（光学工程专业论文）汽车用高强度trip钢变形力学性能宏微观研究.pdf

a s t u d yo nm a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f t r i ph i g hs t r e n g t hs t e e lf o rv e h i c l e s b y z e n gy u z h u o b e ( s i c h u a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n v e h i c l ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ig u a n g y a o d e c e m b e r ，2 0 1 0 i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 辄科 日期：沙几年z 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加必年2 月f 日 日期：汐加年iz 月f 日 ； ，f t j 一 汽车用高强度t r i p 钢变形力学性能宏微观研究 摘要 随着汽车轻量化步伐的加快，汽车一方面需要减轻重量以减小对环境的污染， 另一方面需要确保安全性。具有相变诱发塑性( t r i p ，t r a n s f o r mi n d u c e dp l a s t i c i t y ) 效应的t r i p 钢板作为新型的高强度钢板，同时具有高强度和良好的塑性，是汽车 轻量化的理想材料。t r i p 钢在室温下的显微组织主要是铁素体、贝氏体和残余奥 氏体构成。其中残余奥氏体稳定性较差，在一定塑性变形下，会向较稳定的马氏 体转变。生成的马氏体硬化性能比相变前的奥氏体有较大提高，从而改善了材料 的塑性。可是，t r i p 钢的这种相变诱发塑性特性，同时也带来了性能不稳定等问 题，影响了t r i p 钢在汽车中的大规模应用。因此，这种新型汽车用钢力学成形性 能和微观相变规律的研究，对于推广t r i p 钢板的工程应用，缩短新产品的开发周 期有着重要的实际意义。 本文以宝钢生产的t r i p 高强钢板为研究对象，通过静态单向拉伸试验、冲压 成形试验、微观扫描电镜实验和x 射线衍射实验，研究了t r i p 高强钢板的宏观力 学性能和微观组织变化规律，基于j o h n s o n c o o k 模型，建立了相关材料本构方程， 并应用于单向拉伸的数值模拟。主要研究内容如下： 1 通过准静态拉伸，在拉断及预应变为5 ，1 0 ，1 5 三种条件，不同拉伸 速率为0 5 m m s ，0 0 5 m m s ，0 0 0 5 m m s 的情况下，得到高强度钢板t r i p 5 9 0 、 t r i p 7 8 0 的材料力学性能参数及应力应变由线。 2 利用特征模具进行冲压试验，在考虑压边力、坯料形状和截面回弹情况下， 研究t r i p 钢的冲压成形性能。 3 通过对t r i p 高强钢的扫描电镜分析实验，了解其微观组织结构及在不同预 应变下各组织变化情况；通过x 射线衍射实验得到不同变形条件的残余奥氏体体 积含量；研究了应变与残余奥氏体相变的关系，t r i p 钢预应变和组织转变的关系。 4 研究适合t r i p 钢的本构模型，建立相关的本构方程。并用数值仿真验证所 建立的本构方程。 关键词：t r i p 钢；相变诱发塑性：残余奥氏体；预应变 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y ，i ti sd e m a n d i n gt ot a k em e a s u r e s i nl i g h tw e i g h t o no n es i d e ，r e d u c i n gw e i g h tm a ya l l e v i a t ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ； o nt h eo t h e rs i d e ，s a f e t ym u s tb ee n s u r e d a sak i n do fn e ws t e e l s ，t r i ps t e e li s f a m o u sb yt h ee f f e c to ft r a n s f o r m a t i o n i n d u c e dp l a s t i c i t ya n dt h ev i r t u e so fh i g h s t r e n g t ha n dh i g hd u c t i l