（材料加工工程专业论文）含磷trip钢的组织和性能研究.pdf

上海大学硕士学位论文摘要 摘要 对于低碳低合金t r i p 钢，高的硅含量有利于获得良好的力学性能，但却 使其涂覆性能恶化。因此，t r i p 钢中硅替代元素的研究成为t r i p 钢研究的热 点之一。本文选取四种不同成分的低碳低硅含磷t r i p 钢，研究成分、组织与 力学性能的关系，残余奥氏体转变动力学，两相区奥氏体化动力学以及残余奥 氏体稳定性，得到如下的结论： 1 采用相图计算和差热分析( d s c ) 方法确定了四种不同成分低碳低硅含磷 t r i p 钢的两相区相变温度。分析了碳、铝元素对相变温度的影响。 2 对比研究了碳和铝对含磷t r i p 钢静态力学性能的影响，表明高的碳含量 有利于获得高的强度。铝元素的添加在不降低强度的同时，提高了t r i p 钢的 塑性。 3 采用彩色金相法、光学显微镜和扫描电镜观察和测试了试验钢的组织和 组织相对量，研究了组织和力学性能之间的关系。研究表明：对于试验钢，高 的残余奥氏体量，并不一定获得高的延伸率、强塑积。t r i p 钢的n 值主要由铁 素体和残余奥氏体总量决定，随着铁素体和残余奥氏体总量的增加，t r i p 钢的 1 1 值呈线性增加。 4 研究了四种t r i p 钢中残余奥氏体在静态拉伸过程中的转变动力学，发现 方程y = l - e x 可以表征残余奥氏体转变动力学，其中a 表征残余奥氏体随应 变发生转变的速率，a 越小，转变速率越慢。不同的热处理工艺可以改变a 值 的大小。研究发现，与残余奥氏体量相比较，a 值是影响试验钢性能的更重要 因素。 5 采用d s c 方法研究了试验钢在非等温条件下的奥氏体化动力学。通过计 算获得了奥氏体化动力学参数e 、n 、k o 值，以此预测了t r i p 钢两相区退火等 温时间与组织转变量的关系，用金相法对预测结果进行了验证，发现预测结果 与实测结果有较好的吻合。 6 采用d s c 方法研究了含磷不含铝t r i p 钢( l 3 7 4 ) 残余奥氏体的热稳定性。 t r i p 钢残余奥氏体热分解的d s c 曲线是一个放热峰，热分解温度范围为 上海大学硕士学位论文摘要 3 0 0 - 5 5 0 。经液氮低温处理，t r i p 钢中的残余奥氏体量无明显变化，其热分 解曲线的特征也不发生变化，表明t r i p 钢的残余奥氏体具有好的热稳定性。 关键词：相变诱发塑性钢，残余奥氏体，力学性能，差示扫描量热法( d s c ) ， 残余奥氏体转变动力学 上海大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f o rl o wc a r b o nl o wa l l o yt r i ps t e e l ，t h et f i 【g hs i l i c o nc o n t e n tc o u l di m p r o v et h e s t r e n g t ha n dd u e t i l i t yo ft r i ps t e e l ，h o w e v e ri tw o u l dr e s u l ti nad a m a g et ot h e c o a t i n ga b i l i t y i tw a sn e c e s s a r yt of i n do t h e ra l l o y i n gd e m e n t 鹊a na l t e r n a t i v ef o r s i l i c o n t h e r e f o r e ，t h er e l a t i o n s h i pa m o n gh e a tt r e a t m e n t ，m i e r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nl o wc a r b o nl o ws i l i c o nt r i ps t e e lc o n t a i n i n gp h o s p h o r u s w i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o nw a si n v e s t i g a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n m o r e o v e r , t h e r e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c s d u r i n g s t a t i ct e n s i l et e s t ，a u s t e n i t e t r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c sd u r i n gi n t e r e r i t i c a la n n e a l i n ga n dt h e r m a ls t a b i l i t yo f r e t a i n e d a n s t e n i t ew e r es t