TRIP鋼中合金元素對相變誘發塑性的影響

劉敬廣，景財年，甘洋洋，于承雪

(山東建筑大學材料科學與工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

汽車輕量化是指在保證汽車強度和安全性的前提下，盡可能的降低汽車的整備質量，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塑積的鋼材，如 DP、CP、TRIP(Transformation induced Plasticity)、HSLA等鋼種。與常規的軟鋼和高強度鋼相比較，TRIP、DP、CP、HSLA等高強度鋼不僅具有高強度而且還有高斷后伸長率，所以不斷受到汽車制造商的關注。特別是TRIP鋼更是以低廉的價格，優良的高速力學性能和疲勞性能而受到現代汽車制造業的青睞[3，4]。

國外對TRIP鋼的研究起始于20世紀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，并且已經批量生產TRIP600、TRIP800等級別的鋼板;韓國浦項已經研制出TRIP800、TRIP1000和TRIP1200級別的冷軋鋼板;日本的鋼鐵公司也開發出了600～800MPa級別的TRIP鋼并且實現了批量生產[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步，目前寶鋼、鞍鋼等大型鋼鐵企業已具備了批量生產某幾種型號的TRIP鋼的能力。但關于合金元素對TRIP效應的影響的研究還亟需完善。結合國內外最新研究進展，本文詳細的論述了合金元素對TRIP效應的影響。

1 TRIP效應的機理及影響因素

1.1 TRIP效應的機理

Sauveur[5]在 1924 年就報道，鐵在相變時會出現軟化，即對流變的抗力減少的現象。上世紀60年代，Zackey等[6]在研究高鎳高鉻鋼中的奧氏體向馬氏體轉變時發現鋼中存在TRIP效應，并開發了可供實際應用的TRIP鋼。

TRIP效應就是含有一定量比較穩定的殘余奧氏體，在外部載荷的作用下，誘發馬氏體形核產生相變而轉變為馬氏體，使局部的硬度得到提高，繼續變形比較困難，同時變形向周圍的組織發生轉移，頸縮的產生被推遲，隨著相變的不斷發展，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，產生位錯強化，材料的強度得到提高。鋼板經相變后塑性和強度都提高的現象稱為相變誘發塑性，簡稱 TRIP效應[2－7]。低碳 TRIP鋼的相變誘發塑性機理如圖1所示[8]。

圖1 低碳TRIP鋼的相變誘發塑性機理圖[8]

1.2 影響TRIP效應的因素

影響TRIP效應的因素很多，包括顯微組織、合金元素、生產工藝等。其中，含有一定量的穩定的殘余奧氏體，是TRIP鋼具有良好力學性能的關鍵[9];鐵素體易吸收殘余奧氏體轉變為馬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度，對提高殘余奧氏體的數量和穩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外，化學成分是最重要的影響因素，所以研究合金元素對TRIP效應的影響意義重大。

2 合金元素對TRIP效應的影響

2.1 碳元素的影響

碳固溶于奧氏體中，可以擴大γ區，增加殘余奧氏體的數量，提高其穩定性，使鐵素體和貝氏體轉變的C曲線右移，推遲了鐵素體和貝氏體的轉變，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定程度，殘余奧氏體含碳量越高殘余奧氏體的穩定性越好[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定性大大降低，甚至沒有TRIP效應出現[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[16]指出在鋼中加入質量分數為0.3% ～1.8%Al可導致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定性得到明顯的提高。大量文獻表明[17－19]，Al是一種強烈的鐵素體穩定元素，能夠使鐵素體區擴大，A3線上升，A4線下降，增加過冷奧氏體動態相變時的過冷度，有利于較小應變下動態相變的發生，還能夠增加貝氏體體積分數并細化TRIP鋼中的貝氏體組織。王艾青等[20]對 0.23C1.7Mn1.24Al鋼進行了研究，結果表明，試驗TRIP鋼中Al元素的加入改變了合金相圖的相區分布，隨之影響了合金在加熱與冷卻過程中組織轉變和力學性能。研究發現[21]，用Al取代部分或全部Si的TRIP鋼同樣能獲得相變誘發塑性效應，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小，分布更加彌散，使得力學性能更加優良，但由于鋁的固溶強化能力很弱，完全替代硅后，材料的抗拉強度降低。圖3是兩種鋼殘余奧氏體隨真實應變的變化關系[22]。由圖可以看出，用Al部分代替Si后殘余奧氏體的穩定性明顯提高。