i t y ，w h i c hm a k e st h e mt h ei d e a l i s t i cm a t e r i a l sf o ra u t ob o d y l i g h tw e i g h t i n u s u a l l y ，t r i ps t e e lh a sam u l t i p h a s em i c r o s t r u c t u r eu n d e rr o o m t e m p e r a t u r e ，w h i c hc o n s i s t so ff e r r i t e ( f ) ，b a i n i t e ( b ) a n dr e t a i n e da u s t e n i t e ( a r ) t h e r e t a i n e da u s t e n i t ei su n s t a b l e ，a n dw i l lt r a n s f o r mi n t om a r t e n s i t eu n d e rc e r t a i np l a s t i c d e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s t h en e w - b o r nm a r t e n i t eh a sab e t t e rh a r d e n i n gp r o p e r t y c o m p a r i n gt ot h ef o r m e ra u s t e n i t e ，w h i c hi n c r e a s e st h ed e f o r m a t i o nc a p a b i l i t ya n d c o n t r i b u t e st op l a s t i c i t yp r o p e r t yo ft h em a t e r i a l b u t ，t h et r a n s f o r m a t i o n - i n d u c e d p l a s t i c i t ye f e e te n d o w st r i ps t e e l sw i t hb o t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds o m e d i s a d v a n t a g e s ，w h i c ha f f e c t sa n dh i n d e r st h e i rw i d ea p p l i c a t i o nt oa u t o m o t i v e i ti s s i g n i f i c a n tt oe x t e n dt h eu s ef i e l da n dp r o p o r t i o na n ds h o r t e nt h et i m eo fn e wp r o d u c t d e s i g ni ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dp h a s et r a n s f o r m a t i o na r es t u d i e dd e e p l y t h i st h e s i sf o c u s e do nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et r i ps t e e lp r o d u c e db y b a o s h a ns t e e lc o m p a n y e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb a s e do nb o t hm a c r o s c o p i c a n dm i c r o s c o p i cm e t h o d s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft r i ps t e e lw e r es t u d i e d t h r o u g ht h es t u d yo nt e n s i l et e s t s ，m i e r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o nw i t hs e m ，a n dx r d m e a s u r e m e n t am a t e r i a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o