u d i e d t h em a i np o i n t so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 p h a s ed i a g r a mc a l c u l a t i o na n dd s ct e s tw e r eu s e dt oo b t a i nt h et r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e so ff o u rl o wc a r b o nl o ws i l i c o nt r i ps t e e l sw i t hd i f f e r e n tc h e m i c a l c o m p o s i t i o n t h ee f f e c t so fc a r b o na n da l u m i n i u mo nt h ed u a l - p h a s ez o n eo ft r i p s t e e l sw e r es t n d i e d 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o ni nf o u r t r i ps t e e l sw a ss t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h es t r e n g t ho ft e s tt r i ps t e e lw i t hh i g h e r c o n t e n to fc a r b o nw a sh i g h e rt h a nt h a to ft e s ts t e e lw i ml o w e rc a r b o na n dt h a tt h e a d d i t i o no fa l u m i n i u mi n c r e a s e dt h ee l o n g a t i o no ft e s tt r i ps t e e lw h i l en o t d e c r e a s i n gt h es t r e n g t l l t h ew o r k - h a r d e n i n gnv a l u eo ft e s tt r i ps t e e li n c r e a s e d w i t t li n c r e a s i n gt h et o t a lv o l u m ef r a c t i o no ff e r r i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t e 3 t i n te t c hm e t h o dw a su s e dt od i s t i n g u i s hd i f f e r e n tp h a s e si nt r i ps t e e l l i g h t m i c r o s c o p ea n ds e mw e r eu s e dt oo b s e r v et h em i c r o s t r u c t u r e t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nm i e r o s t m e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nt e s tt r i ps t e e lw a ss t u d i e d i t s h o w e dt h a tt h es a m p l ew i t l lh i g h e rv o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t ei nt e s t t r i ps t e e lw a s n tc o r r e s p o n d i n gt ot h a to fh i g h e re l o n g a t i o na n d h i g h e rp r o d u c to f s t r e n g t ha n de l o n g a t i o n 1 l i 上海大学硕士学位论文a b s t r a c t 4 t r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c so f r o a i n e da u s t e n i t ei nt c s tt r i ps t e e lw a ss t u d i e dd u r i n g s t a t i ct e n s i l et e s t t h ef u n c t i o ny = 1 - e xr q g r e s e n t e dt h er e t a i n e d 卸s t i t c t r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c