试验温度对转变诱导塑性（TRIP）

试验温度对相变诱导塑性（TRIP）低合金及高合金钢力学行为的影响WolfgangBleck,StephanKranz,JoachimOhlert,KostasPapamantellos德国阿亨工业大学钢铁冶金系关键词：低合金TRIP钢，奥氏体不锈钢，显微组织，成形性，应变硬化行为，奥氏体稳定性EffectoftheTestingTemperatureontheMechanicalBehaviourofLowandHighAlloyedSteelsShowingtheTRIPEffect引言本文选择两种冷轧高合金奥氏体不锈钢和两种低合金C-Mn-Si钢（均有TRIP效应），在冲压工艺温度范围内，选择三个不同温度（23℃，50℃，100℃），对钢的力学行为进行评估。为此，进行了拉伸实验，测定了变形曲线及应变硬化率－真应变曲线。为提供成形性方面的数据，测定了成形极限曲线，进行了杯形冲压实验。此外，详尽地分析了材料的显微组织以及微合金元素铌的影响。实验本次研究包括两种低合金及两种高合金TRIP钢。试验钢1.4301(X5CrNi18-10)代表了当今最常用的奥氏体不锈钢，市场份额非常大；试验钢1.4571（X6CrNiMoTi17-12-2）的合金化思路略有不同，奥氏体的热力学稳定性更高。钢TRIP1的成分在目前应用的低合金TRIP钢的成分范围内，而钢TRIP2中加入了Nb，这是考虑到Nb对晶粒细化，析出行为，相变行为及其对强度的影响。钢1.4301、钢1.4571以及钢TRIP1由工业生产，而钢TRIP2是在实验室条件下生产的。工业生产钢的生产工艺：热轧、冷轧至最终厚度0.8-1.0mm，再连续退火。钢TRIP2的生产工艺：首先加热至1200℃，热轧至4mm厚，终轧温度约为860℃，冷却到室温。然后再进行80％的冷轧，最终厚度为0.8mm。为获得所要求的微观组织，进行了两步热处理，包括在780℃临界退火180秒及在400℃退火400秒。临界退火后的冷速为100℃/s，400℃退火的冷速为10℃/s，不采用回火轧制。页码，1/7试验温度对转变诱导塑性（TRIP）低合金及高合金钢力学行为的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\试验温度对转变...实验钢的化学成分如表1所示。表1示出两类钢采用了颇为不同的合金化思路，以此稳定奥氏体，从而保证相变诱导塑性的产生。奥氏体不锈钢中含有大量置换固溶元素，如提高耐蚀性的Cr及Ni、Mn、Mo；而低合金TRIP钢含有Mn（1-3%）、Si（0.3-2%）,尤其是含有作为主要合金元素的间隙固溶元素C（0.1-0.4%）。不锈钢1.4571中加Ti，目的之一是通过固定C和Ｎ，进而获得无间隙组织来提高成形性，另一目的是通过形成Ti的碳化物而避免形成Cr的碳化物，以提高耐蚀性。低合金钢TRIP2中加Nb，目的是通过晶粒细化，析出强化和可能的相变强化以提高强度水平。组织成形前不锈TRIP钢的组织由约95％的奥氏体和5％的δ铁素体构成，而成形前低合金TRIP钢的组织是由约50％的铁素体，35－40％的贝氏体和15％的残余奥氏体构成。TRIP2钢在实验室临界退火时，调整组织状态使奥氏体和铁素体各占约50％，如此使奥氏体中的碳首次发生富集，从而能够在贝氏体转变后获得适量的稳定残余奥氏体。加速冷却后，第二次退火将部分奥氏体转变为贝氏体，通过这种方式使剩下的奥氏体中的碳进一步富集，从而使马氏体转变温度推移到室温以下。Si和Mn元素的加入使残余奥氏体的体积分数显著增加。亚稳残余奥氏体在塑性变形作用下发生应变诱发相变。钢TRIP1和钢1.457的显微组织示于图1和图2中。图1中，暗色区域对应于贝氏体相，亮灰色的大晶粒为铁素体，细小的白色弥散晶粒是残余奥氏体。TRIP2钢由于Nb的加入铁素体晶粒尺寸（3－7μm）比TRIP1钢（7－9μm）更细小，而残余奥氏体量（12.3%）比TRIP1钢（10.1%）更多。