TRIP鋼中合金元素對相變誘發(fā)塑性的影響

劉敬廣，景財(cái)年，甘洋洋，于承雪

(山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

汽車輕量化是指在保證汽車強(qiáng)度和安全性的前提下，盡可能的降低汽車的整備質(zhì)量，提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低污染。汽車輕量化的途徑很多，其中最有效的方法就是采用高強(qiáng)度鋼板來減薄車身的厚度[1]。研究表明[2]，在其他條件不變的情況下，汽車質(zhì)量每減輕10%，則油耗可下降8% ～10%，并且制造成本降低9%左右。要想在降低油耗的同時提高安全性就必須采用高強(qiáng)塑積的鋼材，如 DP、CP、TRIP(Transformation induced Plasticity)、HSLA等鋼種。與常規(guī)的軟鋼和高強(qiáng)度鋼相比較，TRIP、DP、CP、HSLA等高強(qiáng)度鋼不僅具有高強(qiáng)度而且還有高斷后伸長率，所以不斷受到汽車制造商的關(guān)注。特別是TRIP鋼更是以低廉的價格，優(yōu)良的高速力學(xué)性能和疲勞性能而受到現(xiàn)代汽車制造業(yè)的青睞[3，4]。

國外對TRIP鋼的研究起始于20世紀(jì)80年代，特別是德國、日本、韓國等都已走在了世界的前列。德國已研制出熱鍍鋅TRIP鋼，并且已經(jīng)批量生產(chǎn)TRIP600、TRIP800等級別的鋼板;韓國浦項(xiàng)已經(jīng)研制出TRIP800、TRIP1000和TRIP1200級別的冷軋鋼板;日本的鋼鐵公司也開發(fā)出了600～800MPa級別的TRIP鋼并且實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)[3]。我國對TRIP鋼的研究相對要晚一些，但近年來取得了極大的進(jìn)步，目前寶鋼、鞍鋼等大型鋼鐵企業(yè)已具備了批量生產(chǎn)某幾種型號的TRIP鋼的能力。但關(guān)于合金元素對TRIP效應(yīng)的影響的研究還亟需完善。結(jié)合國內(nèi)外最新研究進(jìn)展，本文詳細(xì)的論述了合金元素對TRIP效應(yīng)的影響。

1 TRIP效應(yīng)的機(jī)理及影響因素

1.1 TRIP效應(yīng)的機(jī)理

Sauveur[5]在 1924 年就報(bào)道，鐵在相變時會出現(xiàn)軟化，即對流變的抗力減少的現(xiàn)象。上世紀(jì)60年代，Zackey等[6]在研究高鎳高鉻鋼中的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時發(fā)現(xiàn)鋼中存在TRIP效應(yīng)，并開發(fā)了可供實(shí)際應(yīng)用的TRIP鋼。

TRIP效應(yīng)就是含有一定量比較穩(wěn)定的殘余奧氏體，在外部載荷的作用下，誘發(fā)馬氏體形核產(chǎn)生相變而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使局部的硬度得到提高，繼續(xù)變形比較困難，同時變形向周圍的組織發(fā)生轉(zhuǎn)移，頸縮的產(chǎn)生被推遲，隨著相變的不斷發(fā)展，材料獲得了很高的塑性。殘余奧氏體相變時體積增大，引起位錯密度的增加，產(chǎn)生位錯強(qiáng)化，材料的強(qiáng)度得到提高。鋼板經(jīng)相變后塑性和強(qiáng)度都提高的現(xiàn)象稱為相變誘發(fā)塑性，簡稱 TRIP效應(yīng)[2－7]。低碳 TRIP鋼的相變誘發(fā)塑性機(jī)理如圖1所示[8]。

圖1 低碳TRIP鋼的相變誘發(fā)塑性機(jī)理圖[8]

1.2 影響TRIP效應(yīng)的因素

影響TRIP效應(yīng)的因素很多，包括顯微組織、合金元素、生產(chǎn)工藝等。其中，含有一定量的穩(wěn)定的殘余奧氏體，是TRIP鋼具有良好力學(xué)性能的關(guān)鍵[9];鐵素體易吸收殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起的體積膨脹，并且直接影響最終組織中殘余奧氏體的成分、含量及形貌[10];貝氏體主要是提高鋼的強(qiáng)度，對提高殘余奧氏體的數(shù)量和穩(wěn)定性都有積極的作用[11]。而影響殘余奧氏體、鐵素體和貝氏體的因素中，除了加熱溫度、等溫時間、冷卻速度等工藝參數(shù)外，化學(xué)成分是最重要的影響因素，所以研究合金元素對TRIP效應(yīng)的影響意義重大。