s ，w h i l eat h ev e l o c i t yo ft r a n s f o r m a t i o n t h es m a l l e rt h ea v a l u e , t h es l o w e rt h ev e l o c i t y av a l u ew a sd i f f e r e n ta f t e rd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n s i tw a sf o u n dt h a tt h er e t a i n e da m t e n i t ek i n e t i c s ( av a l u e ) w a sam o r e e f f e c t i v ef a c t o rf o rt h ep r o d u c to fs t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo ft e s tt r i ps t e e li n c o m p a r i s o nw i t l li t sv o l u m ef r a c t i o n 5 n o n - i s o t h e r m a la u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c so ft e s tt r i ps t e e l sw a ss t u d i e d u s i n gk i s s i n g e r sm e t h o da n dj m ae q u a t i o nb a s e do nt h et e s tr e s u l to fd s c k i n e t i c p a r a m e t e r ss u c ha sa c t i v a t i o ne n e r g ya n dc o e f f i c i e n to fj m ak i n e t i ce q u a t i o nw e r e o b t a i n e da n da p p l i e dt oe s t i m a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a n s f o r m a t i o nv o l u m e f r a c t i o nw i t hi n t e r c r i t i c a la n n e a l i n gt i m e t h em e t a l l o g r a p h yo b s e r v a t i o ns h o w e d g o o dc o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ep r e d i c t i o na n dt h er e a l i t y 6 t h e r m a ls t a b i l i t yo fr e t a i n e da n s t e n i t ci nt e s tt r i ps t e e l ( l 3 7 4 ) c o n t a i n i n g p h o s p h o r u sw a ss t u d i e db yd s cm e t h o d t h ed e c o m p o s i t i o nc = i l r v ew a se x o t h e r m i c ， t h ed e c o m p o s i t i o nt a m p e r a t u r eo fr e t a i n e da n s t e n i t ei nt h et 髓t e dt r i ps t e e lw a si n t h er a n g eo f3 0 0 5 5 0 0 c t h ev o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da l l s t e n i t ea n dt h e r m a l d e c o m p o s i t i o nc u r v ed i d n tc h a n g ea f t e rl o wt e r n p e r a t u r et r e a t m e n t i nl i q u i d n i t r o g e n t h e r ee x i s t e de x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t yo f r c t a i n e da n s t e n i t ei nt r i ps t e e l k e y w o r d s ：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 ( t r i p ) s t e e l ，r e t a i n e da n s t e n i t e , m e c h a n i c a lp r o p e r t y , d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s o ，t r a n s f o r m a t i o n k i n c t i c so f r e t a i n e da n s t e n i t e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盐盔蟊导师签名：浓 日期：立悼 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展，绿色制造成为一个综合考虑资源、能源消耗和环境影响 的现代制造理念。