nw h i c hb a s e do nj o h n s o n - c o o km o d e l w a sd e v e l o p e da n di n t r o d u c e di n t ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h et h e s i si n c l u d e s f o l l o w i n g ： 1 t h es t a t i cu n i a x i a lt e n s i l ee x p e r i m e n tu n d e rt h r e ed i f f e r e n tt e n s i l es p e e d s ( 0 5 m m s ，0 0 5 m m s ，o 0 0 5 m m s ) a n dt h r e ed i f f e r e n tp r e s t r a i n ( 5 ，10 ，15 ) w e r e c a r r i e do u t ，t h e nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r e s s s t r a i nc u r v e su n d e rv a r i o u s c o n d i t i o nw e r eo b t a i n e d 2 t h es h e e tf o r m i n gp r o p e r t yo ft r i ps t e e lw e r es t u d i e db yu s i n gd i e ，w h i c h t a k eb i n d e rh o l df o r c e 、s h e e ts h a p e 、s p r i n g b a c ki n t oa c c o u n t 3 t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h em i c r o s t r u c t u r ew i t hs e m ，t h et r a n s f o r mi n d u c e d p l a s t i c i t ye f f e c tw a si n v e s t i g a t e d t h e n ，t h r o u g ht h ex r de x p e r i m e n t ，t h em a j o r f a c t o r sw h i c hh a v ei m p a c t so nt h et r a n s f o r m a t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t ew e r es t u d i e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i na n dv o l u m eo fr e t a i n e da u s t e n i t ew a sd i s c u s s e d i i i 汽车用高强度t r i p 钢变形力学性能宏微观研究 4 j o h n s o n c o o km o d e lw a se m p l o y e dt od e s c r i b e t h eb e h a v i o ro ft h et r i ps t e e l t h e n ，t h ec o n s t i t u t i v em o d e lw a sv e r i f i e db ys i m u l a t i o no ft h eu n i a x i a lt e n s i l e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：t r i ps t e e l ；t r a n s f o r m a t i o n - i n d u c e dp l a s t i c i t y ；r e t a i n e da u s t e n i t e ； p r e s t r a i n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书。