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Trip钢概述,2014年3月,Trip概述,TRIP (Transformation Induced Plasticity相变诱发塑性)钢,又叫变塑钢,是近几年为满足汽车工业对高强度、高塑性新型钢板的需求而开发的. TRIP钢板最先是由V.F.Zackay发现并命名的，他利用残余奥氏体的应变诱发相变及相变诱发塑性提高了钢板的塑性并改善了钢板的成形性能.,定义,TRIP钢的研究进展,目前强度级别为600MPa 的TRIP 钢的研究已比较成熟, 欧洲的一些国家和日本、韩国等均能批量生产600MPa 和800MPa 级的冷轧TRIP 钢。 宝钢已研制开发了连续退火生产的商业TRIP600 钢板 为了得到1GPa 或更高的强度, 人们提出了微合金TRIP 钢的概念, 即在TRIP 钢中单独添加或复合添加V、Ti 、Nb 微合金元. 张梅(上海大学)等人开发出了一种强度级别980MPa , 延伸率约为20 %的TRIP 钢(0.34C-1.75Mn-0.46Si-0.055P-1.32Al-0.033V-0.12Ti),Trip概述,研究进展,引自：闫翠等 ：TRIP 钢的研究进展，上海金属【J】 2008,Trip钢机理,Trip效应,当钢中含有一定量的能稳定奥氏体的元素，再经过两相区(+)临界退火和随后的中温贝氏体等温淬火，就会使得钢中的显微组织在室温下有较大量稳定的奥氏体被保留下来，称作残余奥氏体。当这种钢受到载荷作用发生变形时，就会使钢中的残余奥氏体发生应力应变诱发马氏体相变，这种相变使得钢的强度，尤其是塑性显著提高，故称之为“相变诱发塑性效应”，简称“TRIP效应”,TRIP效应,低碳TRIP钢的相变诱发塑性机理图,考虑TRIP钢的相变塑性,以下三个温度范围是非常重要的：,TRIP钢残余奥氏体在不同温度范围里的主要转变机制,MsMs范围： 应力诱发塑性 MsMd范围：应变诱发塑性 TMd范围： 位错滑移塑性,TRIP钢的设计需要使其使用温度处在Ms和Md30之间,因为在该温度范围里TRIP钢均匀延伸率最高。,在30%应变的条件下奥氏体50%的转化成马氏体的温度,Trip钢机理,Trip效应,Trip钢机理,Trip效应,拉伸变形时变形最大的部位首先诱发马氏体相变,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驰,推迟了裂纹 的产生,局部应力集中主要是由于残余奥氏体影响,其次是塑性变形和压应力的影响。,TRIP效应解释,残余奥氏体与外加应力呈共格关系,高能界面不利于裂纹的扩展,因此宏观效应表现为总延伸率,特别是均匀延伸率的提高。,TRIP钢断裂时的颈缩示意图,加工工艺,冷轧TRIP钢板： 采用临界加热、下贝氏体等温淬火的工艺方法来获取TRIP所需的大量残余奥氏体，现在普遍采用。,热轧TRIP钢板： 通过控制轧制和控制冷却来获得大量的残余奥氏体，现在应用相对较少。,两种工艺生产的TRIP钢板显微组织都是由铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相组成，只是其各个组织间体积分数不一样。,Trip钢机理,三种不同成分的CMnSi系TRIP钢组织,一旦热轧TRIP钢在我国实现在线生产，将会减少轧后热处理环节，取代冷轧 热处理TRIP钢，获得显著的经济效益。