汽车用TWIP钢的基础研究现状

第21卷第2期2009年2月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁钢铁研究学报󰀁󰀁󰀁JournalofIronandSteelResearchVol.21,󰀁No.2February󰀁2009

基金项目:国家自然科学基金资助项目(0471070);国家863计划资助项目(007AA03Z555)作者简介:李大赵(1978󰀁),男,博士生,讲师;󰀁󰀁E󰀁mail:lidazhao2008@126.com;󰀁󰀁修订日期:2008󰀁09󰀁23汽车用TWIP钢的基础研究现状李大赵1,󰀁卫英慧1,󰀁刘春月1,󰀁侯利锋1,󰀁刘东风2,󰀁崖天燮2,󰀁胡玉亭2[1.太原理工大学材料科学与工程学院,山西太原030024;󰀁2.太原钢铁(集团)有限公司技术中心,山西太原030004]摘󰀁要:概述了汽车用孪晶诱导塑性钢(TWIP)的基础研究现状及进展,介绍了TWIP钢不同成分配比与力学性能的关系,不同合金元素对TWIP钢组织及性能的影响,TWIP效应产生机理,以及不同温度、应变速率和加工工艺对TWIP钢组织和性能的影响。关键词:TWIP钢;孪生;力学性能;层错能中图分类号:TG142󰀂1󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001󰀁0963(2009)02󰀁0001󰀁05FundamentalResearchofTWIPSteelforAutomobileLIDa󰀁zhao1,󰀁WEIYing󰀁hui1,󰀁LIUChun󰀁yue1,󰀁HOULi󰀁feng1,LIUDong󰀁feng2,󰀁YATian󰀁xie2,󰀁HUYu󰀁ting2[1.SchoolofMaterialsandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,Shanxi,China;2.TechnicalCenter,TaiyuanIronandSteel(Group)CompanyLtd,Taiyuan030004,Shanxi,China]Abstract:Thefundamentalresearchsituationanddevelopmentoftwin󰀁inducedplasticitysteelusedforautomobilearesummarized.TherelationshipbetweenthedifferentchemicalcompositionsofTWIPsteelandmechanicalprop󰀁erties,theeffectofdifferentadditionagentsonstructureandpropertiesofTWIPsteel,themechanismofTWIPeffect,andtheimpactofdifferenttemperature,strainrate,processingtechniqueonstructureandpropertiesofTWIPsteelareemphaticallyintroduced.Keywords:TWIPsteel;twinning;mechanicalproperty;stackingfaultenergy󰀁󰀁现代汽车的发展方向是节能、减重、降低排放、减少环境污染和提高安全性,实现这一目标的重要手段是车身轻量化。降低车身重量可提高燃油效率并减少尾气排放量[1]。据统计,汽车重量每减轻1%,燃料可降低0󰀂6%~1󰀂0%。因此,先进的高强韧性钢应运而生,如双相钢、相变诱发塑性(Trans󰀁formationInducedPlasticity󰀂󰀂󰀂TRIP)钢等。󰀁󰀁1997年,O.Gr󰀁ssel[2]等在研究Fe󰀁Mn󰀁Si󰀁Al系TRIP钢时发现,当锰含量(质量分数,下同)达到25%,铝含量超过3%,硅含量在2%~3%范围时,此钢的抗拉强度(Rm)和伸长率(A)的乘积,即强塑积已超过了50000MPa %,是高强韧性TRIP钢的2倍。由于该类钢的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是TRIP钢中的相变,故被命名为孪生诱发塑性(TwinningInducedPlasticity󰀂󰀂󰀂TWIP)钢。TWIP钢具有中等的抗拉强度(~600MPa)和极高的伸长率(>80%)。除此之外,具有高的能量吸收能力而且没有低温脆性转变温度。如20!时,TWIP钢的吸收功约为0󰀂5J/mm[3],比传统深冲钢高2倍多。