i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 研究意义及研究背景1 1 2 汽车用高强度钢板介绍3 1 2 1 汽车用钢板的分类及特点3 1 2 2 高强度钢板在汽车上的应用4 1 3t r i p 钢的特点及研究现状5 1 3 1t r i p 钢特点及其机理5 1 3 2t r i p 刚强度钢板研究热点8 1 3 3t r i p 钢的研究现状8 1 4 研究意义和内容1 2 第二章t r i p 钢变形行为的宏观研究1 4 2 1 引言一1 4 2 2 拉伸试验及t r i p 钢拉伸力学性能研究1 4 2 2 1 拉伸试验过程1 4 2 2 2t r i p 钢拉伸力学性能分析1 6 2 2 3 拉伸速率对t r i p 钢力学性能影响1 7 2 2 4 预应变对t r i p 钢力学性能影响1 9 2 3t r i p 钢冲压成形性能研究2 2 2 3 1 冲压成形试验2 2 2 3 2t r i p 钢成形性能分析2 4 2 4 本章小结2 8 第三章t r i p 钢变形行为的微观研究3 0 3 1 引言3 0 3 2t r i p 钢相变诱发塑性机理3 0 3 3x 射线衍射实验3 1 3 3 1 实验过程3 1 3 3 2 单向拉伸中t r i p 钢残余奥氏体的体积含量随应力应变的变化3 2 v 汽车用高强度t r i p 钢变形力学性能宏微观研究 3 3 3 预应变对t r i p 钢残余奥氏体体积含量变化影响3 4 3 4 扫描电镜实验观察3 6 3 4 1 实验过程3 6 3 4 2 不同应变状态下t r i p 钢组织变化3 7 3 5 影响t r i p 钢力学性能的微观因素3 9 3 5 1t r i p 效应对拉伸强度和塑性影响3 9 3 5 2 残余奥氏体对拉伸性能的影响3 9 3 6 本章小结4 0 第四章t r i p 钢本构方程研究及有限元仿真_ 4 1 4 1 引言4 1 4 2 弹塑性本构理论4 1 4 2 1 各向同性弹性本构关系4 1 4 2 2 经典弹塑性本构关系4 1 4 3 高强钢常用本构模型4 6 4 3 1j o h n s o n c o o k 本构模型4 6 4 3 2z e r r i l l i a r m s t r o n g 本构模型4 7 4 3 3k h a n h u a n g 本构模型4 8 4 4 基于j o h n s o n c o o k 模型的t r i p 钢本构方程4 8 4 5t r i p 钢本构方程的验证4 9 4 6 本章小结51 结论5 2 参考文献5 4 致谢5 9 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 v i 硕士学位论文 1 1 研究意义及研究背景 第一章绪论 近年来，随着汽车工业的飞速发展，汽车开始大规模地走进了人类社会，成 为人类的首要代步工具。汽车工业是国民经济的支柱产业，极大的影响着技术进 步和社会现代化进程。2 0 0 0 年后，中国汽车工业出现高速增长，截至至i 2 0 0 9 年， 我国已经成为世界第一大汽车消费国【l 】。随着汽车工业的迅猛发展，汽车作为日 常的交通工具在给人们带来便捷的同时，也成为产生n o x 、c 0 2 和噪音的主要污 染源。其随之而来的环境和能源问题也日益受到各国政府和广大民众的重视。节 能、降低排放和提高安全性成为新世纪汽车工业面临的3 大问题。随着人们环境保 护意识的日益增强，对现代汽车结构性能和技术的要求越来越高，极大地推动了 车身轻量化进程。而减轻车重的主要途径之一就是使用轻量化材料。 汽车轻量化，也就是在技术允许的条件下，即保证安全性等前提下，采用尽 量多的低密度材料。如铝合金和镁合金甚至塑料，替代原来使用的钢铁，可大幅 度降低车的自身质量，或者采用大量的高强度钢板及空心结构件。近年来( 如图 1 1 ) ，铝、镁合金以及碳素纤维等轻量化材料越来越多用于车身 2 - 3 】。但这些材料 具有一些目前无法克服的缺点如焊接性能差冲压成形性不好而且原材料成本和技 术成本均较高等这些因素决定了在目前乃至今后较长一段时间内铝、镁合金等材 料不能完全替代钢板在汽车中的使用，钢板仍是汽车用主要材料。为此汽车用材 料向高强度钢板方向发展已成为不可逆转的趋势。 汽车材料发展是汽车工业发展的重要一环，据德国联邦统计局统计数字【4 】显 示生产一辆汽车的费用为原材料占5 3 、制造占3 0 、设计开发为5 、其它占1 2 。 由此可见原材料之重要，而汽车用钢占汽车原材料的7 0 左右，钢材中用量最大 的是薄板，一辆轿车约使用薄钢板6 0 0 8 0 0 k g ，薄板成型件5 0 0 6 0 0 件。减重、节 能、防腐、防污染和安全舒适是现代汽车的发展趋势。 为适应这一发展的需要对汽车用钢板提出了新的要求，其中包括【5 】： 1 优良的成型性能即高的塑性应变比值r ，高的均匀延伸率6 u ，高的总延伸率 6 。低的屈服强度，低的时效指数a i 和低的屈服伸长，只有具备以上性能的钢板 才能够用于冲制复杂的汽车覆盖件。 