,冷轧TRIP钢的生产工艺,冷轧低合金TRIP钢的处理工艺:Fe一1.5%Mn伪二元相图中奥氏体碳含量的变化(中) 和相应的标明T0线的相图显示贝氏体等温时贝氏体相变的结束点(右),Trip钢机理,第一阶段:快速加热 ；第二阶段:临界退火；第三阶段:快速冷却；第四阶段:贝氏体等温；第五阶段:最后冷却,一种双道次压缩工艺示意图,热轧TRIP钢的生产工艺,Trip钢机理,引自：李壮 热扎TRIP钢的研究 【博士论文】 东北大学,成分：8CI.37Si一1.35Mn-0.026S，0.020P,TMP工艺过程为:第1步,将钢坯再加热到一个恰能使其初始显微组织中存在的Nb(C,N)、AlN析出物溶解的温度；第2步，轧制变形,即在未再结晶温度之上终止变形；第3步，以3e/s的冷却速率将钢冷却到Ar3Ar1温度之间；第4步，在Ar3Ar1温度间等温，析出要求数量的先共析铁素体；第5步，采用层流冷却将钢快速冷却到卷取温度(通常为400e左右)，在此温度下，一部分奥氏体等温转变成贝氏体。,热轧TRIP钢的TMP工艺示意图,热轧TRIP钢的生产工艺,Trip钢机理,也有人提出了如下TMP过程：,引自：唐代明 TRIP钢中合金元素的作用和处理工艺的研究进展 2008,优点： TRIP钢得到奥氏体相的过程相对较容易,将相变和形变热处理融合在一起,可以通过控制卷取温度和卷取时间来获取不同的相的组成含量和钢板的力学性能。 缺点： 温度偏差对相变行为和性能的影响强烈,只有钢板宽度和长度上同时使温度均匀才能达到组织的均匀和减少钢板不同部位力学性能的差异。 同时由于受工厂设备的限制,快速升温在实际生产中有一定困难,必须采用卷取装置等相对热轧生产。,Trip钢机理,优点：热处理TRIP钢板的轧制力相对较小,可以通过调节两步热处理法的工艺参数来控制钢板的显微组织和力学性能,生产工艺过程相对较容易控制; 缺点：是生产线较为复杂,以达到组织中所需要的残余奥氏体,冷轧产品表面覆镀需求使合金成分受到限制等。,热轧,冷轧,加工工艺特点,Trip钢机理,TRIP钢的成分和组织特点,成分特点 TRIP钢的成分以C-Mn-Si合金系统为主，有时也可根据具体情况添加少量的Cr、V、Ni等合金元素。因此，它的成分特征是：低碳、低合金化、钢质纯净。 碳、锰、硅和铝是低合金TRIP钢中的基本元素。在TRIP钢中，碳主要富集在残余奥氏体中，增加残余奥氏体数量，提高其稳定性，其次才是提高钢的强度 组织特点 TRIP钢具有多相组织，既有软相铁素体，也有硬相贝氏体，还有亚稳定的残余奥氏体。钢中组织的合理配比、亚稳相的稳定性等决定了TRIP钢的力学性能,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,TRIP钢中合金元素的常用含量,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,C元素的影响,、奥氏体中含碳量升高，奥氏体稳定性升高，Ms点下降，残余奥氏体增多，提高奥氏体稳定性。 、C元素也可以提高钢的强度。TRIP钢作为成型用钢含碳量不能太高，一是影响成型性，二是影响焊接性能。,Si元素的作用,、加热到两相区(+)时，Si元素可提高C在铁素体中的活度，起到净化铁素体中C原子的作用，使奥氏体富C，增加了过冷奥氏体的稳定性。 、冷却过程中，Si元素抑制碳化物的形核与析出，使珠光体转变“C”曲线右移，滞缓了珠光体的形成。 、在贝氏体转变区等温时，由于Si元素为非碳化物形成元素，又以置换固溶体的形式存在，扩散很困难，故使碳化物形核困难，导致贝氏体铁素体和过冷奥氏体中均无碳化物析出,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,Mn元素的作用,Mn元素有较强的稳定奥氏体的作用，1%的Mn元素可降低Ms点约30左右。