这些优越的性能正符合汽车工业在提高安全标准和更合理、低成本生产等方面的要求。因而TWIP钢已成为汽车制造行业的新宠。1󰀁TWIP钢的成分配比󰀁󰀁O.Gr󰀁ssel等[3]研究了加入不同量Si、Al后奥氏体钢[Fe󰀁Mn(15~30)%]的性能,其成分配比列于表1。从表1可看出,TWIP钢中的锰含量分别为:15%,20%,25%,30%,铝、硅含量分别为:2%,3%,表1󰀁不同TWIP钢的化学成分Table1󰀁ChemicalcompositionofTWIPsteels󰀁%牌号MnSiAlCFeFe󰀁15Mn󰀁4Si󰀁2Al16󰀂24󰀂01󰀂80󰀂02余Fe󰀁15Mn󰀁3Si󰀁3Al17󰀂93󰀂22󰀂90󰀂02余Fe󰀁15Mn󰀁2Si󰀁4Al15󰀂91󰀂93󰀂50󰀂01余Fe󰀁20Mn󰀁4Si󰀁2Al18󰀂24󰀂31󰀂80󰀂06余Fe󰀁20Mn󰀁3Si󰀁3Al20󰀂12󰀂82󰀂90󰀂04余Fe󰀁20Mn󰀁2Si󰀁4Al18󰀂11󰀂83󰀂50󰀂03余Fe󰀁25Mn󰀁4Si󰀁2Al25󰀂53󰀂91󰀂80󰀂03余Fe󰀁25Mn󰀁3Si󰀁3Al26󰀂53󰀂02󰀂80󰀂03余Fe󰀁25Mn󰀁2Si󰀁4Al25󰀂62󰀂03󰀂80󰀂03余Fe󰀁30Mn󰀁4Si󰀁2Al28󰀂74󰀂02󰀂00󰀂02余Fe󰀁30Mn󰀁3Si󰀁3Al29󰀂23󰀂02󰀂80󰀂02余Fe󰀁30Mn󰀁2Si󰀁4Al30󰀂62󰀂03󰀂90󰀂01余4%,碳含量较低。采用应变速率󰀂󰀁=10-4s-1对表1中不同成分钢的力学性能进行了测试,测得的性能数据示于图1。󰀁󰀁从图1(a)可看出,随锰含量增加,抗拉强度由(930∀160)MPa降低到(630∀100)MPa。Fe󰀁20Mn󰀁3Si󰀁3Al钢的伸长率和抗拉强度分别可达到80%和800MPa。拉伸实验后经XRD观察到发生了󰀁#󰀂的马氏体相变,因而促使强度和塑性提高,这就是TRIP效应。󰀁󰀁从图1(b)可见,随锰含量增加,总伸长率At从(43∀4)%,增加到(80∀10)%。当锰含量超过25%时,总伸长率基本不变或降低很少。Fe󰀁Mn钢

图1󰀁室温下󰀂󰀁=10-4s-1时不同成分TWIP钢的力学性能Fig󰀂1󰀁MechanicalpropertiesofdifferentchemicalcompositionsofTWIPsteelatroomtemperaturewhen󰀂󰀁=10-4s-1在w(Mn)=25%,w(Si)=3%,w(Al)=3%的成分下呈现出最大的总伸长率(图中Ae为均匀伸长率)。这是因为锰含量为25%时,试样变形后微观组织中出现了大量的形变孪晶,阻碍了位错的滑移,促使塑性和强度提高,这就是TWIP效应。󰀁󰀁米振莉等[4]对Fe󰀁15Mn󰀁3Si󰀁3Al、Fe󰀁20Mn󰀁3Si󰀁3Al、Fe󰀁25Mn󰀁3Si󰀁3Al和Fe󰀁30Mn󰀁3Si󰀁3Al四种成分的钢进行拉伸实验并观察其微观组织,也得出了类似结论。锰含量为15%~20%的TRIP钢具有30%~64%的总伸长率和830~1075MPa的抗拉强度;锰含量为25%~30%的TWIP钢的总伸长率为70%~82%,抗拉强度为637~650MPa。󰀁󰀁以上研究结果表明,TWIP钢较好的成分配比为Fe󰀁25Mn󰀁3Si󰀁3Al。虽然在这种成分配比下抗拉强度有所下降,但总伸长率增加,即强塑积增加,TWIP钢的性能更符合汽车车身用钢的要求。但是,由于一般TWIP钢的碳含量在0󰀂001%~0󰀂100%[1~4]范围,因此这种钢的强度不太高,而且铝含量较高,浇铸时容易氧化,易堵塞浇铸水口;同时硅含量高会影响轧板的镀锌质量,这些问题使TWIP钢的工业化生产困难。代永娟等[5]改变成分配比,将碳含量提高到0󰀂5%~0󰀂7%,锰含量控制在17%~24%,铝、硅含量分别为0󰀂04%和0󰀂0085%,通过热处理可使该钢的抗拉强度高达1140MPa,伸长率达到57󰀂3%。这为TWIP钢的成分设计和优化提出了新思路。2󰀁合金元素在TWIP钢中的作用2󰀂1󰀁碳󰀁󰀁碳在TWIP钢中有2个作用:∃促使形成单相奥氏体组织;%固溶强化,以保证钢的力学性能[6]。在锰含量较高的Fe󰀁Mn合金系中,奥氏体相区的成分范围变化很大。在此区域希望碳含量尽可能高,以提高力学性能。这样,虽然铸态组织中有较多的 2 󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁钢󰀁铁󰀁研󰀁究󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第21卷碳化物,同时有少量珠光体组织,但经固溶处理后可以得到单相奥氏体组织。