在汽车制造业中，钢材是汽车生产的主要原材料，一般占汽 车生产所用材料的7 0 以上。采用薄规格超高强度汽车板减轻汽车自重，可有 效降低燃料消耗、减少废气排放、改善安全性，是现代汽车板重点发展趋势之 一。目前，发达国家高强度汽车板用量已达5 0 。由于强度提高通常会导致延 伸性下降，使钢板的冲压性和成形性变差，因此，汽车板技术努力的目标就是 研制出既有高强度同时塑性又相对良好的钢板【l 】。 目前，满足高强度和良好成形性的汽车板品种主要有两大类：一是以传统 软钢i f 钢为基础，通过合金化和烘烤硬化工艺生产的h s i f 钢( 高强度i f 钢) 和b h i f 钢( 烘烤硬化i f 钢) ，亦统称超低碳高强度钢，m 钢没有时效性，是 生产轿车用镀锌板的最佳基板；二是a h s s 钢，这类钢主要包括d p ( 双相钢) 、 c p ( 多相钢) 、t r i p 钢( 相变诱发塑性钢) 、m 钢( 马氏体钢) 。目前a h s s 钢 还没有明确的区分标准，一般指屈服强度 3 0 0 m p a ，抗拉强度 6 0 0 m p a 。除了 马氏体钢，a h s s 钢一般有加工硬化引起的好的成形性能。图1 1 列出了不同汽 车钢的力学性能范围【2 1 。从图中可以看出t r i p 钢同时具有高的强度，良好的塑 性以及高的动态能量吸收能力。 t m 轴s t m n l 帆m p a 图1 1 不同汽车用钢的力学性能比较 船罅辩静拈翦协伸5 萋_蕃一簟口；2u 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代z a c k a y 等人【3 1 在高n i 奥氏体不锈钢这类材料中发现的亚稳 奥氏体在m s - - m d 温度的形变诱导马氏体相变，使得延伸率和成形性大幅度提 高，即相变诱发塑性效应( 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 简称t r i p ) 。虽然 其中的n i 等高合金含量致使材料成本高、工艺复杂等局限了其使用，但它的 变形诱发奥氏体向马氏体的转变促使材料的塑性增长的原理仍受到了广泛的关 注。 几十年来，发达工业国家投入大量人力物力研制相变诱发塑性钢。日本是 最早研制成功低合金相变诱发塑性钢，投入工业化生产并应用到汽车工业上去 的国家。继日本后，各国相继开展了有关工作。目前，日本和欧洲的钢铁公司 已投入了t r i p 钢的批量生产，并与汽车公司联手将其应用于新型汽车的结构 件上。国内近几年虽然也对t r i p 钢板进行了一些实验研究，但与国外相比仍 有相当大的差距。 传统的t r i p 钢中m n 为1 5 ，s i 为1 5 ，属于高s it r i p 钢，静态 拉伸下，屈服强度 4 0 0 m p a ，抗拉强度 7 5 0 m p a ，断裂延伸率达到2 8 。但由 于高的s i 含量易生成氧化层，从而造成差的表面质量和附着力，因而影响镀锌 工艺。新一代的低合金t r i p 钢中，主要以合金元素部分代替s i 元素添加，抗 拉强度一般为5 0 0 1 0 0 0 m p a ，成形能力a 8 0 为2 0 , - - 4 0 ，可镀锌，并且在高应 变速率下具有高的动态能量吸收能力，可冲压成各种复杂形状的汽车结构件。 在汽车发生冲撞时，可有效吸收冲撞能，为提高汽车安全性提供了进一步地保 障。t r i p 钢在这些性能上是明显优于其他高强度钢的。在由全球主要钢铁集团 和汽车集团完成的“汽车轻量化用钢”项目中，推荐汽车制造厂使用的汽车钢 板的强度水平为5 0 0 1 0 0 0 m p a ，这与新一代t r i p 的性能相符合。因此，t r i p 钢是新一代最佳的高强度高韧性钢，利用其高强度和高延伸性能，高碰撞吸收 性能，可用于汽车中的保险杠、底盘，结构件及加强件，车门、罩壳等部件【2 】。 1 2t r i p 效应形成机理 t r i p 效应，即相变诱发塑性，是指钢在塑性变形过程时，其组织中残余奥 氏体向马氏体转变而引入相变强化和塑性增长【4 】。具体而言，t r 口效应是指含 2 上海大学硕士学位论文第一章绪论 有室温存在的亚稳奥氏体的钢变形时，位错累积产生的应变强化不足以弥补随 应力增加造成颈缩前，通过应变诱发奥氏体向马氏体的转变而引入相变强化和 塑性增长。奥氏体向马氏体的变形诱发转变一方面强化了应变区，使得均匀应 变区增加，同时微裂纹尖端附近的奥氏体向马氏体转变松弛了裂纹前端的应力 集中，达到钝化裂纹尖端、延缓裂纹扩展的目蒯5 1 。 