在TRIP钢中加入Mn元素，有利于在最终显微组织中保留较多的残余奥氏体,可有效控制TRIP钢的奥氏体化、再结晶、晶粒长大以及元素迁移，还可控制热轧、临界区退火、冷却、贝氏体形成温度范围内的等温和应变过程中的各种相变，影响奥氏体向铁素体和贝氏体中的转变及残余奥氏体的体积分数和稳定性。,Nb元素的作用,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,磷元素作用： 铁素体稳定元素,抑制了渗碳体的形成,使奥氏体中的碳含量增加。磷可以用来减小硅在TRIP钢中的聚集而不影响它的力学性能。磷和硅同时作用对抗拉强度的升高数量是硅单独作用时的5倍。磷含量超过一定值时会在晶界处析出,破坏晶界强度,损坏延展性“磷的含量在0.01%一0.3%。,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,钛元素的作用： 也被用来提高TRIP钢的强度,同NbC相同,TIC也是在双相区退火时出现的,且数量要比NbC多“在热轧过程中TIC的析出要比NbC强烈，添加钛后的试样抗拉强度可达987MPa。,TRIP钢的成分以C-Mn-Si合金系统为主，它的成分特征是：低碳、低合金化、钢质纯净。,1. 低碳 含碳量高，残余奥氏体数量增多，有利于TRIP效应产生，然而焊接性能恶化，轧制过程中产生晶体缺陷的几率增大，并且固溶强化作用增强导致强度增加而塑性降低。含碳量低，产生的影响恰好相反。因此，选取的含碳量一般为0.1%0.2%。,2.低合金化 Si和Mn加入过多，降低钢的塑性和韧性，并且引起焊接性能恶化。因此，TRIP钢的含硅量和含锰量均控制在1%2%的范围内。,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,3.钢质纯净 除了进行必要的合金化之外，TRIP钢中的夹杂物应尽可能加以清除。对于钢中的O、N、P、S、Al等元素的含量均可按照低合金钢标准加以控制，特别是硫化物形态更应引起注意，以防止产生对钢性能的不利影响。,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,低合金TRIP钢的成分图,说明TRIP钢可选成分变迁的主要原因,Trip钢机理,TRIP钢中的合金元素,试验钢化学成分( 质量百分数，%) 包括0. 20 C、0. 6 Si、1. 5 Mn、0. 8 Al、0. 03 Nb、0. 009 P、0. 004 S,试验钢中析出物的透射电镜照片及其能谱,透射电镜观察下发现了大量细小弥散分布的碳氮化物粒子存在，析出相粒子多为椭圆形或者圆形，其尺寸较小（小于10um），可以知道这些析出析出相粒子主要为含Nb 的碳氮化物，热轧过程中、过冷奥氏体的铁素体和贝氏体转变中、起到较强的细晶强化效果，同时碳氮化物还可以起到一定的析出强化作用。,Trip钢机理,TRIP钢中的Nb,引自：刘杰等: Nb 微合金化热轧TRIP钢组织性能【J】 首钢技术研究院 2013,三种TRIP钢的CCT曲线，其中（a）不含V、Ti；（b）含V；（d）同时含V、Ti,对左侧表中所列出的五个试样进行了CCT曲线测定，下面列出了P，Z，S三个试样，分别不含V、Ti，含V，同时含V、Ti,Trip钢机理,TRIP钢中的V元素,760*5min+400*5min,组织为铁素体加残余奥氏体加贝氏体。 含钒钢与无钒钢的显微组织在光镜下看不出有什么差别,晶粒尺寸也基本相等，铁素体晶粒尺寸为10-25um,残余奥氏体颗粒尺寸为2um以下。 其中,铁素体呈蓝色或绿色的等轴状组织，贝氏体呈棕红色的组织,分布在铁素体的晶界上，残余奥氏体呈白色的颗粒状组织,主要分布在铁素体的晶界上,少量在晶内。