2 良好的抗凹陷能力和足够的结构刚度，以避免在制造和使用中产生凹陷， 特别是在突发的冲撞事故中能最大限度地吸收能量，保护驾驶员的安全。 、；， _一r j 汽车用高强度t r i p 钢变形力学性能宏微观研究 3 良好的焊接性能，保证零件有效地连接及焊点和焊点周边区域的强度和性 能不发生突变。 4 优良的表面形貌和光洁度，良好的喷涂性能和对油漆镀层的附着能力，高 的耐腐蚀性能。 1 9 3 4 年在美国出现了低合金高强度钢的名称即h s l a 。从强化机制来看，低 合金高强度钢先后经历了固溶强化为主，沉淀强化为主，显微组织强化为主，利 用各种强化机制的综合强化，以及最近发展的复合材料强化等发展阶段。传统的 低合金高强度钢一直难以解决强度与塑性的矛盾。 c o m o a d s o no fc o n v e n t i o n a ls t e e ia n d a h s sf o rb o d y - i n - w h i t ea p p u c a u o n l i 鼎t 4 0 2 0 b a s e l i n ef o rc o n v e n t i o n a ls t e e l 之竺鬣嚣雕焉蒸蒸蒸 c o m p a r i s o no fa h s sa n da l u m i n u m f o rb o d y - i n - w h i t ea p p l i c a t i o n 8 i wv e l l i c l ef u e ll c ag h gb i w b i wv e h k ：l ef u e li c ag h gb l w m a s sm a s sc o n s u m p = ne m l s s k 糙c o s tm a s sm a s sl 加鼠耵晰e m 函蜘c o s t 图1 1 普通车用钢和高强钢以及高强钢和铝合金对比【5 】 相变诱发塑性( t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e dp l a s t i c i t y ，简称t r i p ) 钢正是在此背景 下开发、研制的低碳低合金高强度钢。t r i p 钢是在双相钢的基础上进一步发展而 来的，这种钢的一大特点是强度升高塑性并不降低。t r i p 钢的出现无疑是汽车用 钢的一大进步，这种新材料利用相变诱发塑性原理，其中的残余奥氏体向马氏体 转变诱发塑性；同时马氏体的生成又起到相变强化的作用，再加上加工硬化效果， 使这种钢具有低的屈服强度、高的硬化率及高延伸率高的成型后强度等特点。 t r i p 钢作为一种具有相变诱发塑性特点的新型高强度钢板，具有较高的强度 和较好的塑性【6 9 】，是极具减重潜力的汽车用钢板。但目前车身零件使用t r i p 钢 板的还不多，这主要是因为t r i p 钢板作为一种新型材料，人们对它的认识还不够 清楚，与其成形及应用相关的理论还不成熟，影响和阻碍了t r i p 钢在汽车中的应 用。因此，t r i p 钢的研制与开发有着诱人的前景，其强度塑性与传统汽车用钢及 双相钢相比优势十分明显。可是，相变诱发塑性赋予t r i p 钢良好力学性能的同时， 一些新的问题应运而生，如t r i p 钢板的成形性及其他力学性能对残余奥氏体相变 的过分依赖，而相变本身就是一个难以控制的因素，因此t r i p 钢成形性稳定性较 差，这种不稳定严重阻碍了t r i p 钢板的推广和使用。另一方面，现有的板料冲压 成形理论都是建立在不存在相变行为前提下，成功应用于传统低碳钢的塑性理论， 但并不完全适用于t r i p 钢塑性行为。 总之，深入地研究和使用t r i p 钢可使得：汽车轻量化，节约能源；进一步提 高安全性能，抗凹性增强；由于其高强度高塑性，车身设计方面将更灵活；推动 硕士学位论文 暑詈暑詈暑詈詈詈詈暑鲁鲁詈昌詈皇鲁穹皇暑罨昌鲁鲁皇皇皇鲁皇喜詈詈暑皇暑暑詈鲁曙宣鼍昌詈昌皇詈暑皇皇昌= 鲁詈詈詈詈= ! ! ! = = = 暑暑暑暑暑暑鲁鲁暑皇盲暑暑昌鲁詈皇詈詈暑昌穹詈暑暑詈穹蓦皇詈暑皇霉皇暑昌皇鲁毫詈皇鼍葛皇詈暑暑夸 国产t r i p 钢板的应用；指导模具与工艺设计提高车身质量等。 1 2 汽车用高强度钢板介绍 1 2 1 汽车用钢板的分类及特点 汽车用钢有多种分类方法【l 们。一种分类是根据钢种划分，也就是按钢组织划 分。根据国际上对高强钢汽车板的研究，把屈服强度在2 1 0 , - 一5 5 0 m p a 范围内的钢 板称为高强度钢板( h s s ) ，屈服强度大于5 5 0 m p a 的钢板称为超高强度钢 ( d h s s ) ，而先进高强度钢( a h s s ) 的屈服强度包含了h s s 和d h s s 的强度范围。 二种分类是根据强化机理的不同又把高强度钢板分为普通高强度钢板和先进高强 度钢板。