图1 2 t 2 】显示出了低合金t r i p 钢中t r i p 效应机理。在变形过程中，残余奥 氏体转变成高强度的高碳马氏体，同时伴随着体积膨胀，因而抑制了塑变的不 稳定，增加了均匀延伸的范围，从而同时得到高的强度和良好的塑性。 图1 2 残余奥氏体的相变诱发塑性机制 1 3 成分对t r i p 钢性能的影响 钢中合金元素有两方面的效应，第一是对奥氏体稳定性的影响，t o 和m s 点均随稳定程度而变化；第二是对奥氏体层错能的影响，它主要是影响m s 和 m d 的温度差【6 】。 除( c o ，a 1 ) 等两三种合金元素以外，其他合金元素均能使奥氏体稳定性不同 程度地增加。n i 、m n 、c 、n 、c u 是奥氏体稳定化元素，可以使奥氏体和马氏 体自由能相等的温度t 0 降低，使奥氏体稳定化，这属于化学稳定化。此时m s 点下降，而且加热时开始形成奥氏体的a 3 点也下降。c 、c r 、m n 、n i 等稳定 奥氏体的作用非常大，用这些合金元素进行合金化时，可以将m s 点降低到室 温以下。m s 温度可以用化学成分来计算，w a n g 等i7 】的公式考虑了锰、硅、铝、 3 上海大学硕士学位论文第一章绪论 磷等元素的影响，如下式所示。 m s ( k ) = 5 4 5 8 + e x p ( - 1 3 6 2 c ) - - 3 0 4 m n 一7 5 s i + 3 0 a l 一5 9 9 p 通过改变钢中合金元素的成分，可以降低m s 点的温度，从而稳定奥氏体。 合金元素的第二个作用是对奥氏体层错能的影响。改变合金元素的种类和 数量，奥氏体层错能也随之变化。定性地说，n i 、c 、c u 、n b 等使奥氏体的层 错能增加，而下降的情况很少。c r 、m n 有使奥氏体层错能显著降低的倾向。 奥氏体的层错能低时，形变时易形成相，而相可以成为a ，- 马氏体相交的核 胚，有诱发促迸a 。马氏体相变的作用。奥氏体层错能低时，只要一个小的切应 力或在较高的温度就能形成相，促进马氏体相变。因而，低的奥氏体层错能， m s 点和m d 点的温度差变大，即产生形变诱发马氏体相变的温度范围变宽。 目前低合金t r i p 钢的合金元素含量很低，8 0 0 m p a 的t r i p 钢中包括杂质 在内的合金元素含量，大约为3 5 w t 。性能要求不同，添加的合金元素不同， 其最小含量也不同，因而合金成分设计时非常严格。 碳元素的影响 通常研究认为，t r i p 钢中，c 、s i 、m n 是影响性能的元素。碳是奥氏体稳 定化元素，奥氏体中的碳含量决定了残余奥氏体的量和稳定程度【舯。碳浓度越 高，奥氏体的稳定性越高。碳应尽可能地富集在奥氏体中，可以使m 。低于室 温1 5 2 5 ，进而得到好的性能。最初实验室研究的t r i p 钢的c 高达0 4 w t ， 考虑到钢的焊接性，目前研究的t r i p 钢中c 大约在0 2 0 - 4 ) 2 5 w t 左右或更少 【2 1 。 锰元素的作用 低合金t r i p 钢中m n 的典型含量为1 5 ，可以得到良好的淬透性。m n ， 奥氏体稳定元素，添加m n 可减慢珠光体的形成，在贝氏体区稳定奥氏体。同 时，添加m n 可起到固溶强化的作用【4 】。另外，m n 的加入可以使t r i p 钢的m s 点温度下降，残余奥氏体含量增加( 9 】。然而，过高的m n 含量( - 2 5 w t ) 却是不 利的，一方面会导致组织呈带状化，另一方面过分地稳定了残余奥氏体，不利 于相变的发生【2 】。 4 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 硅元素的作用 s i 元素具有三大功能：其一，它是铁素体形成元素，不仅有利于铁素体的 延展性能，而且可稳定过冷奥氏体；其二，它在碳化物中不易溶解，提高s i 含 量可以有效抑制碳化物形成；其三，它对铁素体母相具有固溶强化的作用，从 而促进了t r i p 多相钢强度与塑性的良好结合。s i 是t r i p 钢中的重要元素，可 显著增加c 在a 和y 中活度系数，降低c 在c t 中溶解度：增加时效时渗碳体开 始析出的温度；抑制回火时渗碳体的形成。s i 对贝氏体转变时碳化物的长大速 度影响不大；s i 的作用主要在于抑制渗碳体的形核，以及增加c 在铁素体、奥 氏体和渗碳体中的活度系数。s i 在渗碳体核周围的聚集会较大的增加c 的局部 活度，抑制c 向核心的扩散。 然而，当t r i p 钢中s i 含量过高，会给产品带来焊接困难，表面质量差， 热镀锌困难等几种缺陷0 1 。另外，由于s i 大幅度降低了贝氏体转变动力学， 因而工业生产中冷轧c m n - s i 型t r i p 钢的生产线中需要长时间的过时效，才 能得到较长时间的贝氏体区等温淬火阶段，这在工业生产中是不经济的。另一 方面，高的s i 含量易使钢的表面形成薄膜状的氧化物层，从而抑制了热镀锌过 程中阻挡层的形成，不利于镀锌工艺。 当前t r i p 钢研究中，使用其他元素如a l 、p 部分代替s i 的作用，但考虑 到s i 强烈抑制渗碳体形成的作用，s i 的含量最少为0 3 o 8 w t 左右【。 