在铁素体晶界上的残余奥氏体,一些与贝氏体相邻,另一些为孤立的分布,引自：史文 含钒TRIP钢的显微组织【博士论文】 上海大学 2006,Trip钢机理,TRIP钢中的V元素,与无钒钢相比，在含钒钢的铁素体晶内和晶界上都有明显的析出物，是钒的碳化物，即钒至少有一部分是以碳化物的形式存在的，并且主要存在于铁素体中，包括铁素体的晶界和晶内。,无V TRIP钢铁素体TEM照片(a)形貌,(b)衍射斑点,含V TRIP钢TEM照片(a)形貌,(b)衍射斑点,Trip钢机理,V的存在形式,含钒钢在临界区退火时,由于碳化钒的低温溶解,导致奥氏体中固溶的钒含量增加。在随后的贝氏体等温时,固溶的钒延缓了贝氏体的转变,使残余奥氏体量增加。随临界区退火温度的升高,这一作用更明显。 在贝氏体等温温度一定时,高的退火奥氏体含碳量可以获得多的残余奥氏体量,计算获得的退火奥氏体含碳量与退火温度的关系,钒是抑止奥氏体区的元素，钒的添加将使相图中的A3温度线向高温和富碳方向移动。这样，在相同的退火温度下，含钒钢的退火奥氏体的含碳量就高于无钒钢的含碳量。较高的退火奥氏体含碳量，有利于获得较多的残余奥氏体量。这可能是含钒钢的残余奥氏体量高于无钒钢的另一个原因。,V对残余奥氏体的影响,Trip钢机理,V是铁素体稳定元素，含钒TRIP钢和无钒TRIP钢的应力一应变曲线都表现为不连续屈服现象；屈服应变量一方面由铁素体量决定：屈服应变量随铁素体量线性变化，高的铁素体量对应了大的屈服应变量；另一方面，屈服应变量也与TRIP钢成分有关，钒的加入，提高了TRIP钢的屈服应变量。,不同退火温度（a）有V；（b）无V的TRIP钢处理应力应变曲线。（c）为6屈服应变量随铁素体相对量的变,(a),(b),退火温度和V对屈服行为的影响,Trip钢机理,(c),退火温度和钒对试验钢屈服强度的影响,TRIP钢的屈服强度主要由铁素体量决定，随着铁素体量增加,屈服强度呈线性下降；同时，钒的添加提高了钢的屈服强度：0.1wt%钒的加入，大约可以使TRIP钢的屈服强度提高150MPa左右。,Trip钢机理,退火温度和钒对试验钢抗拉强度的影响,TRIP钢中的贝氏体量是影响其抗拉强度的一个主要因素，随着贝氏体量的增加，TRIP钢的抗拉强度呈线性提高；同时，钒的添加也提高了TRIP钢的抗拉强度：0.1wt%钒的加入，可以使TRIP钢的抗拉强度提高约60MPa；另外，残余奥氏体量是提高TRIP钢抗拉强度的另一个重要因素。,Trip钢机理,Trip钢机理,退火温度和钒对试验钢延伸率的影响,TRIP钢的延伸率与退火温度的关系,TRIP钢均匀延伸率与残余奥氏体量和铁素体量的关系,TRIP钢中的残余奥氏体和铁素体总量是影响均匀延伸率的一个重要的因素,随残余奥氏体和铁素体总量的增加,均匀延伸率呈近似线性的增加；钒的添加降低了TRIP钢的均匀延伸率:0.lwt%钒的加入,使TRIP钢的均匀延伸率下降。,V对试验钢强塑积的影响,经TRIP处理的强塑积变化,由图可见,含钒TRIP钢的强塑积低于无钒TRIP钢。如前所述，这主要是由于钒对钢塑性的损害所造成的。含钒TRIP钢的最大强塑积为0.17GPa，800*5min+400*5min处理后获得。无钒TRIP钢的最大强塑积为0.2lGPa,经760*5min+400*5min处理后获得的。,Trip钢机理,V对加工硬化率(n值)的影响,TRIP钢的n值主要由铁素体和残余奥氏体总量决定,随着铁素体量和残余奥氏体量的增加，TRIP钢的n值呈线性增加。钒是影响TRIP的n值的另一个因素，钒的添加将使TRIP钢的n值下降。,Trip钢机理,延伸率：TRIP钢比双相钢!