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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳99超级强韧化汽车用钢的发展张维娜，王书晗，刘振宇，王国栋(轧制技术及连轧自动化国家重点实验室东北大学，沈阳）摘要：本文综述了具有超级强韧化特性的高锰相变诱导塑性钢（TRIP）的发展历程，及国内外研究现状。初步分析了TRIP钢的强韧化机理和力学性能，介绍了高锰奥氏体钢的强韧化理论及存在的问题，指出了今后的发展方向。关键词：TRIP效应；高锰奥氏体钢；马氏体；力学性能DevelopmentofSupra-DuctileandHigh-StrengthAutomobileSteelZHANGWeina，WANGShuhan，LIUZhengyu，WANGGuodong(TheStateKeyLabofRollingandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang)Abstract：Thedevelopmentofhigh-manganeseTRIPsteelwithsupra-ductileandhigh-strengthissummarized.MechanicalpropertyandmechanicsofTRIPsteelareanalyzed.Supra-strengthmechanicsandexistentproblemsofhighmanganeseaustenitesteelareintroduced.Andtheaspectofdevelopinginthefutureispointout.Keywords：TRIP；highmanganeseaustenitesteel；martensite；mechanicalproperty1TRIP钢的发展概况1.1TRIP效应及TRIP钢TRIP效应是指钢中存在的亚稳定残余奥氏体在变形过程中向马氏体转变时引起了相变强化和塑性增长。TRIP效应多见于奥氏体不锈钢中，后来人们以硅、锰等廉价的合金元素代替镍、铬等贵重元素来研制TRIP钢板使其成本降低。TRIP钢又称相变诱导塑性钢，是TransformationInducedPlasticity英文的缩写，由ZackayVF发现并命名[1]。其本质是钢中残余奥氏体诱发马氏体相变[2]，在强度提高的同时，伴随较高的塑性，称为相变诱导塑性。低碳TRIP钢（成分：0.24C-1.5Mn-1.5~2.0Si）的强塑积比铁素体—马氏体双相钢更高，且合金元素含量低、成分简单。图1各种高强度钢板延伸率和抗拉强度的比较Fig.1Comparisonofelongationandtensilestrengthofvarioushighstrengthsteelsheet2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳100TRIP钢由于具有TRIP效应，钢板有高的延伸率、抗拉强度，同时具有良好的成形性能、理想的应变硬化指数，综合性能得到提高。在延伸率方面，TRIP钢比双相钢、低合金钢和析出硬化钢都高，与深冲型钢(如IF钢)相当；在抗拉强度上，TRIP钢比双相钢、深冲型钢和析出硬化钢高，但低于低合金钢。用抗拉强度乘以延伸率即强塑积来表示材料的综合性能，比较延伸率和抗拉强度，TRIP钢的综合性能优于其它钢[3-5]。TRIP钢同其它钢种延伸率和抗拉强度的比较见图1。1.2高锰奥氏体钢概述大多数钢种在发生弹性或塑性变形的过程中会保持稳定的微观结构。然而有些亚稳态材料在冷却至低温发生稳定化的过程中，力学性能却不会降低。这是因为在拉伸变形的过程中，应变导致的马氏体相变会延缓颈缩的出现。这种转变能够产生较高的机械性能，例如高的加工硬化率、高的抗拉强度和高的延伸率。高锰奥氏体钢就是一种典型代表。由于锰含量能够提高残余奥氏体的体积分数进而增强TRIP效应，因此国外近年来对锰的质量分数为15%～30%的高锰奥氏体钢进行了较多的研究。