铝元素的作用 a l 与s i 类似，不溶于渗碳体，增加渗碳体的形成温度，抑制渗碳体的形成。 与s i 不同，a 1 可以增加贝氏体转交驱动力，加速贝氏体的形成。t r i p 钢中高 的a l 含量可以使残余奥氏体得到高的碳含量。然而，a l 与s i 相比，( 1 ) 抑制渗 碳体的形成能力稍弱；( 2 ) 低的固溶强化作用；( 3 ) 降低了奥氏体的稳定性，提 高了m s 点温度，使得m s m f 部分高于室温【2 】【“】。 磷元素的作用 p 与s i 类似，铁素体形成元素，可显著增加c 在铁素体中的活度系数，且 p 可抑制渗碳体的形成【1 2 ”】。添加p ，对铁素体起到强的固溶强化作用【i l 】。磷 5 上海大学硕士学位论文第一章绪论 是钢中廉价而高效的强化元素，其强化效果明显高于锰、硅等常规强化元素。 同时磷能改善铜的切削性能，并增加钢抗腐蚀能力【4 1 。材料的屈服强度随着磷 含量的增加而提高，这是因为钢中的磷原子置换了铁原子，在材料内部储存了 大量的畸变能，从而引起强度的提高【1 4 1 。而且，在低s i 时，p 的加入可以增加 残余奥氏体的量【1 5 】。w 缸岔16 ”1 等人对f e - 0 2 c 1 5 m n - 0 4 s i ( o 0 0 8 ) p 系列t r i p 钢的研究表明，当p 加入量超过0 2 5 ，会对t r i p 钢性能产生不利影响，比 如p 容易在亚稳奥氏体内形成f e 3 p ，磷化物的析出消耗了大量p 原子，从而 削弱了其抑制渗碳体形成的能力和对铁素体的固溶强化作用。在i f 钢中，磷的 加入不会其影响镀锌性能。 当前t r i p 钢的发展主要集中于强度在5 0 0 8 0 0 m p a 级别的t r i p 钢。为了 获得1 g p a 或更高强度级别的t r i p 钢，通过单独或复合加入n b 、t i 、v 等微 合金元素以增加碳化物的弥散强化和固溶强化，从而提高材料强度1 8 - 2 2 。 1 4t r i p 钢的多相组织 理想的t r i p 钢组织主要包括：铁素体、贝氏体以及残余奥氏体( 还会有 少量的碳化物和马氏体) 。 1 4 1 残余奥氏体 残余奥氏体是t r i p 钢的重要组织，它的形态、数量、稳定性都决定着t r i p 钢的性能。s z a e f f e r e f 【4 】等研究认为残余奥氏体稳定性受残余奥氏体的量、其 中的c 含量以及c 在奥氏体是否均匀分布影响。最佳的三者组合，可以得到最 优的力学性能。 e vp e r e l o m a 2 3 】等则认为最初奥氏体的状态是再结晶态还是非再结晶态的 薄片状，也会影响t r i p 钢最终的组织。与原始态为再结晶态相比，初始为非 再结晶态的奥氏体，不利于珠光体的形成，有利于得到较多残余奥氏体，同时 有利于组织的均匀化。 在c s i m n t r i p 钢中，延伸率值随着钢中残余奥氏体的量以及奥氏体中固 溶的c 含量的增加而增加【2 4 1 。而奥氏体中c 的不均匀分布，则会降低t r i p 钢 6 上海大学硕士学位论文第一章绪论 的屈服强度和最大均匀延伸纠4 1 。文献报道：t r i p 钢中第二相( 残余奥氏体 + 贝氏体) 呈网状结构分布会降低塑性，提高强度。 如何表征奥氏体的稳定化，目前还没有准确的定义。一种说法是用奥氏体 向马氏体转变的开始温度m s 表征，m s 越低，奥氏体越稳定。通常奥氏体的 m s 温度受化学成分、晶粒大小、晶粒形态和周围相及外界因素等的影响。另一 种说法是：奥氏体向马氏体转变的结束温度m d 能更好地表征残余奥氏体的稳 定性。 d ec o o m a n 2 贝l j 认为残余奥氏体最佳稳定性：基于汽车安全性考虑，t r i p 钢薄板的残余奥氏体的m ，低于周围环境温度，且m d 的温度与汽车碰撞时达 到的最高温度相接近。当温度在m s - m d 之间，由于化学驱动力不够，不足以 促使残余奥氏体发生向马氏体的淬火转变，但是在此温度增加应力一即力学驱 动力到足够高的水平时，在此温度马氏体就会形核，这就是非热形核。在m s m d 之间，诱发马氏体相变时外加应力o ，在一定的温度范围内，外加应力与相变 呈线性关系，如图1 3 所示，开始引起非线性奥氏体转变的上限温度记为m 。 援 2 溺 t 嗍 1 2 图1 3 马氏体转变时临界应力和温度的关系示意图 ( a ) 当温度在m s - m s 。：母相未经屈服而形成的马氏体为应力协助( 促发) 马氏 7 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 体( s t r e s s a s s i s t e d m a r t e n s i t e ，简称s a m ) 。原来不加应力时需冷却到m s 以下 才能起作用的形核位置，在应力提高到足够大时，这个温度就能起作用，这个 过程叫做应力协助形核1 2 6 。在m s4 点，外加应力等于原奥氏体相的屈服应力。 随着m s 4 的增加，化学驱动力的降低，诱发马氏体相变的应力增加。 ( b ) 当温度在m s 。m d ：母相经屈服而形成的马氏体为应变诱发马氏体 ( s t r a i ni n d u c e dm a r t e n s i t e 简称s d ) 鲫。