常用的钢包括低强度钢( 包括i f 钢，软钢) ，传统高强度钢( h s s 钢，包 括c m 、h s l a 、b h 、h s s i f 钢等) ，和新型先进高强度钢( 包括：双相钢( d p ) 、 相变诱导塑性钢( t r i p ) 、复相钢( c p ) 和马氏体钢( m ) 。更高强度钢包括f b 、 t i p 、n a n o 、热成形钢和成形后热处理用钢等。第三种分类方法是根据钢板的机 械性能或成形性能划分的，如延伸率、抗拉强度、硬化系数n 等。如图1 2 ，是一 个各类钢的延伸率与成形性的关系分布图【4 】。图中显示了不同钢种所覆盖的大致 强度等级。 传统的高强度钢h s s 与先进高强度钢a h s s 的根本区别在于微观结构。h s s 微 观结构主要是单相铁素体，a h s s 包括铁素体、马氏体、贝氏体，或残余奥氏体。 这些含量不同导致钢板有一些不同的特性，如一些a h s s 钢比h s s 钢具有较高的应 变强化能力，一些a h s s 钢有超高的屈服应力和抗拉强度，高的碰撞吸能性、高 的疲劳强度、高的成形性和低平面各向异性等优点，并具有热烘烤强化特性。 ? ；矗l o 赫谳膦“1 一 露凝 力飞jli 一； l 圾攀 熏：篓b 湖阉赫； n 毪髓磁渤? 龟 l 2 0 0 5 0 08 0 0 1 1 0 01 4 0 01 7 0 0 t e n s i l es t r e n g t hl m p a 图1 2 各类高强度钢的伸长率和抗拉强度关系分布图 3 孤 驰 硒 伯 。 一景一co-曩露col毗一曩苫卜 国外汽车工业的规模化 平的国际超轻车身项目 明，先进高强度钢板的 组织( u l t r al i g h ts t e e l 车身已全部由高强钢构 成。通过使用高强度钢，实现了白车身的重量减轻了2 0 ，制造成本节约了1 0 。 同时，该设计还实现了更好的安全性和舒适性。这一设计项目的完成，表明了新 的设计、更好的制造技术和高强度钢的使用可以有效地抵抗轻金属在车身材料上 的竞争【1 1 1 。以通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司为代表的北美汽车用高强度钢 板表现出同样的发展趋势，预计2 0 1 0 年后北美汽车用钢板将更新换代，目前以i f 钢为主的软钢系列将被高强度钢板系列替代，高强度低合金钢将被双相钢和超高 强度钢板替代。 图1 3 宝马x 6 轿车白车身的材料应用情况( 屈服强度) 在日本，车身零件实际应用高强度钢板始于2 0 世纪7 0 年代。二次石油危机后， 高强度钢板的使用率越来越高，最早应用于车身外表件，然后才用到内部零件和结 构件。目前，日本悬架件结构和支撑件的强度已达8 0 0 1 0 0 0 m p a 。抗拉强度4 1 0 m p a 的高强度钢板多用于内部件。日本n k k 公司开发了汽车外壳用4 5 k g 级高强度钢板， 已在新车型上采用。该钢种通过钢结晶微细化获得高强度的。日本川崎制钢公司 最近开发了t s 9 8 0 m p a 级高强度钢板c h l y 9 8 0 。该公司对提高伸长率的金相组织 进行了研究。通过优化钢的成分、热轧和退火工艺，生产出硬质低温相变组织为第 4 硕士学位论文 二相、铁素体为主相的复合组织钢板，目前已应用于挡泥板、冲击梁等要求高冲击 安全性的零件i l2 1 。 韩国浦项钢铁公司将批量生产新研制成功的轻量化汽车钢板。先在钢中加入 n b 提高其屈服强度，并加工成8 0 k g 级热轧钢材t r i p 钢。再将该钢材加工成冷轧板 后，其成型性很好，可以加工成具有复杂形状的汽车部件。瑞典s s a b 钢板有限公司 开发出铁素体+ 马氏体组织的特高强度冷轧薄钢板，其屈服强度达到7 0 0 m p a 。 中国国内，上世纪8 0 年代，重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽、奇 瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。奇瑞汽车公司与 宝钢合作，2 0 0 1 年在试制样车上使用的高强度钢用量为2 6 2k g ，占车身钢板用量 的4 6 ，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。吉利车身也大量采用了高强 度钢和激光拼焊、液压成形等技术，其中吉利金刚4 8 个零件改用高强度钢。同时 在新开发车型中，高强度钢在车身中的质量已占3 0 以上，至t j 2 0 0 9 年已超过5 0 。 据悉，吉利汽车目前已经实现了汽车减重1 0 1 4 的初期目标，2 0 0 8 年吉利汽车 轻量化的目标是1 3 1 6 。东风汽车公司在减轻东风商用汽车自重、提高有效载 货量方面已经取得了一定成果。