上述两种钢的残余奥氏体晶粒以孤立的岛状分布于铁素体和贝氏体中，其平均尺寸低于1.5μm。钢1.4571（显微组织示于图2）和钢1.4301的奥氏体晶粒尺寸约7-9μm，另可见少量再结晶孪晶。拉伸试验在三个不同温度（23，50，100℃）下进行拉伸实验，上述温度为冲压工序典型的温度范页码，2/7试验温度对转变诱导塑性（TRIP）低合金及高合金钢力学行为的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\试验温度对转变...围。采用专门的加热炉，温度由热电偶控制。测量了实验钢的力学性能，包括屈服强度，拉伸强度，均匀延伸率以及总体延伸率。此外，确定了变形曲线和应变硬化率－真应力曲线。测定了n值和值，n值描述较小应变的变形行为，值可以评估较高应变下的变形行为，此时应变硬化率保持恒定，不再是真应变的函数。通常采用下述指数定律来描述变形行为，一个更加准确的方法是采用Voce方程：将上式微分（简化处理），可得：上式中，为饱和应力，为屈服应力，为常数，为III阶段应变硬化率。这样，假定应变硬化率随应力或应变的增加而稳步减小。在较大应变量下，可观察到恒定的应变硬化率，Voce方程近似于如下线性方程：⇒上式可用来描述大应变下的变形行为。这样，值可以定量描述恒定应变硬化率。薄板实验在23℃，50℃，100℃下测定了成形极限曲线。成形极限曲线的确定遵循北美深冲研究小组的建议。采用50mm直径的冲头，网格圆的直径是2mm。为减轻冲头和实验薄板之间的摩擦，使用了润滑油、润滑箔和橡胶箔。此外，进行了杯形冲压实验，测定了冲压力－应变路径曲线，确定了不同温度下（23℃，50℃，100℃）的极限冲压比。为此，加热了坯缘压牢器，温度由热电偶控制。实验结果力学行为实验用高合金和低合金TRIP钢的力学行为表现出一些共同特征。尽管两者的应力水平和延伸率有明显差别，但它们都显示出强度和延伸率的优良的组合，这与一般的看法，即成形页码，3/7试验温度对转变诱导塑性（TRIP）低合金及高合金钢力学行为的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\试验温度对转变...性随强度增加而严重下降相反，所确定的延伸率接近甚至好于具有中等深冲质量时的延伸率。低合金TRIP钢的均匀延伸率可达30％，总体延伸率可达35％；而高合金不锈钢的均匀延伸率可达81％，总体延伸率可达87％。低合金TRIP钢的屈服强度和抗拉强度可分别达到550MPa和770MPa，对于高合金不锈钢，两者可分别达到350MPa和700MPa。试验TRIP钢的力学性能示于表2中。通常，对于含Nb钢，可以看到由于晶粒细化，析出强化和可能的相变强化而导致较高的强度和略微较低的延伸率。由于钢1.4301的奥氏体稳定性较低，可形成较多数量（可达25％）的马氏体，因此可观察到较高的应变硬化率。于是，尽管钢1.4301和钢1.4571（马氏体体积分数小于10％）的屈服强度有一些差别，但抗拉强度却近似相同。拉伸试验温度对四种TRIP钢的力学性能有显著影响。显然所有钢的强度随温度的升高而降低，图3所示TRIP钢的抗拉强度受试验温度的影响很大。TRIP钢的屈服强度与试验温度的关系与普通钢相比并无明显差别，但相变诱导塑性对抗拉强度会有一定的影响。TRIP钢抗拉强度随温度降低而增加的程度与那些在变形中不发生相变的钢对温度的依赖关系相比，要强烈得多，因此上述强度增加并非来源于热激活过程。实际上，正是应力和应变诱导马氏体相变导致了上述抗拉强度增加程度的不同；而TRIP效应对屈服强度几乎没有影响，这是因为在实验所涉及的温度范围内，屈服强度值较低，而不足以诱导出相当数量的马氏体。对所有试验钢而言，均匀延伸率与温度的关系和总体延伸率与温度的关系没有根本性的差别。低合金TRIP钢以及不锈钢的延伸率都在50℃具有最大值（图4）。这一点被认为是在此温度下残余奥氏体具有最适当的热力学稳定性所导致的。