马氏体形核于滑移产生的新形核位 置。额外的形核位置主要出现在应变诱发的形变带之间。此时得到的马氏体不 是高碳含量的片状马氏体，因而没有片状马氏体的脆性。 ( c ) 当t m d ：m d 是个临界温度，超过m d ，马氏体相变不会发生。随着温 度的升高，堆垛层错能增加，相变的驱动力降低。 1 4 2 铁素体 铁素体延性较好，易吸收残余奥氏体向马氏体转变引起的体积膨胀，因而 对t r i p 效应具有辅助作用。铁素体量的控制主要通过两相区等温转变及随后 的冷却来实现，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。形变热处理中铁素体是最先形成的相，它直接影响最终组织中残余奥氏 体的成分和形貌，进而影响残余奥氏体的t r i p 效应。 e vp e r e l o m a 2 3 】等研究表明：多边形铁素体量越少，残余奥氏体中含碳量 越低，最终得到的残余奥氏体越不稳定。 z a r e i h a n z a k i 2 8 1 等研究表明：冷却速度大于5 0 4 c s 可以使铁素体量增加， 铁素体中碳浓度降低；残余奥氏体量增加，稳定性提高；屈服强度降低，均匀 延伸率和总延伸率提高，但基本不影响抗拉强度，由此获得强度与塑性的良好 配合。但是如果铁素体量过多，珠光体c 曲线移至更短的时间或者在等温过程 中接近相应的r r r 图中的珠光体c 曲线，从而形成珠光体的机会增加，残余 奥氏体量相应减少；又由于形成珠光体时消耗了碳，从而降低了残余奥氏体的 稳定性，这些对性能改善是不利的。z a r e i h a n z a k i 等还指出在两相区变形对细 化铁素体晶粒效果明显，并且残余奥氏体的体积分数随铁素体晶粒细化而增加。 钢的延性不仅受残余奥氏体的影响，也受其它显微组织的影响。s a k u m a l 2 9 8 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 等认为t r i p 钢的良好塑性应是残余奥氏体的应变诱发相变和铁素体基体相共 同作用的结果。因而合适的铁素体量及大量的残余奥氏体是钢获得良好塑性的 前提条件。 1 4 3 贝氏体 在高强度低合金t r i p 钢中，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( 删。 t r i p 钢中贝氏体的形态根据等温温度的不同，主要分为上贝氏体和下贝氏 体。碳含量和合金元素对贝氏体的组织形态有很大影响；而贝氏体等温处理工 艺( 温度、时间) 也显著改变贝氏体的成分和形态。t r i p 钢室温残余奥氏体的 获取主要是利用贝氏体的不完全转变，通过两相区的退火处理后在贝氏体转变 区等温使得过冷奥氏体转变成贝氏体，同时对奥氏体进行第二次增碳，使得奥 氏体中碳含量升高，降低奥氏体的m s 温度直至室温下，使之在随后冷却至室 温时保留。 在贝氏体铁素体的生长过程中，由于置换型原子的扩散系数比碳原子低 1 0 7 - - 1 0 9 倍，所以置换型合金元素没有再分配现象。t r i p 钢在贝氏体转变区等 温加热，碳元素仍会向未转变的奥氏体中扩散，从而进一步提高奥氏体中碳的 浓度。如果贝氏体区转变温度过高，碳向奥氏体中大量扩散，会使贝氏体铁素 体过度长大，残余奥氏体量减少，钢的强度降低；转变温度过低，尽管大部分 碳元素固溶于贝氏体铁素体中，贝氏体晶粒较小，钢的强度高，但残余奥氏体 体积分数降低，钢的塑性不足f 瑚。透过t e m 观测贝氏体铁素体是无碳相，与 普通的贝氏体相存在着差别【2 1 。 9 上海大学硕士学位论文第一章绪论 ( a )c o ) 图1 4 典型低碳贝氏体与t r i p 钢中无碳贝氏体的对照图 e d m o n d sd v 3 1 】等对影响贝氏体强度的因素进行了系统分析，包括：贝氏体 铁素体的晶粒尺寸；板条或片内位错亚结构；s i 、m n 等置换型元素和c 等间 隙元素的固溶强化；碳化物的弥散强化。 另外，非再结晶区的变形对贝氏体铁素体的晶粒尺寸有较大的影响【3 2 】。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。未变形时，形成的贝氏体铁素体有相同或相似的晶 体学取向；施加一定变形量后增加了贝氏体铁素体的形核点，减小了贝氏体铁 素体的晶粒尺寸及具有相同取向的贝氏体铁素体量，细化了贝氏体铁素体，有 利于提高钢的强度并改善钢的韧性。此外，细化母相奥氏体晶粒，亦可减小贝 氏体铁素体晶粒尺寸，细化残余奥氏体，在提高贝氏体铁素体强度的同时，增 加残余奥氏体的稳定性。 1 5 热处理工艺及其对t r i p 钢性能的影响 1 5 1 热处理工艺 t r i p 钢生产工艺主要有两种：两相区退火+ 中温等温淬火( i n t e r c r i t i c a l 1 0 上海大学硕士学位论文第一章绪论 a n n e a l i n ga n da u s - t e m p e r i n g ) 和形变热处理或热机械处理( 1 1 1 e 蛐。一m e c h a n i c a l p r o c e s s i n g , t m p ) 。 