2 0 0 8 年1 月初，由中国汽车工程学会、中国第一汽 车集团公司、东风汽车有限公司、吉林大学、宝山钢铁股份有限公司等1 2 家相关 企业及科研机构共同组成了产、学、研一体的汽车轻量化联盟。联盟将围绕汽车 轻量化共性关键技术开展攻关，在2 0 0 8 年至u 2 0 1 0 年之间完成设计新型轻量化材料、 轻量化材料先进成形技术等3 个专题共1 0 个课题的工作，实现轿车减轻自重 8 l o 的目标【1 3 1 。 汽车工业共性关键核心技术的缺失，是制约我国汽车创新发展的瓶颈。轻量 化技术是一项基础的共性技术，汽车轻量化技术创新战略联盟的出现，对于提升 我国汽车行业的自主研发能力和国际竞争力，有着里程碑式的重要意义。 1 3t r i p 钢的特点及研究现状 1 3 1t r i p 钢特点及其机理 t r i p ( t r a n s f o r mi n d u c e dp l a s t i c i t y ) 钢板称作相变诱发塑性钢，在室温下的显 微组织主要由铁素体、贝氏体和残余奥氏体构成。这种残余奥氏体由于含碳量较 高，稳定性较差，在一定的塑性变形量下，就会向较稳定的马氏体转变。生成的 马氏体的硬化性能比相变前的奥氏体有较大的提高，增加了材料的均匀变形能力， 由此带来了材料塑性的提高。如图1 4 所示，为t r i p 钢多相结构的示意图。 汽车用高强度t r i p 钢变形力学性能宏微观研究 铗素体 马氏体 员氏体 残余奥氏体 图1 4t r i p 钢金相组织示意图 t r i p 钢在应力、应变作用下可以促进钢中的相变发生，即变形诱发相变，而 相变又可以诱发塑性，使钢的塑性大大提高。这种现象称相变诱发塑性，简称t r i p 效应【1 4 1 。 以拉伸试验为例，t r i p 钢的t r i p 效应可以解释为： 1 拉伸变形时变形最大的部位首先诱发马氏体相变，使局部强度促进高，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。 2 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，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。 3 残余奥氏体与外加应力呈共格关系，因此宏观效应表现为伸长率的提高， 特别是均匀延伸率的提高。可以看出，生产这种高强韧结构材料就是充分发挥钢 中残余奥氏体发马氏体相变这一内在因素的作用，从而得到良好的强韧化效果。 马氏体发生相变时温度和g i b b s 自由能的关系如图1 5 【l5 j 示。m s 点为材料由奥 氏体区域以一定的冷却速度冷却时开始发生马氏体相变的温度，该温度下奥氏体 和马氏体两相自由能的差值对应着无外加载荷条件下马氏体转变的最小化学驱动 力肿。m s 点温度以上，在应力和塑性变形作用下也会诱发奥氏体向马氏体转 变，即当化学驱动力g 阳和机械驱动力g 删之和超过最小化学驱动力朋 时，马氏体相变将会发生。其中，化学驱动力g 晌由奥氏体和马氏体两相自由 能差值决定，机械驱动力g 黝则由应力和塑性变形提供能量。由图1 5 可见，化 学驱动力随温度的升高而降低，即奥氏体和马氏体两相自由能的差值随温度升高 而减小。当温度在m s 点时，化学驱动力刚好等于埘，因此在m s 温度以下，无 需机械驱动力马氏体即可形核。而温度高于m s 时，则需要额外的机械驱动力来诱 发马氏体形核。并且温度越高，所需机械驱动力越大。形变诱发马氏体相变的最 高温度记作m d 点，该温度下化学驱动力太小，即使应力很高也不会形核 1 5 - 1 6 1 。 6 硕士学位论文 。 麓 瘟 积 鬟 悟 枢 沮度t 图1 5 马氏体相变时自由能与温度关系示意图 图1 6 马氏体转变时临界应力与温度的关系 t r i p 钢的相变诱发塑性效应原理可借助图1 6 来解释【1 5 17 1 。金属材料的相变 超塑性可以分为扩散型与非扩散型，t r i p 现象属于非扩散型，徐祖耀在这方面有 大量研究【l n l 9 j 。钢中，非扩散型超塑性一般发生在9 5 0 0 c 至马氏体转变温度范围 内。若在冷却的同时对钢施加载荷非扩散型超塑性也可以出现在马氏体转变温度 m s ，以下的温度范围，此温度的上限记作m d 点。在m s m d 之间，诱发马氏体相变 需要外加应力。应力协助形核线开始于m s 点，然后随温度线性升高。在m s 仃点， 应力达到奥氏体的屈服强度时就会开始形核，这是由于当奥氏体通过滑移开始屈 7 汽车用高强度t r i p 钢变形力学性能宏微观研究 服时，会产生新的位错排列，即产生新的形核位置。温度高于m s 7 时的形核称为 应变诱发形核。