马氏体优先在那些具有最大应力的区域形成，这也是将要形成颈缩的区域。然而，硬的马氏体相的形成可以抑制局部颈缩的产生，因而促进了应变硬化。较高温度使奥氏体具有较高的稳定性，实际上抑制了马氏体相变，这意味着随着温度的升高，转变为马氏体的奥氏体的数量将减少。然而，较低的温度会使奥氏体失稳，因此马氏体相变在变形开始阶段就发生了，这导致了较高的强度值，但却不会对成形性的提高作出贡献。因此，50℃出现最大延伸率可以认为是最佳马氏体相变和最适当的残余奥氏体稳定性的结果。在23－100℃之间，高合金TRIP钢奥氏体根据反应γ→ε转变为六方马氏体，或者根据反应页码，4/7试验温度对转变诱导塑性（TRIP）低合金及高合金钢力学行为的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\试验温度对转变...γ→ε→αε进一步转变为立方马氏体。两种相变看来都会导致较高的延伸率值，这样就会存在一个ε和αε形成的最佳的比例，以保证良好的性能组合。在试验涉及的温度范围内，基于反应γ→αγ的马氏体不会形成。真应力－真应变曲线结果与强度和延伸率性能相符合，图5。均匀延伸率由十字号标出。高合金TRIP钢具有较高的延伸率值，而低合金TRIP钢具有较高的屈服强度值。变形曲线暗示着奥氏体不锈钢具有较高的应变硬化能力。为详细考察这一点，图6和图7给出了试验钢在23℃，50℃，100℃下的应变硬化率dσ/dϕ和真应变ϕ之间的关系。为清楚起见，图6中钢TRIP1与钢1.4571放在一起比较，图7中钢TRIP2与钢1.4301比较。应变硬化率dσ/dϕ随真应变的增加而降低，在较高应变下近似一恒定值。真应变低于0.1时，低合金TRIP钢的应变硬化率远高于奥氏体不锈钢。特别是钢TRIP1显示出优异的应变硬化能力，其应变硬化率值是钢1.4301的2倍。钢TRIP2的应变硬化率值在较小应变量范围内比钢TRIP1要高，这可能是由于钢TRIP2较高的屈服强度造成的。这两种不锈钢表现出颇为相似的行为。不锈钢应变硬化率值随应变量减小的趋势要比低合金TRIP钢和铁素体钢慢，因此即使在较高的应变量下也可看到高的应变硬化率值（ϕ0.2）。这一行为也反应在高的值上。值是用来描述较高应变量下的应变硬化率的，此时dσ/dϕ趋近一常数，不锈钢值超过低合金TRIP1和TRIP2钢。应变硬化率对温度较强的依赖性在所有试验钢中都可观察到。应变强化率随温度的升高而降低，这一点与强度性能一致，可部分归因于热激活塑性变形现象。应变硬化行为对温度的依赖的关系可从值的变化上理解，对奥氏体不锈钢，其值介于1000MPa和1500MPa之间；对低合金TRIP钢，其值介于900MPa和1300MPa之间。如图8所示，不锈钢1.4301的应变硬化率随温度的升高而下降的趋势比钢TRIP1、TRIP2和1.4571要明显。在100℃下，所有试验钢的值较为接近，介于930MPa和1090MPa之间。在50℃，甚至在23℃下，发生了变形诱导马氏体相变，导致了应变硬化率的明显升高。对钢1.4301而言尤其如此，它的奥氏体转变量最多（在23℃时约25％），因而获得了最高的值。当应变量小于0.1时，应变硬化主要由奥氏体或铁素体和贝氏体基体所控制，几乎不受相变诱导塑性的影响，因此这时温度的影响也较小。成形性行为为了对成形性与温度关系方面进一步了解，测定了成形极限曲线。在成形极限图中，ϕ1页码，5/7试验温度对转变诱导塑性（TRIP）低合金及高合金钢力学行为的影响2007-5-31file://C:\DocumentsandSettings\yhl\桌面\新建文件夹\试验温度对转变...＝－ϕ2代表深冲应力状态，ϕ1＝－2ϕ2代表单轴拉伸，ϕ1＝ϕ2代表张力成形。所有钢板的曲线形状相似。通常进行这类试验时，测量数据的分散性非常大，这使得确定一条准确的成形极限曲线有时变得很困难。图9、图10、图11、图12给出了四种试验