第一种方法主要是针对冷轧t r i p 钢设计的，如图1 5 。钢在州区亚临界 温度范 ( a c l - a c 3 ) i 勾退火可以得到铁素体和奥氏体，此时奥氏体第一次增碳 ( 即奥氏体中含碳量已超过钢的平均含碳量) ；然后快速冷却( 抑制铁素体的形 成) 至贝氏体形成温度范围内等温，再冷却到室温。在贝氏体形成区域等温时， 奥氏体部分转变为低碳或无碳贝氏体。在此转变过程中，奥氏体中的碳向未转 变的奥氏体中扩散，使得未转变的奥氏体的含碳量进一步提高( 此为奥氏体的 第二次增碳) ，从而其m s 点降低至室温以下，随后的冷却过程中这部分奥氏体 在室温残留，最终得到铁素体+ 贝氏体+ 残余奥氏体( 马氏体) 的混合组织【3 3 】。 皇 蓉 基 b - 图1 5t r i p 钢的热处理工艺 与汽车所用的标准成形低碳钢、钢不同，t r i p 钢的热处理工艺共分为五 个阶段，且每一个阶段中都有相转变，因而描述t r i p 钢的临界工艺相当复杂。 ( a ) 第一阶段：快速加热。在最初的快速加热时，冷轧铁素体相再结晶，渗 碳体开始溶解进入铁素体，温度高于a c l 后，溶解进入奥氏体中。冷轧临界退 火态的t r i p 钢，部分重新奥氏体化的动力学取决于最初的显微组织。渗碳体 的形态( 块状的还是珠粒状的) 、奥氏体从珠光体中得到的m n 含量、超过a c l 的温度等参数都会影响t r i p 钢的性能。而渗碳体的形态、奥氏体中m n 的含量 则取决于热轧钢带输出辊道工序、卷取条件以及随后的冷轧条件。由于渗碳体 必须在临界退火区完全溶解，因而低的轧制温度、较高程度的冷轧都是有利的。 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 ( b ) 第二阶段：两相区退火。最初的两相区奥氏体中的碳含量高于奥氏体中 平衡碳含量。较短的时间内，碳就可以平衡分布在铁索体和奥氏体中。两相区 奥氏体形成的早期阶段受碳的扩散控制，随后是较缓慢的m n 和s i 的扩散。在 工业生产中连续退火线以及镀锌的流水线中，替代元素m n ，s i 的分布不可能 达到平衡，因为奥氏体、铁素体的均匀化由替代元素的缓慢扩散控制。但是， 依赖于退火的温度和时间，在铁素体和奥氏体的界面上可能有稳定铁素体的元 素在铁素体一边富集，稳定奥氏体的元素在奥氏体一边富集。实际上，没有未 溶的渗碳体是非常重要的。 ( c ) 第三阶段：快速冷却。快速冷却到贝氏体区温度，在两相区退火形成的 铁素体基体上形成新的铁素体相，故铁素体相的量增多且碳富集在奥氏体中。 ( d ) 第四阶段：贝氏体区等温处理。热处理工艺最重要的阶段，对残余奥氏 体的量、残余奥氏体含碳量以及残余奥氏体的尺寸大小等工艺参数都有影响。 ( e ) 最后阶段：快速冷却到室温。 第二种方法：形变热处理工艺是通过热轧过程中的控轧与控冷来实现的。 热轧t r i p 钢中，铁素体晶粒周围分布着细小的奥氏体、贝氏体、马氏体，且 铁素体晶粒要比冷轧后的大【蚓。热轧t r i p 钢板的基本工艺流程为：( a ) 在奥氏 体区热轧冷却通过两相区时控制冷却速度，析出铁素体( f ) ，再快冷，然后在贝 氏体转变区卷取。( b ) 在奥氏体区和两相区热轧，再快冷，在贝氏体转变温度 以上进行卷取。 1 5 2 两相区退火工艺对t r i p 钢性能的影响 两相区退火温度对t r p 钢性能影响存在着不同地说法。c h a n gg i l l e o ”j 对0 1 c 1 5 s i 1 5 m n - 0 5 c u 的t r i p 钢研究得出：经两相区退火后，当奥氏体量 含量约在5 0 ，低碳t r i p 钢中，最终的组织中可以获得最多且稳定的残余奥 氏体。随着两相区的升高，残余奥氏体量降低。而文献【3 6 1 中对硅含量分别为1 5 和1 0 的低碳硅锰t r i p 钢的研究表明，两相区退火温度为7 8 0 c 时，退火 后奥氏体量与铁素体量为3 ：7 时，可以获得最佳的残余奥氏体量以及稳定性。 随着两相区退火温度的提高，屈服强度和抗拉强度都上升。另有文献【”】报道得 1 2 上海大学硕士学位论文第一章绪论 到类似的结论，随着两相区温度的升高，强度增加。研究还表明两相区温度应 不高于8 0 0 1 2 ，低于8 0 0 ，强度塑性可以同时提高，反之则会强度增加塑性降 低，这主要因为退火温度高钢中的奥氏体量增加，而含碳量降低。 由铁一渗碳体相图可见，碳钢完全退火后形成了1 0 0 的退火奥氏体，退火 奥氏体的含碳量就是钢的平均含碳量。而两相区退火后形成的是退火奥氏体加 铁素体的组织，铁素体的含碳量远远低于奥氏体。所以，退火奥氏体的含碳量 就高于钢的平均含碳量，即高于完全退火奥氏体的含碳量。并且，随着两相区 退火温度的上升，退火奥氏体的含碳量逐渐下降，综合上述实验结果，可以推 测，退火奥氏体的含碳量影响最终的残余奥氏体量。随退火奥氏体中含碳量增 加，残余奥氏体量增加，残余奥氏体量与奥氏体中的含碳量成比例f 2 3 1 。 文献【”】研究则表明：对于低碳s i m n 系t r i p 钢，随着两相区退火温度的 升高，最终显微组织中贝氏体体积分数增大，铁素体量减少，残余奥氏体的体 积分数波动较小，并且残余奥氏体中碳含量随两相区退火