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，推遲了頸縮的開始時間，導(dǎo)致了塑性的提高，這就是相變誘發(fā)塑性。Zackay提出，將具有相變誘發(fā)塑性這一特性的鋼，統(tǒng)稱為TRIP鋼。Zackay的TRIP鋼含有大量的合金元素，成本很高，所以，沒有被廣泛的使用。TRIP鋼可以獲得高強度和好的塑性，主要是利用了奧氏體的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變。在八十年代末、九十年代初，日本和歐洲一些國家的科技人員，利用熱處理使價格低廉的低碳低合金鋼的室溫組織中含有一定量的殘余奧氏體（10％～20％），利用殘余奧氏體的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，使材料達到強度和塑性的完美的統(tǒng)一。由此成功開發(fā)了價格低廉的低碳低合金Si-Mn系TRIP鋼

5低碳低合金TRIP鋼為了使低碳鋼的室溫組織中含有一定量的殘余奧氏體，需要對低碳Si-Mn冷軋鋼板進行相應(yīng)的熱處理。

冷軋低碳硅錳TRIP鋼熱處理示意圖

TRIP鋼組織：F+B+AR10μmTRIP鋼成分和性能（1）

不同強化機制的高強度鋼板的強度和塑性

與傳統(tǒng)的強化方式相比較：TRIP鋼在提高鋼板強度的同時，仍然保持良好的塑性。TRIP鋼具有最高的強塑積（抗拉強度與延伸率的乘積）目前，低碳TRIP鋼的強塑積已達到了24,000MPa，比目前所有的汽車用鋼材高得多。

不同強化機制的高強度鋼板的強度和沖擊吸收能

不同強化機制的高強度鋼板的強度和n值

TRIP鋼具有極好的塑性，可沖壓成各種復(fù)雜形狀的汽車結(jié)構(gòu)件。TRIP鋼具有高的強度和大的吸收能，用TRIP鋼制造的汽車零部件，在汽車發(fā)生沖撞時，可有效吸收沖撞能，為提高汽車安全性提供了進一步的保障，這是其他鋼種所無法做到的。用TRIP鋼試制的汽車零件（front-side-member），板厚為1.4mm，用500t壓機，經(jīng)四道工序沖壓而成

擬用TRIP鋼板替代常規(guī)高強度鋼板生產(chǎn)的

汽車抗沖撞零件

TRIP鋼被各國工業(yè)界一致認(rèn)為是新一代最佳的高強度高韌性鋼。目前，日本和歐洲的鋼鐵公司已投入了TRIP鋼的批量生產(chǎn)，并與汽車公司聯(lián)手將其應(yīng)用于新型車的結(jié)構(gòu)件上。我國在這一領(lǐng)域的工作還不多。

成分和熱處理工藝決定了TRIP鋼的組織和性能。其中，硅的含量是重要的。若硅含量>1.0%，TRIP鋼在貝氏體區(qū)等溫過程中，一部分退火奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o碳化物貝氏體，另一部分成為殘余奧氏體。若硅含量<0.6%，TRIP鋼在相同的溫度區(qū)間等溫時，退火奧氏體發(fā)生了分解，在形成貝氏體鐵素體的同時，析出了滲碳體，無法或少量獲得殘余奧氏體。

但是，較高的硅含量，嚴(yán)重地惡化鋼的熱軋性能和表面涂覆性能。為此，新一代的TRIP鋼為低碳低硅TRIP鋼。低碳低硅TRIP鋼面臨的問題：由于硅含量的下降，導(dǎo)致了TRIP鋼強韌性的下降。所以，尋找硅的替代元素或添加其他元素，成為研究的熱點。目前，這一工作才剛剛開始。

針對上述問題，本工作擬對低碳低硅TRIP鋼進行如下方面研究：研究成分、熱處理對其組織和性能的影響成分、熱處理對殘余奧氏體形成的影響成分、熱處理對TRIP鋼靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能的影響研究組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及其對性能的影響殘余奧氏體的應(yīng)變誘發(fā)相變規(guī)律的研究殘余奧氏體的應(yīng)變誘發(fā)相變對性能的影響