2 合金元素對TRIP效應(yīng)的影響

2.1 碳元素的影響

碳固溶于奧氏體中，可以擴(kuò)大γ區(qū)，增加殘余奧氏體的數(shù)量，提高其穩(wěn)定性，使鐵素體和貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線右移，推遲了鐵素體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，降低了Ms[12]。在奧氏體中碳的含量決定了殘余奧氏體的量和穩(wěn)定程度，殘余奧氏體含碳量越高殘余奧氏體的穩(wěn)定性越好[13，14]。圖2為試樣在450℃保溫60s時三種不同含碳量的鋼的顯微組織，圖中灰色或亮灰色的為鐵素體，呈白色的為殘余奧氏體，由圖可見隨碳含量的增加，殘余奧氏體的含量也增加。但是含碳量過高會降低鋼的焊接性能，而如果含碳量太低則使殘余奧氏體的穩(wěn)定性大大降低，甚至沒有TRIP效應(yīng)出現(xiàn)[3]。研究表明，對于Rm=600～800MPa的TRIP鋼，碳含量在0.10% ～0.20%最合適[15]。

2.2 鋁元素的影響

Al元素有明顯提高貝氏體相變后殘余奧氏體中碳含量的作用，文獻(xiàn)[16]指出在鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3% ～1.8%Al可導(dǎo)致t0溫度向碳含量增高的方向移動，使鋼中殘余奧氏體的碳含量和奧氏體的穩(wěn)定性得到明顯的提高。大量文獻(xiàn)表明[17－19]，Al是一種強(qiáng)烈的鐵素體穩(wěn)定元素，能夠使鐵素體區(qū)擴(kuò)大，A3線上升，A4線下降，增加過冷奧氏體動態(tài)相變時的過冷度，有利于較小應(yīng)變下動態(tài)相變的發(fā)生，還能夠增加貝氏體體積分?jǐn)?shù)并細(xì)化TRIP鋼中的貝氏體組織。王艾青等[20]對 0.23C1.7Mn1.24Al鋼進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，試驗(yàn)TRIP鋼中Al元素的加入改變了合金相圖的相區(qū)分布，隨之影響了合金在加熱與冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)[21]，用Al取代部分或全部Si的TRIP鋼同樣能獲得相變誘發(fā)塑性效應(yīng)，而且具有良好的熱浸鍍鋅性能，Al元素能抑制碳化物析出，替代Si后可以改善鋼板的潤濕性，提高表面質(zhì)量。用Al代替Si后組織中鐵素體晶粒間殘余奧氏體的尺寸更加細(xì)小，分布更加彌散，使得力學(xué)性能更加優(yōu)良，但由于鋁的固溶強(qiáng)化能力很弱，完全替代硅后，材料的抗拉強(qiáng)度降低。圖3是兩種鋼殘余奧氏體隨真實(shí)應(yīng)變的變化關(guān)系[22]。由圖可以看出，用Al部分代替Si后殘余奧氏體的穩(wěn)定性明顯提高。

圖3 1.50Al鋼和 1.50Si鋼殘余奧氏體隨應(yīng)變的變化[22]

2.3 Si元素的影響

Si是鐵素體形成元素，可以提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性同時也起到固溶強(qiáng)化的作用，從而提高鋼的強(qiáng)度。對于(0.10% ～0.20%)C－Si－Mn系 TRIP鋼，硅、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)在1% ～2%范圍內(nèi)，當(dāng)Si的含量低于1%的時候不能獲得穩(wěn)定的令人滿意的TRIP效應(yīng)，而超過1.5%時會給產(chǎn)品帶來諸如鑄造、焊接、熱鍍鋅等多種缺陷，所以Si含量以1.5%為最佳[23]。另外，Si元素有縮小γ相區(qū)、提高C在鐵素體中的活度的作用[11]。較高的硅含量有利于獲得較多的殘余奧氏體[24]，但是高的Si含量會使鋼產(chǎn)生諸如堅(jiān)硬的氧化層、差的表面性能，降低熱軋鋼板的濕潤性、表面質(zhì)量和冷軋鋼板的涂層性能，使得熱鍍鋅和電鍍鋅等產(chǎn)生困難[25，26]。