低合金钢和析出硬化钢都高,同深冲型IF钢相当,抗拉强度：TRIP钢比双相钢、深冲型钢和析出硬化钢高，但低于低合金,用抗拉强度乘以伸长率即强塑积,来表示材料的综合性能，比较伸长率和抗拉强度,TRIP钢的综合性能优于其它钢种。,Trip钢性能,在变形时,当硬相在软的基体中扩散时可以引起较高的应变硬化，与传统材料不同,TRIP钢的n值不是固定不变的,TRIP钢随着应变的升高，残余奥氏体逐渐地发生相变转化为马氏体,当设计难拉伸部件或对加工硬化率有高的要求时,TRIP钢的应用显得尤为重要,TRIP钢的主要性能特点,能量吸收能力：TRIP钢的能量吸收能力大大高于低碳钢和双相钢,但较奥氏体不锈钢低,综合比较延伸率和吸收能量的能力，则TRIP钢最适合作车体材料.,凸缘性：TRIP钢虽然具有许多力学性能优点,但其延伸凸缘性较低,妨碍了进一步的应用,但是， 贝氏体基体的TRIP钢板由于均匀良好的组织和高的局部延展性，具有高的延伸凸缘性； 退火马氏体基体的钢板，由于均匀良好的组织、稳定的残余奥氏体、持续的TRIP效应和同贝氏体共存的残余奥氏体薄片引起的基体内高的压应力，具有优良的延伸率!延伸凸缘性和良好的弯曲性，在高强度钢板中具有最佳的成形性。,Trip钢性能,TRIP钢的主要性能特点,TRIP钢的主要性能特点,强度高,延性大,即其强塑积(RmA)较高，较好地解决了强度和塑性的矛盾：TRIP的强塑积一般均大于20000；而一般的钢种强塑积约为15000，因此TRIP钢可用作制造形状较复杂的零件。 加工硬化指数n值较高:TRIP钢的加工硬化指数均在0.2以上，而析出强化系列钢则在0.2以下。 平面各向异性较低,在深冲时制耳很小。 成型后表现出很强的烘烤硬化特性。,Trip钢性能,屈强比(Re/Rm)低,加工容易:TRIp钢的屈强比略高于双相钢，约为0.60.8，而析出强化钢板的屈强比约为0.80.9。 具有高的成型极限高度和拉胀性能,特别适合于胀形的零件。 冲撞时吸收能量较高,提高了安全性。 疲劳强度高:TRIP钢因加工硬化指数高,在循环应力作用下，会发生循环硬化，故可提高其疲劳强度。,TRIP钢的主要性能特点,Trip钢性能,Trip钢性能,TRIP钢的主要性能特点,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,由上表可知TRIP钢的各项性能都优于双相钢,Trip钢的力学性能特点与其它钢种的比较，可见因TRIP效应的存在,TRIP钢同时具有延展性和高强度的性能特点,是先进高强度钢板中综合性能优异的代表钢种,Trip钢性能,TRIP钢的主要性能特点,成分为0.2C一1.51Si一1.51Mn贝氏体基体的TR护钢板,抗拉强度达900MPa,延伸率达15%一20%,断面收缩率高达40%一60%,具有良好的延展性。,Trip钢性能,成分为0.2%一0.6%CSiMn或CSiNi合金，抗拉强度最高可达1000MPa,但延伸率比铁素体基体钢板小，其显微组织为贝氏体，马氏体加残余奥氏体。,当试样中含有大量高碳聚集度的残余奥氏体时,可获得最佳的温冲延伸凸缘性,残余奥氏体中碳的聚集度越高则钢板的温冲性能越好,TRIP钢的主要性能特点,1、残余奥氏体的形成,在双相区退火过程中,渗碳体分解,碳元素向形成的奥氏体中聚集，但这时形成的奥氏体碳含量太低，还不能使奥氏体稳定的存在于室温下；在贝氏体等温过程中，由于材料化学成分中添加了不易溶于渗碳体的硅、铝等元素,碳含量进一步向奥氏体中聚集，最终使奥氏体具有足够的稳定性而存在于组织中。