成分、熱處理工藝將影響殘余奧氏體的相對量、含碳量和形貌尺寸。成分包括：碳和合金元素?zé)崽幚砉に嚢ǎ和嘶鸸に?、貝氏體區(qū)等溫工藝、退火與貝氏體等溫之間的冷卻等。

二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成退火溫度和時間對殘余奧氏體量的影響：退火溫度上升，殘余奧氏體量下降退火時間影響較小二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成0.4C-1.5Si-0.8Mn770℃～870℃×0.5~20min+400℃×5min隨退火溫度升高，退火奧氏體量增加，退火奧氏體含碳量下降。結(jié)合：退火溫度升高，殘余奧氏體量下降。所以認(rèn)為，退火奧氏體含碳量下降，導(dǎo)致了殘余奧氏體量下降。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成退火溫度和鋼的碳含量對殘余奧氏體量的影響：鋼的碳含量提高，殘余奧氏體量增加與退火溫度相比，鋼的碳含量的影響更大二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成0.12~0.4C-1.2Si-1.5Mn770℃～870℃×5min+400℃×5min。在退火溫度一定時，隨鋼的含碳量增加，退火奧氏體量增加。結(jié)合：鋼的碳含量增加，殘余奧氏體量增加。所以認(rèn)為，退火奧氏體量增加，也導(dǎo)致了殘余奧氏體量增加。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成結(jié)論：增加退火奧氏體相對量和提高退火奧氏體含碳量可以增加殘余奧氏體量。在退火過程中僅改變退火工藝，無法使退火奧氏體量和含碳量同向變化。若退火過程中發(fā)生合金元素再分配，則有可能使兩者同向變化。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成對于硅>1.0％的TRIP鋼，一般來說，在352～450℃等溫3～5min通?？梢垣@得較高的殘余奧氏體量。上述結(jié)果會受到成分和退火溫度的影響。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成0.14C-1.21Si-1.57Mn770℃×5min+T℃×tmin。合金元素對殘余奧氏體量的影響：鋼中錳、硅含量的增加，殘余奧氏體量也增加鎳與錳有相近的性質(zhì)，但是，鎳降低鋼中的殘余奧氏體量。上述結(jié)果都是由硅>1.0%的TRIP鋼所獲得。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成當(dāng)硅含量低于1.0％，通常在貝氏體等溫的瞬間，出現(xiàn)殘余奧氏體量的最大值，并隨等溫時間的延長，殘余奧氏體量快速下降。所以，在實際生產(chǎn)中是無法獲得較高的殘余奧氏體量。所以，如何將出現(xiàn)殘余奧氏體量最大值的等溫時間延長，對低硅TRIP鋼是非常重要的。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成目前對低硅TRIP鋼的研究，主要集中在加合金元素和調(diào)整貝氏體等溫工藝。鋁具有與硅相同的性質(zhì)，均抑制滲碳體的析出，可有效提高殘余奧氏體量。但是，有研究認(rèn)為，鋁的作用不如硅。鈮具有細(xì)化晶粒的作用，并增加殘余奧氏體量，由此可以提高鋼的強韌性。二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成釩具有與鈮相類似的性質(zhì)，但是，含釩TRIP鋼的研究，目前是個空白。加釩的幾點理由：釩也是強碳化物形成元素，具有細(xì)化晶粒作用，對于提高殘余奧氏體量并提高鋼的韌性有益釩碳化物的熔點較低，若在兩相區(qū)退火時溶解，則一方面固溶于退火奧氏體中的釩將有效地阻止貝氏體轉(zhuǎn)變，另一方面將使退火奧氏體含碳量升高，這些都有利于提高殘余奧氏體量通過降錳、加鋁等處理，可以提高鋼的Ac1和Ac3，有可能使釩碳化物在兩相區(qū)退火時溶解二、TRIP鋼中殘余奧氏體的形成三、TRIP鋼中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變及其對力學(xué)性能的影響殘余奧氏體對靜態(tài)拉伸性能的影響殘余奧氏體在靜態(tài)拉伸時的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其對性能的影響動態(tài)力學(xué)性能