当然,碳含量也不能过高,否则热处理后不能全部消除碳化物,会对钢的性能产生副作用。据研究结果可知,TWIP钢在碳含量低于0󰀂1%时,强塑积可达到50000MPa %[3],而将碳含量提高到0󰀂5%时,其强塑积可达60000MPa %[5]。但是,提高强塑积将以牺牲塑性为代价,因此必需进一步研究碳含量及碳与其它合金元素的相互关系。2󰀂2󰀁锰󰀁󰀁锰是TWIP钢中的主要合金元素,它的作用是扩大 相区,稳定奥氏体组织[6]。当钢中碳含量一定时,随锰含量增加,其组织逐渐由珠光体型转变为马氏体型并进一步转变为奥氏体型,促使TWIP钢形成单一的奥氏体组织。锰的主要作用是提高TWIP钢的层错能(E)。层错能高的合金倾向于以机械孪晶的形成来取代马氏体相变[7]。随锰含量增加,层错能提高,抑制马氏体相变,呈现出TWIP效应,但锰含量与层错能的关系以及对TWIP效应的影响规律还需进行深入研究。2󰀂3󰀁硅󰀁󰀁硅在TWIP钢中可固溶于奥氏体,起固溶强化作用,而且硅还可以改变碳在奥氏体中的溶解度,因此硅对钢力学性能的影响比较复杂。加入硅可使层错能下降,在冷却和变形过程中有利于 (fcc)#󰀁(hcp)相变[8]。O.Gr󰀁ssel等[3]的研究结果表明,硅的作用是促进 相转变成󰀁相。目前TWIP钢均以硅含量3%为最佳。但是,由于硅含量高对TWIP钢产业化影响不利,因此应该探索替代元素。2󰀂4󰀁铝󰀁󰀁铝在TWIP钢中的作用是提高层错能,抑制 #󰀁的相变,有利于形变孪晶的形成,从而提高其强度和塑性[1,3]。A.S.Hamada等[1]研究了铝对高锰TWIP钢热变形和拉伸性能的影响。结果表明,高锰含量和一定的铝含量可显著提高钢的热变形抗力;延迟动态再结晶,使奥氏体晶粒在动态再结晶后得到细化。但是,铝含量高对浇铸不利,而铝又是实现TWIP效应较好的元素,因此可以探索适当提高碳含量或加入其它元素以降低铝含量。󰀁󰀁一直以来,对于合金元素的研究是从事TWIP钢研究人员重点关注的问题,目前也正向降低铝、硅含量,提高TWIP钢的成形及加工性能方向发展,而且各种元素与TWIP效应的关系也是研究的趋势。3󰀁TWIP效应的强化机理3󰀂1󰀁TWIP效应的产生机理󰀁󰀁金属的塑性变形一般有滑移和孪生2种形式。O.Bouaziz[9]认为层错能可决定钢的塑性变形主要机制为孪生变形,还是应变诱导马氏体相变。层错能越低,扩展位错宽度愈大,位错束集越困难,越不易进行交滑移[6]。因此,层错能对TWIP效应影响很大。TWIP钢作为高锰钢的一种具有较低的层错能,一般为10~40mJ/m2。O.Gr󰀁ssel[3]在实验基础上得出,Fe󰀁Mn合金系的相变与奥氏体基体中的层错能密切相关。低层错能(E&20mJ/m2)有利于 #!转变,而高层错能(E>20mJ/m2)将抑制这种转变。高层错能的合金倾向于形成机械孪晶而不是相变。TWIP钢与普通钢的最大差异就是锰含量比较高,因此锰含量对层错能影响显著。戎咏华等[10]用嵌入原子法计算出Fe󰀁Mn合金的层错能。室温下,Fe󰀁Mn合金保持稳定奥氏体相时,合金成分中锰含量为20%~55%,用Johnson截止距离修正模型计算得出,Fe󰀁Mn合金的层错能随锰含量增加而线性提高[计算式为:E=23󰀂3+0󰀂269w(Mn)],这一趋势与用X射线衍射法测定层错几率(与层错能成反比)所得结果一致。综合以上结论可知,以奥氏体为基体的TWIP钢的层错能比其它合金钢低,而且层错能随锰含量增加而提高,致使TWIP钢的塑性变形方式呈孪生变形。3󰀂2󰀁TWIP效应的微观机理󰀁󰀁由于TWIP钢具有稳定的奥氏体组织和低的层错能,因而其变形机制以孪生为主,但孪生变形前是否存在滑移以及滑移量的大小还需进一步研究。在TWIP钢的孪生变形过程中将产生大量的孪晶,而且随变形量增加,孪晶越来越多。由于孪晶对位错的钉扎作用阻止了滑移变形,促成了应变诱发孪晶,即TWIP效应。应变诱发孪晶优先在局部变形区域形成,孪晶界强烈地阻碍位错移动,这种阻碍作用不断在TWIP钢内部扩展,并呈均匀延伸[11],因而TWIP钢具有高的强度和伸长率。󰀁󰀁S.Vercammen等[8]研究了Fe󰀁30Mn󰀁3Al󰀁3SiTWIP钢的冷轧变形行为,进一步了解了该TWIP钢的冷轧变形机制和微观组织演化,得到了孪晶对冷轧变形的作用。变形主要通过晶内孪晶方式完成,当应变速率󰀂󰀁=0󰀂10s-1时,孪晶呈直线形,在晶粒内已达50%;󰀂󰀁=0󰀂21s-1时,孪晶界开始向轧制 3 第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁李大赵等:汽车用TWIP钢的基础研究现状󰀁