圖3 1.50Al鋼和 1.50Si鋼殘余奧氏體隨應變的變化[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定性同時也起到固溶強化的作用，從而提高鋼的強度。對于(0.10% ～0.20%)C－Si－Mn系 TRIP鋼，硅、錳質量分數應在1% ～2%范圍內，當Si的含量低于1%的時候不能獲得穩定的令人滿意的TRIP效應，而超過1.5%時會給產品帶來諸如鑄造、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、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含量會使鋼產生諸如堅硬的氧化層、差的表面性能，降低熱軋鋼板的濕潤性、表面質量和冷軋鋼板的涂層性能，使得熱鍍鋅和電鍍鋅等產生困難[25，26]。

2.4 Mn元素的影響

Mn在鋼中起固溶強化和降低Ms點的作用，進而提高殘余奧氏體的穩定性，但是含量過高會降低殘余奧氏體的穩定性[15]，目前應用和研究最廣泛的TRIP鋼主要是錳的質量分數小于2%的低錳鋼。但是高Mn TRIP鋼有較高的強度和延伸率，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 鋼的強塑積[27]。李衛等[28]對高錳奧氏體鋼的性能進行了研究，指出在1×10－3s－1的初始應變速率條件下，錳的質量分數為23.8%的實驗鋼可達到666MPa的抗拉強度和67%的伸長率，而錳的質量分數為33%的實驗鋼可達到540MPa的抗拉強度和97%的伸長率，隨著錳的含量提高鋼的抗拉強度略有降低，而伸長率則有明顯的提高。文獻[28，29]表明，當鋼中同時存在 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鋼連續冷卻固態相變和硬度的影響進行了研究，結果表明，當鋼中硼的含量達到0.14%時，能顯著將CCT曲線圖中的珠光體區與貝氏體區右移，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[33]指出，Cu，Ni是奧氏體穩定元素，添加了Cu或者Cu+Ni的合金殘余奧氏體的含量大大增加，伸長率可以達到34% －38%。Nb有利于TRIP鋼獲得優良的力學性能，還可以改善一定的延展性。江海濤等[34]對Nb的影響作用進行了研究，結果表明，在連續退火工藝條件下，Nb的存在細化了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的影響機理也不斷的得以完善。今后我們的工作重點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到超強的韌性，比低合金TRIP鋼具有更好的強度－塑性關系，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實意義和市場前景[27];(2)研究Mo、Nb等微合金元素對TRIP效應的影響。Mo主要起固溶強化的作用，可以彌補Al代替Si所導致的TRIP鋼強度的損失[3]。另外，Mo是強烈穩定奧氏體的元素，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的鋼的強度和塑性均高于不含Mo或者Nb的鋼，并且Nb和Mo復合加入時其強度和塑性更高。

3 展望

隨著汽車產量的逐年增多以及人們對汽車安全性、舒適性、節能性等要求的不斷提高，汽車輕量化是汽車產業發展的趨勢。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度鋼板代替普通鋼板來減薄車身的厚度。尤其是先進高強度鋼中的TRIP鋼，憑借其優良的綜合性能而成為科學界和工業界關注的熱點。國內外對合金元素在TRIP效應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，我們應加強這方面的研究，掌握它們的變形機理，使其更好的為國民經濟發展服務。

[1]馮齊，范軍鋒，王斌，等.汽車的輕量化技術與節能環保[J].汽車工藝與材料，2010(2):4－6.

[2]景財年，王作成，韓福濤.相變誘發塑性的影響因素研究進展[J].金屬熱處理，2005，30(2):26 －30.

[3]王曉東，王利，戎詠華.TRIP鋼研究的現狀與發展[J].熱處理，2008，23(6):6 －18.

[4]郝曉東，張啟富.相變誘導塑性鋼熱鍍鋅的研究進展[J].材料保護，2007，40(1):46 －49.

[5]Sauveur A.，What is a steel another answer[J].Iron Age，1924(113):581－583.

[6]Zackay V.F.，Parker E.R.，Fahr D.，et al.The enhancement of ductility on high strength steels[J].ASM Trans Quart，1967，60(2):252－259.

[7]劉永前，陳宇.相變誘導塑性鋼生產現狀與發展趨勢[J].武漢工程職業技術學院學報，2010，22(3):23－25.

[8]王曉東.TRIP鋼微結構—性能的表征與設計[D].上海:上海交通大學博士學位論文，2007.

[9]李壯，吳迪.TRIP鋼熱變形中奧氏體未結晶溫度的研究[J].塑性工程學報，2007，14(2):20 －23.

[10]張迎暉，趙鴻金，康永林.TRIP鋼熱變形后冷卻工藝的優化[J].鋼鐵，2007，42(3):52 －55.

[11]朱麗娟，呂義.TRIP鋼相變誘發塑性的影響因素研究[J].汽車工藝與材料，2008(12):46－48.