隨組織中殘余奧氏體量的增加，鋼的強塑積上升。由此說明，殘余奧氏體量對鋼的強韌性有直接的影響。三、1殘余奧氏體對靜態(tài)力學(xué)性能影響0.4C-1.5Si-0.8Mn5min與2min相比，殘余奧氏體量相差不多，但是，前者的殘余奧氏體隨應(yīng)變增加而轉(zhuǎn)變的速度較慢，在性能上的表現(xiàn)就是5min處理的試樣的均勻延伸率和強塑積均高于2min的試樣，說明殘余奧氏體較慢地轉(zhuǎn)變，有助于提高鋼的均勻延伸率，進而提高鋼的強韌性。15min處理的試樣的殘余奧氏體量在三者中是最低的，其均勻延伸率也是最小的，說明，殘余奧氏體量對鋼的均勻延伸率也有大的影響。三、1殘余奧氏體對靜態(tài)力學(xué)性能影響0.4C-1.5Si-0.8Mn770℃×1.5min+400℃×2、5、15min對于不同硅、錳含量的TRIP鋼，也表現(xiàn)為：隨殘余奧氏體量增加，強塑積增加。說明殘余奧氏體量對TRIP鋼的強塑積有直接的影響，不受成分的影響。三、1殘余奧氏體對靜態(tài)力學(xué)性能影響在低硅TRIP鋼中，合金元素對靜態(tài)力學(xué)性能是有影響。如：鋁提高鋼的塑性一種認(rèn)為：無鋁鋼在低的應(yīng)變時就達到了最大的n值，而含鋁鋼，在變形過程中n值的變化不大，即n值對應(yīng)變不敏感，由此導(dǎo)致了含鋁鋼有大的均勻延伸率。另一種認(rèn)為：由于硅的存在對鐵素體的固溶強化有貢獻，而鋁對鐵素體的固溶強化很小，導(dǎo)致了塑性的提高。在低硅TRIP鋼中，鐵素體對性能也有影響三、1殘余奧氏體對靜態(tài)力學(xué)性能影響綜上所述：殘余奧氏體量的增加和殘余奧氏體含碳量的提高，有助于提高TRIP鋼的強韌性，其中，殘余奧氏體含碳量的提高將導(dǎo)致殘余奧氏體的穩(wěn)定性提高，可以有效地抑制縮頸的發(fā)生，從而提高均勻延伸率，并提高鋼的強塑積。對于低硅TRIP鋼，合金元素、熱處理、鐵素體量和形貌對其靜態(tài)力學(xué)性能都可能有影響。三、1殘余奧氏體對靜態(tài)力學(xué)性能影響研究指出，用下式可以較好地描述硅錳TRIP鋼中殘余奧氏體量隨拉伸應(yīng)變的變化。

logfr=logfr0–kε式中k表征殘余奧氏體穩(wěn)定性，k越小，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變速率越慢，穩(wěn)定性越高。三、2殘余奧氏體在靜態(tài)拉伸時的轉(zhuǎn)變規(guī)律研究了k值與殘余奧氏體量和熱處理工藝的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)，k值僅與殘余奧氏體量有關(guān)，成分和熱處理工藝對k值的影響，主要是通過殘余奧氏體量來反映。當(dāng)殘余奧氏體量為20％時，k值有最小值。三、2殘余奧氏體在靜態(tài)拉伸時的轉(zhuǎn)變規(guī)律由表可見，隨k值下降，殘余奧氏體量增加，強塑積提高，這一結(jié)果與鋼的平均含碳量和退火溫度無關(guān)。由此說明，k值對鋼強塑積的影響可以適用于不同含碳量的TRIP