,冷轧TRIP钢中多相组织的形成和碳元素演变过程,Trip钢性能,组织对TRIP效应的影响,2、奥氏体晶粒度与形状的影响,晶粒度越大，在贝氏体板条束间残留的奥氏体晶粒增大,奥氏体稳定性下降并在随后的冷却过程中趋向于转变成下贝氏体或马氏体,或者室温时处于亚稳态 但强度和塑性与奥氏体晶粒度并没有绝对的对应关系,这可能与贝氏体和铁素体的晶粒尺寸、残余奥氏体的分布状态及贝氏体、马氏体对残余奥氏体的约束作用等有关。 当残余奥氏体在贝氏体亚单元间呈现薄膜状而不是在贝氏体铁素体束间呈块状时它的延伸性最好,块状的残余奥氏体容易在很小的应变下就转变为马氏体,因此对TRIP效应贡献不大。,奥氏体,Trip钢性能,铁素体,铁素体比贝氏体软，延性较好，易吸收残余奥氏体向马氏体转变引起的体积膨胀，因而对TRIP效应具有辅助作用。 铁素体是形变热处理中最先形成的组织,它直接影响最终组织中残余奥氏体的成分和形貌,因而影响残余奥氏体TRIP效应的发挥。 铁素体晶粒大小则受母相奥氏体晶粒尺寸及形变热处理工艺的影响。 合适的铁素体量及大量的残余奥氏体是使钢获得良好塑性的前提条件。 在铁素体基体中引入高密度的位错有利于增加应变硬化率,提高强度。,Trip钢性能,贝氏体铁素体的无扩散转变条件示意图,贝氏体转变时，铁素体是通过马氏体转变机制形成的。从热力学角度讲，如果是无扩散的转变，必须满足生成相的自由能低于转变相的自由能，即，如上图所示，横轴代表浓度，纵轴为自由能。只有满足浓度位于左侧时才能发生无扩散转变,贝氏体,铁素体和残余奥氏体主要对塑性有影响，而贝氏体主要对强度有影响。 奥氏体的变形不仅影响贝氏体铁素体晶粒的形状和大小,而且对贝氏体铁素体板条束的晶体学取向有影响。,Trip钢性能,合金元素对TRIP效应的影响,铝能显著提高抗拉强度和延伸率,抗拉强度和延伸率分别达940MPa和30%。 含钼TRIP钢板的抗拉强度高达1020MPa,而延伸率有所降低，铝比钼对显微组织的影响作用大。 铝、钼、铌共同存在时对贝氏体、马氏体及残余奥氏体在铁素体基体中的分布及形貌的复合作用比它们单独存在时的作用强。 硅和锰元素影响残余奥氏体含量和相变转化率。 磷可以用来减小硅在TRIP钢中的聚集而不影响钢的力学性能。 含铜的TRIP钢抗拉强度可达I000MPa,延伸率为20%,显著提高了性能,Trip钢性能,热处理对TRIP效应的影响,等温处理对TRIP效应也有重要影响，当TRIP钢等温处理的温度和时间不同,残余奥氏体的含量和力学性能也不同,等温时间延长,会使残余奥氏体的含量明显减少,随之力学性能也会降低,等温时间为3一smin时,残余奥氏体的含量最高,工件的力学性能也最佳“等温温度为Ms+(20一30e)时可得到最高含量的残余奥氏体和最佳的力学性能。,Trip钢性能,残余奥氏体相变产生的TRIP效应决定了TRIP钢的瞬时n值特征，不同化学成分、热处理工艺参数下试样的瞬时n值特征都取决于残余奥氏体的力学稳定性；研究TRIP钢性能特点时，不仅要考虑残余奥氏体的含量,更为重要的是要考虑残余奥氏体的稳定性。,TRIP效应对瞬时n值的影响,0.05P钢在不同贝氏体等温温度下保温60s时的瞬时n值和残余奥氏体的稳定性,Trip钢性能,TRIP效应对瞬时n值的影响,0.05P钢在400保温605和1505时的瞬时n值和残余奥氏体的稳定性,Trip钢性能,残余奥氏体稳定性的影响因素,Trip钢性能,1、化学成分 主要是残余奥氏体的碳含量，残余奥氏体的碳含量能够降低Ms温度从而提高它的稳定性，为得到良好的TRIP效应保证材料的力学性能，残余奥氏体的碳含量必须在一定的范围内,通常在0.5%一1.8%之间。,2、残余奥氏体的晶粒尺寸大小 影响其稳定性的原因，减小残余奥氏体晶粒尺寸是提高稳定性的至关重要因素，为获得良好的TRIP效应,残余奥氏体晶粒尺寸应在0.01um一1um之间。,