（材料加工工程专业论文）高成形性多相无缝钢管的热处理工艺研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so n s e a m l e s ss t e e lt u b ew i t hh i g hf o r m a b i l i t y a n d m u l t i - - p h a s em i c o s t r u c t u r e b yl it o n gh o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h u f ux i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位做作者虢巷，目乙艺 e t 期： 参口p7 争7 ，寻旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 摘要 高成形性多相无缝钢管的热处理工艺研究 摘要 近年来，由于燃料和原材料成本原因及环保法规对废气排放的严格限制，使 汽车结构的轻量化显得同益重要。除了采用轻体材料外，减重的另一个主要途径 就是在结构上采用“以空代实 ，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采 用空心结构既可以减轻重量、节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。本 文研究不同热处理工艺对多相无缝钢管组织和成形性能的影响。 本文针对自行试制的试验用钢，采用不同的热处理工艺获得了各种不同的显 微组织组合，利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等分析了各种工艺制度下的 相结构；通过拉伸实验测试了在不同热处理工艺下的试验钢力学性能；并采用 x r a y 衍射分析方法，检测了不同工艺下的残余奥氏体含量，探讨了显微组织与力 学性能的关系；通过扩孔实验测试热处理后试验钢的成形性能；根据拉伸断口的 宏观与微观形貌分析了试验钢的断裂机理和方式，得到了以下结论： 1 ) 热处理后的试验钢可以得到由铁素体、贝氏体、马氏体以及少量残余奥氏体 组成的多相组织；铁素体呈连续不规则状分布，贝氏体和马氏体分布于铁素体晶 界间；残余奥氏体以块状或薄膜状分布于铁素体晶界之间，以岛状分布与晶粒内 部。 2 ) 试验钢a 在8 0 0 。c 1 0 m i n + 4 1 0 2 0 r a i n 的工艺下，能达到强度和延伸率的 良好匹配，延伸率和强塑积分别是3 2 5 和2 1 7 7 5m p a ；而试验钢b 在8 0 0 x1 0 m i n + 4 1 0 2 0 m i n 时性能最佳，延伸率和强塑积分别是3 5 5 和2 1 9 3 9m p a 。 3 ) 试验钢的原始组织对热处理后的力学性能影响显著，冷拔后去应力退火能够 造成试验钢的强度损失。 4 ) 扩孔实验的测试结果表明，b 钢的扩孔率较高，都在o 8 左右，显示出了良 好的成型能力。 5 ) 通过对断口的宏观观察和微观扫描分析，判明试验钢的断裂在宏观上属于延 性断裂，微观上是准解理断裂和韧窝断裂的混合断裂。当拉伸速度增大时，试验 钢强度上升延伸率降低。 关键词：热处理，残余奥氏体，铁素体，贝氏体，马氏体，成形性能 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e a tm a t m e n tp r o c e s so i ls e a m l e s s s t e e lt l b ew i t hh i f o r m a b i l i t ya n dm u l t i - p h a s e a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fc o s t so ft h ef u e la n d r a wm a t e r i a l sa n ds t r i c tr e s t r i c to f e x h a u s tg a se m i s s i o nb ye n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nl a w s ，t h el i g h t w e i g h to ft h ec a r si s i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t b e s i d e su s i n gl i g h tm a t e r i a l s ，t h eo t h e ri m p o r t a n tw a y t or e d u c e w e i g h ti st ou s e h o l l o wm a t e r i a l si n s t e a do fs o l i dm a t e r i a l s ，t h a ti st os a y ，f o rt h ep a r t st o l o a db e n d i n ga n dt o r s i o nl o a d ，i ti sn o to n l yt or e d u c ew e i g h ta n ds a v em a t e r i a l , b u ta l s o m a k et h eb e s to ft h ei n t e n s i o na n ds t i f f n e s so ft h em a t e r i a l t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i s p a p e ri st h ee f f e c to fd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r ea n df o r