研究发现不同锰含量的高锰奥氏体钢在机械载荷的作用下会产生孪晶诱发塑性(TWIP)效应或者相变诱发塑性(TRIP)效应，锰含量低于25%的高锰奥氏体钢主要产生相变诱发塑性(TRIP)效应。这种新钢种即使是在高达103/s的应变速率的情况下也表现出了较高的强度(600～1100MPa)和较大的延伸率(60%～95%)[6]。高锰奥氏体钢在内外应变的作用下会产生机械孪晶、应变导致的ε(hcp-)马氏体和α(bcc-)马氏体相变，从而达到了较高的机械性能。研究发现高锰奥氏体钢在应力的作用下存在着两种不同的转变方式，γα→以及γεα→→。这种相转变依赖于化学成分、变形条件以及应变量。应变导致的微观结构的改变直接影响着力学性能1995年，Cote等[7]推断锰含量达到30%时将主要产生γε→相转变。基于热膨胀和电阻测量的实验结果也很好的吻合了该理论。高锰奥氏体钢昀初是于1882年9月发现的。当时发现在纯铁中加入锰元素，使钢中的含锰量达到7～20%,经水淬后可以得到单相奥氏体组织这种钢有很好的流动性和韧性。已经研制出的轻质高锰TRIP(形变诱导塑性)钢和TWIP(孪生诱导塑性)钢即使是在高达103/s的应变速率的情况下也表现出了极高的流变应力(600～1100MPa)和极大的延伸率(60～95%)。因此在目前针对汽车工业所开发的新钢种中受到了广泛的重视[8-10]。1.3高锰奥氏体钢的研究现状近几年国际上钢铁材料的研究人员不断攻关和研究，对于锰的质量分数为15%～30%，铝和硅的质量分数分别为2%～4%的高锰奥氏体钢进行了大量的研究。研究发现，在机械载荷的作用下，实验钢呈现出高强度和良好的塑性，对于不同的成分范围，该钢在变形时产生孪晶诱发塑性或通过马氏体相变从残余奥氏体成为ε-hcp马氏体再转变为α-bcc马氏体的相变诱发塑性。该钢种有极好的综合力学性能，强度高、韧性塑性好。表1列出了昀近得到广泛关注的高锰奥氏体钢的化学成分[11]。表1高锰奥氏体钢化学成分Table1Chemicalcompositionofhighmanganesesteels2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳1011.3.1国外研究现状S.Allain等[12-13]建立了一种模型模拟这种机械变形诱发的微观孪晶的产生。这种模型的架构主要是基于简单拉伸变形过程中的位错滑移，其中重要的因素是孪生过程中的平均自由位错路径的数量。这种模型在Taylor趋近和Sachs趋近中给出了一种中间法则，相对于自动协调方法来说更加容易计算。并且模拟的结果与实验结论也吻合的很好。他们参照锰含量为22%的高锰奥氏体钢室温拉伸变形过程中的显微组织观察，设计了一种二维模型来模拟孪晶的产生。TEM观察发现在晶粒和孪晶界中存在着几十个纳米厚的微观孪晶，并且能够储存达到几十微米宽。S.Allain等首先建立了一种单独微观孪晶的发散模型，该模型是基于沿平行滑移平台发生肖克莱位错的临界应力。O.Grässel[14]对锰含量在15%-35%.铝、硅含量在2%～4%范围内的高锰奥氏体钢在-50°C～400°C温度范围内进行了大量的实验研究。O.Grässel等人[15-19]的研究结果显示，当实验钢的锰含量在20%以下时，实验钢在应力的作用下以TRIP效应为主室温条件下，Fe-20Mn-3Si-3Al可达到830MPa的抗拉强度和82%的延伸率。当锰含量超过25%时，实验钢在变形的过程中以TWIP效应为主，Fe-25Mn-3Si-3Al室温条件达到650MPa的抗拉强度和92%的延伸率。1.3.2国内研究现状国内对高锰奥氏体TWIP钢的研究起步较晚，研究范围也比较窄。主要的研究成果主要集中在北京科技大学、东北大学等少数几所高校。北京科技大学的米振莉、唐荻[20]等对锰含量在15%～25%范围内的高锰奥氏体钢室温条件下的拉伸变形实验进行了研究。结果发现：（1）TRIP钢(Fe-15Mn-3Si-3Al和Fe-20Mn-3Si-3Al)室温下具有30%～64%的总伸长率和830～1075MPa的抗拉强度。