[12]閆翠，李麟，符任鈺，等.TRIP鋼的研究進展[J].上海金屬，2008，30(4):40 －44.

[13]Zaefferer S.，Ohlert J.and Bleck W.，A study of microstructure，transformation mechanisms and correlation between microstructure and mechanical properties of a low alloyed TRIP steel[J].Acta Materialia，2004，52(9):2765－2778.

[14]唐代明.TRIP鋼TMP和熱處理過程中的組織演變[J].特殊鋼，2007，28(2):36 －38.

[15]唐代明.TRIP鋼中合金元素的作用和處理工藝的研究進展[J].鋼鐵研究學報，2008，20(1):1 －5.

[16]李麟，劉仁東，張梅.相變誘發塑性鋼研究開發的進展[J].鞍鋼技術，2007(2):7－12.

[17]龔志華，趙莉萍，趙鳴，等.部分A1替代Si后TRIP鋼的貝氏體轉變[J].金屬熱處理，2011，36(7):32 －35.

[18]趙愛民，張宇光，趙征志，等.A1與P對TRIP鋼固態相變的影響[J].材料熱處理學報，2011，32(4):82 －85.

[19]肖鴻飛，李壯，李平瑞.以Al代Si對TRIP鋼力學性能的影響[J].熱加工工藝，2009，38(10):18 －21.

[20]王艾青，王建，張宇光，等.Al對TRIP鋼兩相區退火組織性能的影響[J].金屬熱處理，2010，35(9):56 －59.

[21]何方，孫新軍，劉清友，等.高鋁TRIP鋼的微觀組織與殘余奧氏體穩定性研究[J].鋼鐵，2009，44(12):87 －90.

[22]景財年.CMnAl－TRIP鋼組織性能研究[D].山東:山東大學，2007:35－50.

[23]朱麗娟，吳迪，趙憲明，等.TRIP鋼在連續冷卻過程中的相變行為[J].東北大學學報，2008，29(5):685 －689.

[24]張迎暉，趙鴻金，康永林.相變誘導塑性TRIP鋼的研究進展[J].熱加工工藝，2006，35(6):60 －65.

[25]尹云洋，楊王玥，李龍飛，等.Al部分替代Si對基于動態相變熱軋TRIP鋼組織控制的影響[J].金屬學報，2008，44(11):1292－1298.

[26]De Cooman B.C.，Structure-properties relationship in TRIP steels containing carbide-free bainite[J].Current Opinion in Solid State and Materials Science.2004，8(3):285 －303.

[27]張維娜，劉振宇，王國棟.高錳TRIP鋼的形變誘導馬氏體相變及加工硬化行為[J].金屬學報，2010，46(10):1230 －1236.

[28]李衛，唐正友，王玫，等.高錳奧氏體TRIP/TWIP鋼的組織和力學性能[J].鋼鐵，2007，42(1):71 －75.

[29]CovarrubiasO.， GuerreroP. M.， ColasR.， etal.Transformation behavior of SI and MN bearing low carbon steels[A]，ED by B C DE cooman.Proceeding of the International Conference on TRIP-aided high strength ferrous alloys[C].Aachen:Mainz，2002:227 －230.

[30]Sakuma Y.，Matsumura O.and Takechi H.，Mechanical properties and retained austenite in intercritically heat-treated bainite-transformed steel and their variation with Si and Mn additions[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1991，22(2):489－498.

[31]張宇光，趙愛民，趙征志，等.合金元素對TRIP鋼連續冷卻固態相變和硬度的影響[J].沈陽工業大學學報，2010，32(4):390－394.

[32]Jun H.J.，Kang J.S.，Seo D.H.，et al.Effect of deformation and boron on microstructure and continuous cooling transformation in low carbon HSLA steels[J]. Materials Science and Engineering，2006，422(1):157 －162.

[33]景財年，劉在學，王作成，等.CMnAlCu-TRIP鋼組織和力學性能研究[J].材料熱處理學報，2009，30(2):67 －70.

[34]Kim S.J.，Lee C.G.，Lee T.H.，et al.Effect of copper addition on mechanical properties of 0.15C － 1.5Mn － 1.5Si TRIP-aided multiphase cold-rolled steelsheets[J]. ISIJ International，2002，42(12):1452 －1456.

[35]Edmonds V.D.and Cochrane C.R.，Structure-property relationships in bainite steels[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1990，21(6):1527－1538.

[36]江海濤，唐荻，米振莉，等.含鈮TRIP鋼連續退火后的組織性能及強化機理[J].北京科技大學學報，2010，32(2):201 －206.