m a b i l i t yo f s e a m l e s st u b ew i t hm u i t i - p h a s em i c r o s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，d i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r ei so b t a i n e dt h r o u g hu s i n gt h ed i f f e r e n th e a t t r e a t m e n tp r o c e s s ，a n dt h eo b t a i n e dm i c r o s t r u c t u r ei s a n a l y z e dt h r o u g ht h eo p t i c a l m i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe x p e r i m e n t a ls t e e la f t e rh e a tt r e a t m e n ti st e s t e dt h r o u g ht e n s i l e e x p e r i m e n t d e t e c t i n gt h ee h a n g eo fc o n t e n to fr e t a i n e da u s t e n i t eb yx - r a yd i f f r a c t i o n a n dr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ；e v a l u a t i n gt h e f o r m a b i l i t yo ft e s tt u b e a f t e rh e a tt r e a t m e n tb yf l a r i n gt e s t ；a n a l y z i n gt h ef r a c t u r e m e c h a n i s ma n dm e t h o do ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e la c c o r d i n gt ot h em i c r o s c o p i ca n d m a c r o s c o p i cp a t t e mo fn i c k t h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) e x p e r i m e n t a ls t e e li sm a i n l ym a d eu po ff e r r i t e ，b a i n i t e ，m a r t e n s i t ea n dr e t a i n e d a u s t e n i t ea f t e rh e a tt r e a t m e n t f e r r i t ei si ni r r e g u l a ra n dc o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o n , a n d b a i n i t i ca n dm a r t e n s i t ea n dr e t a i n e da u s t e n i t ea r el o c a t e db e t w e e nb o u n d a r yo ff e r r i t e g r a i n 。t h er e t a i n e da u s t e n i t ei s l a n d sa r el o c a t e d i ni n n e ro fe r r i t eg r a i n ( 2 ) as t e e lg o tt h ea i mo fg o o dm a t c hb e t w e e ns t r e n g t ha n de l o n g a t i o na f t e r i n t e r c r i t i c a la n n e l e da t8 0 0 ( 2f o r10m i n u t e sa n ds u b s e q u e n t l ya u s t e m p e r e da t4 10 cf o r 2 0m i n u t e s ，i t sp e r c e n t a g eo fe l o n g t a t i o ni s3 2 5 ，w h i l ebs t e e lg o tt h ea i mo fg o o d m a t c hb e t w e e ns t r e n g t ha n de l o n g a t i o na f t e ri n t e r c r i t i c a la n n e l e da t8 0 0 。cf o r10 m i n u t e sa n ds u b s e q u e n t l ya u s t e m p e r e da t4 1 0 ( 2 f o r1 0m i n u t e s ，a n di t sp e r c e n t a g eo f i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l o n g t a t i o ni s3 5 5 ( 3 ) t h eo r i g i n a lm i c r o s t r u c t u r eo fe x p e r i m e n t a l s t e e lg o ts e r i o u si m p a c to n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa f t e