在变形中形成渐进的相态转变过程，延迟了局部缩颈的发生，昀终获得较大的伸长率和较高的强度。（2）TWIP钢(Fe-25Mn-3Si-3Al和Fe-30Mn-3Si-3Al)具有70%～82%的总伸长率和637～650MPa的抗拉强度。优异的力学性能是由于变形过程中γ在母体内产生了大量的机械孪晶。TWIP钢在室温表现出极高的塑性和较高的强度。（3）TWIP钢(Fe-25Mn-3Si-3Al和Fe-30Mn-3Si-3Al)组织中有大量细小的形变孪晶。1.3.3发展前景近年来汽车工业面临着激烈的市场竞争，各汽车生产厂商为了在竞争中处于有利的位置竞相采取了一些方法改善工艺，在提高安全指标的同时降低重量改善车辆的经济性。这其中很重要的一环就是开发一些具有高强度超韧性的新钢种。相变诱发塑性(TRIP)钢是一种新的钢种，是以一种全新的思路对钢进行强韧化，即利用组织中奥氏体在受力应变过程中相变为马氏体而达到强化的目的，同时材料塑性又会大大增加，这样就实现了强韧性昀优组合，是其它钢种所不具备的。而孪晶诱发塑性(TWIP)钢由于具有高的加工硬化率、高的延展性、高的强度等一系列特殊的机械性能，因此在未来的汽车工业生产中表现出了极高的发展和应用前景。1.4TRIP效应的形成机理超高锰TRIP钢具有超高塑性的原因是变形过程中亚稳态γ相(面心立方)发生形变诱发ε相(密排六方)和'α相(体心立方)马氏体相变，产生相变诱发塑性效应。ε和'α马氏体的形成取决于化学成分、试验温度和应变量。应变诱发显微组织变化的特征对力学性能有影响。Fe-Mn二元合金中加入合金元素会影响合金的稳定性。添加Al会抑制γε→相变，有利于产生变形孪晶；添加Si元素，则有利于γε→相变。表2示出室温条件下的拉伸试验后，TRIP/TWIP钢化学成分和相的组成情况。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳102表2室温下的拉伸试验后，TRIP/TWIP钢化学成分和相组成，4110sε−−=&Table2ChemicalcompositionoftheinvestigatedTRIP/TWIPsteelsandtheconstituentphasespriortoandaftertensiletestingatroomtemperature;strainrate4110sε−−=&当钢由奥氏体区域以一定的冷却速度冷却并通过SM～dM点之间温度范围，在此阶段施加一定的载荷，可促使过冷奥氏体向马氏体转变。随着相变的进行，同时可产生很大的塑性。在SM～dM之间，诱发马氏体相变时需要外加应力σ。在一定的温度范围内，外加应力与相变转变量呈线性关系，如图2所示。开始引起非线性奥氏体转变的上限温度记为sMσ。在SM和sMσ点之间，奥氏体屈服强度aσ与温度t呈线性递增关系。在sMσ点，处于载荷作用下的奥氏体出现屈服现象，奥氏体的屈服强度与温度呈线性递减关系。设1t温度下，奥氏体屈服时的强度为aσ，应变硬化时应力为bσ，按sσ(SM)与(sMσ)的线性递增关系外推，出现马氏体转变的相变点应是cσ。形成马氏体的屈服强度降低（cdσσ−）是由于奥氏体塑性变形引起的,这就表现为宏观的高塑性。昀高的伸长率发生在SM和dM点之间(特别是在sMσ温度下)而，随着对合金缓慢加载，奥氏体因塑性变形而逐渐增大应变硬化。由此诱发了马氏体形核，并缓慢持续地生成马氏体，避免了因马氏体急剧形成而造成的应力集中，从而得到大的变形。另一方面，当残余奥氏体完全转化为马氏体时，材料的强度也得到提高。简单地说TRIP效应可解释为：拉伸变形时变形昀大的部位首先发生应变诱发马氏体相变，使局部强度提高，难以继续变形，导致变形向未发生马氏体相变的其它部位转移，推迟了颈缩的形成；拉伸变形时造成的局部应力集中因马氏体相变而松弛，推迟了裂纹的产生。图2马氏体转变时临界力与温度的关系Fig.2Relationbetweencriticalstressandtemperat