随着温度的升高，化学驱动力越来越小，应变诱发形核所需的应 力也随之增加，且将位于奥氏体的屈服应力线之上。在t l 温度下，奥氏体屈服应 力为吒，应变诱发形核所需要的应力为，而协助形核所需要的应力为吒。显然 应变诱发形核所需的应力小于应力协助形核所需的应力，这种马氏体相变临界应 力降低以吼，在宏观上就表现为塑性的提高。 1 3 2t r i p 刚强度钢板研究热点 t r i p 钢是近年来高强钢研究的热点，国内夕卜相关的研究已进行了很深入，主 要由各大钢铁企业，汽车生产企业和与其合作的科研机构和高校完成。国内外学 者从不同层次不同角度，对t r i p 钢的制备，成分设计，力学性能，成形性能等 进行了诸多研究，并取得了一定成果。 t r i p 高强度钢板研究热点领域多集中在：( 1 ) 合金元素对t r i p 钢微观组织、 力学性能、t r i p 效应的影响；或者是t r i p 钢冷* l i 热轧后的热处理工艺；( 2 ) 在残 余奥氏体的相变塑性行为方面，主要是针对奥氏体不锈钢进行的；( 3 ) 在残余奥氏 体的稳定性与材料宏观力学性能的关系等领域，主要集中在单向拉伸、双向拉伸 和平面应变等形变状态下；( 4 ) 对于t r i p 高强度钢材料本构模型上，主要在 o l s o n c o h e n 相变动力学模型( o c 模型) 和s t r i n f e l l o w 的考虑应力状态的s 模型基 础上，演变发展的，t r i p 钢是一种微观组织较复杂的多相材料，对于t r i p 钢宏微 观本构模型的研究，决定了有限元仿真精度和准确度与否，是材料研究的热点， 更是重点中的重点；( 5 ) 考虑t r i p 效应影响的t r i p 钢钢板成形性能评价方法，影 响t r i p 钢广泛应用的因素之一就是缺乏对t r i p 钢成形性能的深入研究，t r i p 效 应对各种成形性能指标的影响是指导完善t r i p 钢成形工艺的重要研究方面；( 6 ) 关于t r i p 效应对冲压工艺条件相关的研究，阐明冲压过程中t r i p 效应最优发挥条 件，可以利用t r i p 效应来提高t r i p 钢的成形性能和抑制回弹，从而达至i j t r i p 钢成 形的控形和控性的目的。 1 3 3t r i p 钢的研究现状 进入2 0 世纪9 0 年代，汽车工业对高强度、高塑性和高成形性的钢板的需求进 一步增加，美国、日本、德国等国家先后采用热连轧生产线或冷轧连续退火生产 线生产出大量的t r i p 钢板，并进一步开发出不同品种、不同规格的t r i p 钢。 针对t r i p 钢的研究是多方面的，包括制备，成分设计，材料本构，力学成形 性能等。考虑本文的研究范围，主要针对t r i p 钢的力学性能，以及影响t r i p 钢 力学性能的因素进行了大量的学习和研究。所以，主要介绍在此方面国内外的研 究现状。 硕士学位论文 1 ) 残余奥氏体相变诱发塑性研究 t r i p 钢的力学性能决定于其相变诱发塑性效应的发挥，而相变诱发塑性效应 实质上是微观的残余奥氏体向马氏体转变的宏观表象，马氏体越多，t r i p 效应越 强，也就是说参与相变的残余奥氏体越多，t r i p 效应就越显著。t r i p 钢中，马氏 体转变不仅与初始的残余奥氏体体积有关，而且取决于残余奥氏体自身的稳定性， 即在深加工变形过程中残余奥氏体向马氏体转变的趋势或能力。残余奥氏体自身 稳定性不仅受到残余奥氏体自身成分、体积、形貌、大小、存在状态等因素的影 响，而且与应变状态有密切的关系。 h a y a m i 等t 2 0 】发现t r i p 钢显微组织中残余奥氏体的稳定性与其t r i p 效应的发 挥有着重要的关系。在变形过程中，如果残余奥氏体稳定性差，就会在变形的起 始阶段过早完成转变，这样就无法起到推迟颈缩、延缓破裂的作用，即相变没有 达到诱发塑性的目的；相反，如果在显微裂纹即将萌生的阶段发生转变，便可有 效的推迟颈缩阶段的到来，使相变真正的改善了材料的塑性变形性能。 t o m i t a 等【2 l 】学者分析了具有相变诱发塑性效应的双相钢的硬化性能在变形过 程中的变化规律。 w a s i l k o w s k a 等人【2 2 1 分析了微观组织、变形历史以及变形条件如温度、应力状 态、应变速率对t r i p 钢力学性能的影响。与拉伸变形相比，在压缩变形过程中马 氏体相变速率较低以及马氏体的形核临界应力偏高。抗拉强度和总延伸率的大小 与预应变量成线性关系。 s u g i m o t o 等 2 3 】的研究表明，0 4 c 。1 5 s i 1 5 m nt r i p 钢在单向拉伸变形中残余 奥氏体体积含量随应变的变化关系如下： l o g 工= l o g 厶一k e ( 1 一1 ) 其中，k 是常数，k 值越小则残余奥氏体的力学稳定性越高。