rh e a tt r e a t m e n t ，a n d t h ec o l dd r a w i n gs t e e l g o t b e t t e r p e r f o r m a n c et h a no n e sa f t e rn o r m a l i z i n gp r o c e s s ( 4 ) bs t e e lg o tg o o df o r m a b i l i t ya f t e rh e a tt r e a t m e n t ，a n dt h et h el i m i t i n gf l a r i n g r a t i ow a sa b o u t0 8 ( 5 ) s e me x a m i n a t i o no ft e n s i l es p e c i m e n sa tf r a c t u r es u r f a c e ss h o w e da l lo ft h e s e w e r et o u g h n e s sf r a c t u r e s w h e nt h es t r a i nr a t er i s i n g ，t h eg r o w t hs p e e do fv o i dw e n t h i g ha n di tc o r r e s p o n d e dt ot h el o wv a l u eo fu n i f o r me l o n g a t i o n k e yw o r d s ：m u l t i - p h a s es t e e l ；f e r r i t e ；b a i n i t e ；r e t a i n e da u s t e n i t e ；m a r t e n s i t e ； f o r m a b i l i t y i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要：i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 序言1 1 2 高强高塑性钢的应用1 1 3 新型高强钢概述4 1 3 1d p 钢板4 1 3 2t r i p 钢5 1 3 3c p 钢6 1 3 4t w i p 钢6 1 4 钢的强化机制8 1 4 1 细晶强化8 1 4 2 相变强化9 1 4 3 固溶强化9 1 4 4 析出强化1 0 1 5 微合金元素在钢中的作用1 1 1 5 1 铌在钢中的作用1 1 1 5 2 钛在钢中的作用1 2 1 6 课题研究目的和研究内容1 2 1 6 1 课题研究目的1 2 1 6 2 课题研究内容1 3 第2 章实验材料制备及试验方案确定1 5 2 1 实验材料及制备1 5 2 2 实验方案及实验设备1 6 2 2 1 热处理工艺实验一1 6 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 2 热处理工艺实验二1 8 2 2 3 实验设备1 8 2 3 力学性能测试1 8 2 4 扩孔性能测试1 9 2 5 显微组织分析2 0 2 5 1 金相分析2 0 2 5 2 热染分析2 0 2 5 3 透射电镜分析2 0 2 5 4 扫描电镜分析2 l 2 6x 射线衍射分析2 l 2 6 1 实验过程及设备型号2 l 2 6 2 残余奥氏体量的计算方法2 1 第3 章热处理工艺实验结果及分析2 3 3 1 热处理后试验钢的显微组织2 3 3 1 1 显微组织的光镜形貌2 3 3 1 2 显微组织的t e m 形貌2 5 3 2 临界区退火时间对试验钢组织和力学性能的影响2 7 3 2 1 临界区退火时间对铁素体含量的影响2 7 3 2 2 临界区退火时间对试验钢力学性能的影响2 8 3 3 贝氏体区热处理工艺对试验钢组织和力学性能的影响3 1 3 3 1 贝氏体区保温时间对试验钢组织和性能的影响3 1 3 3 2 贝氏体区保温温度对组织和性能的影响3 4 3 4 试验钢的拉伸屈服行为3 7 3 5a 、b 钢力学性能对比3 8 3 6 原始组织对组织和力学性能的影响4 0 3 7 试验钢的成型性能测试4 2 3 7 1 成型曲线分析4 2 3 7 2 影响成型性能的因素4 4 3 8 小结4 5 东北大学硕士学位论文 目录 第4 章试验钢拉伸相变和断裂分析4 7 4 1 变形中的千h 变4 7 4 1 1 金相观察4 7 4 1 2 衍射观察4 7 4 2 拉伸速率对马氏体转变的影响4 8 4 3 断裂的分类4 9 4 4 断裂分析5 0 4 4 1 试验钢的断裂方式分析5 0 4 4 2 试验钢的断裂断口形貌与力学性能的关系5 1 4 4 3 拉伸速率对试验钢断裂的影响5 2 4 5 小结5 3 第5 章结论5 5 参考文献5 7 致谢6 1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1j 予吾 我国是钢铁生产和消费大国，粗钢产量连续1 3 年居世界第一。进入2 1 世纪 以来，我国钢铁产业快速发展，粗钢产量年均增长2 1 1 。2 0 0 8 年，粗钢产量达 到5 亿吨，占全球产量的3 8 ，国内粗钢表观消费量4 5 3 亿吨，直接出口折合粗 钢6 0 0 0 万吨，占世界钢铁贸易量的1 5 。2 0 0 7 年，规模以上钢铁企业完成工业增 加值9 9 3 6 亿元，占全国g d p 的4 ，实现利润2 4 3 6 亿元，占工业企业利润总额 的9 ，直接从事钢铁生产的就业人数3 5 8 万。钢铁产品基本满足国内需要，部分 关键品种达到国际先进水平。钢铁产业有力支撑和带动了相关产业的发展，促进 了社会就业，对保障国民经济又好又快发展做出了重要贡献【l 】。 。但是，钢铁产业创新能力不强，先进生产技术、高端产品研发和应用还主要 依靠引进和模仿，一些高档关键品种钢材仍需大量进口，消费结构处于中低档水 平。尤其是钢材高端产品，目前国内钢材的品种和质量与国外的差距仍然很大。 