2.4 Mn元素的影響

Mn在鋼中起固溶強(qiáng)化和降低Ms點(diǎn)的作用，進(jìn)而提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性，但是含量過高會降低殘余奧氏體的穩(wěn)定性[15]，目前應(yīng)用和研究最廣泛的TRIP鋼主要是錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%的低錳鋼。但是高M(jìn)n TRIP鋼有較高的強(qiáng)度和延伸率，良好的成形性能及較低的比重，增加固溶處理的保溫時間，可以提高高錳 TRIP 鋼的強(qiáng)塑積[27]。李衛(wèi)等[28]對高錳奧氏體鋼的性能進(jìn)行了研究，指出在1×10－3s－1的初始應(yīng)變速率條件下，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.8%的實(shí)驗(yàn)鋼可達(dá)到666MPa的抗拉強(qiáng)度和67%的伸長率，而錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的實(shí)驗(yàn)鋼可達(dá)到540MPa的抗拉強(qiáng)度和97%的伸長率，隨著錳的含量提高鋼的抗拉強(qiáng)度略有降低，而伸長率則有明顯的提高。文獻(xiàn)[28，29]表明，當(dāng)鋼中同時存在 Si、Mn 兩種元素時，Si元素會加劇Mn元素的偏聚程度，加強(qiáng)了Mn對C原子的拖拽作用，推遲了貝氏體的形成。而硅與錳相比較，硅對殘留奧氏體的影響是主要的，并且認(rèn)為隨Si/Mn的比增大，殘留奧氏體量增加。

2.5 其他元素的影響

硼元素能夠阻礙碳化物的生成。張宇光等[29]對合金元素對TRIP鋼連續(xù)冷卻固態(tài)相變和硬度的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)鋼中硼的含量達(dá)到0.14%時，能顯著將CCT曲線圖中的珠光體區(qū)與貝氏體區(qū)右移，硼對先共析鐵素體相變和馬氏體相變沒有顯著的影響。硼可以提高鋼的淬透性，提高殘余奧氏體的生成數(shù)量[30]。Cu能夠提高殘余奧氏體的含量及其含碳量，并且鋁和銅共同作用時這種影響更明顯[31，32]。文獻(xiàn)[33]指出，Cu，Ni是奧氏體穩(wěn)定元素，添加了Cu或者Cu+Ni的合金殘余奧氏體的含量大大增加，伸長率可以達(dá)到34% －38%。Nb有利于TRIP鋼獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，還可以改善一定的延展性。江海濤等[34]對Nb的影響作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在連續(xù)退火工藝條件下，Nb的存在細(xì)化了TRIP鋼的微觀組織，并且可以提高TRIP鋼中殘余奧氏體含量和殘余奧氏體碳含量。Mo是一種鐵素體形成元素，并降低貝氏體轉(zhuǎn)變起始溫度[24]。

近年來，隨著人們對合金元素研究的不斷深入，合金元素對TRIP的影響機(jī)理也不斷的得以完善。今后我們的工作重點(diǎn)可以放在以下兩個方面:(1)高錳TRIP鋼的組織和性能的研究。高錳TRIP鋼不需要添加貴重合金元素即可達(dá)到超強(qiáng)的韌性，比低合金TRIP鋼具有更好的強(qiáng)度－塑性關(guān)系，并且高錳TRIP鋼還具有較低的比重和較高的成形性能，所以研究錳含量對TRIP鋼的影響具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義和市場前景[27];(2)研究Mo、Nb等微合金元素對TRIP效應(yīng)的影響。Mo主要起固溶強(qiáng)化的作用，可以彌補(bǔ)Al代替Si所導(dǎo)致的TRIP鋼強(qiáng)度的損失[3]。另外，Mo是強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體的元素，還能夠推遲鐵素體的形成和延遲碳化物的析出。研究表明[36]，加入Mo和Nb的鋼的強(qiáng)度和塑性均高于不含Mo或者Nb的鋼，并且Nb和Mo復(fù)合加入時其強(qiáng)度和塑性更高。

3 展望

隨著汽車產(chǎn)量的逐年增多以及人們對汽車安全性、舒適性、節(jié)能性等要求的不斷提高，汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。汽車輕量化的途徑很多，其中最有效、最可行的方法就是采用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板來減薄車身的厚度。尤其是先進(jìn)高強(qiáng)度鋼中的TRIP鋼，憑借其優(yōu)良的綜合性能而成為科學(xué)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。國內(nèi)外對合金元素在TRIP效應(yīng)中的作用的研究已開始了幾十年且成果顯著，但是對微量元素對TRIP效應(yīng)的影響，以及各合金元素之間的相互作用等方面的研究還有待深入，我們應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，掌握它們的變形機(jī)理，使其更好的為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

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