在汽车用高档钢材方面，前几年一直被外国产品垄断，近几年，我国钢铁、汽车 工业的发展非常迅猛，整体技术水平有了很大的提高，高档高强钢的应用也大幅 度增加，这有力地促进了国内钢材新品种和新工艺的开发。新一代钢铁材料开发 的浪潮已经掀起，我们立足实际，尽快赶上世晃的先进的水平。 1 2 高强高塑性钢的应用 随着汽车工业的高速发展，汽车尾气排放对生存环境的负面影响同益严重， 再加上人们对汽车碰撞安全性要求的不断提高，如何在保证安全、舒适的前提下 使车身减重是解决这一系列问题的关键。图1 1 是加盟国际钢铁协会3 5 家世界著 名企业，于1 9 9 8 年开始实施的u l s a b a v c 研究项目中( u l t r al i g h ts t e e la u t o b o d y a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t ) 超轻钢车身新型概念车示意图，该研究项目向世 界表明的重要信息是：钢铁材料在减轻车体重量、降低成本和提高安全性等方面 仍是最合适的材料。由图1 1 可以看出，新型概念车中包括车身、悬挂系统的大量 结构件和安全件都使用了高强度钢材，其中8 0 以上是5 9 0 m p a 以上级别的新型 高强钢材，据此理念，有望使车身减重1 9 3 2 ，收到车身减重和碰撞安全性提高 的双重效果。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 iu l s a b a v c 超轻钢车身- 新型概念下 f i g1 1u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y - a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t 由于汽车车身的大部分构件是由钢板冷冲压成形生产的，因此推广使用高强钢 板的最大障碍就是成形性的问题。为满足汽车制造厂家对高强钢板成形性能的苛 刻要求，从事材料研究的技术者们根据车身各种构件的不同要求，采用了各种不 同的强化方法。此前，汽车结构用高强钢多是以添加各种合金元素的固溶强化型 和析出强化型高强度钢为主体，其典型钢种有i f 钢( 无间隙原子钢) 和b h 钢( 烘 烤硬化钢) 等；近年，由于u l s a b 研究项目的示范作用，车体轻量化技术研究的 不断深化，汽车车身结构所用钢材的强度级别和质量性能已发生很大变化，商品 钢材的强度级别呈逐年增高的趋势，为达到更高的强度要求，已开始使用相变强 化型的多相组织高强度钢，其典型钢种有图1 2 所示的d p 钢( 双相钢) 和t r i p 钢( 相变诱发塑性钢) 等。 图1 2 具有高强塑积的多相钢品种 f i g1 2m u l t i p h a s es t e e lw i t hh i g hp l a s t i c i t y 另一方面，从汽车制造领域的发展趋势看，在车身减重和节材降耗方面，采 用空心结构和变断面等强构件的制造工艺已受到高度重视，出现了大量的整体异 形管件结构，如副车架、纵梁、后轴、凸轮轴和驱动轴等。这些“以空代实”的构件 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 通常采用内高压成形工艺生产，该工艺以无缝管或焊管为原料，通过管材腔内的 液体压力与轴向负荷的复合作用，使其在给定模具内变形，从而得到所需形状的 零部件，其成形原理如图1 3 所示。该工艺技术的研究最早可追朔到3 0 年前的液 压胀形，当时的典型零件为三通管件和波纹管等。随着超高压液压传动技术和数 控技术的飞速发展，2 0 世纪8 0 年代初迎来了内高压成形基础研究的高潮，自2 0 世纪9 0 年代初开始，德国汽车工业界率先实现了内高压成形零部件的大量应用， 之后，在欧洲其它国家、北美、日本、韩国等国也得到迅速推广。 图1 3 内高压成形示意图 f i g1 3i n t e r n a lh i g h - p r e s s u r ef o r m i n g ( i h d 采用内高压成形工艺生产的部分汽车零部件如图1 4 所示。据某公司对已应用 零件的统计分析，采用内高压成形技术生产的零部件与传统的冲压焊接件相比， 重量可减轻2 0 4 0 ；与车削、镗孔零件相比，可减轻4 0 - - - - 5 0 ，最多甚至可达 7 5 ，零件的平均制造成本可降低1 5 - - 2 0 ，模具费用降低2 0 - , - 3 0 t 2 1 。由此可 见，该技术既有利于提高汽车零部件的强度和刚度，还有利于大幅度减轻车体重 量、节约金属、降低人力物力消耗，是汽车制造领域最具突破性进步的高科技成 就之，经济效益和社会效益显著，具有非常广阔的市场应用前景。 如果能够应用内高压成形技术生产“以空代实”的高强度钢构件，则可以收 到双重的节能、节材和车身减重效果。在此背景下，能够适应内高压成形工艺特 点的高成形性、高强度、高刚性薄壁钢管的制造技术研究，在世界范围内受到了 广泛关注。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 4 采用内高压成形t 艺生产的部分汽车零部件 f i g1 4a u t op a r t sf o r m e d i ni h f 1 3 新型高强钢概述 通常，普通碳素钢板的拉伸强度为2 8 0 3 2 0 m p a ，高强度钢板的拉伸强度在 3 5 0 m p a 以上。高强度钢板的特点是不但具有较高的拉伸强度，还具有较高的屈服 点，可以达到减轻汽车车重的目的。目前，有些品种在技术上相对比较成熟，已 经投入商业化生产，如双相钢板( d p 钢) 、相变诱发塑性钢( t r i p 钢) 等已被 广泛用于汽车车身结构；还有些品种仍处于实验室研发阶段，例如t w i p 钢等。 1 3 1d p 钢板 双相钢( d a u lp h a s es t e e l ) 的组织是在软的铁素体基体上弥散分布着硬质的马 氏体。马氏体赋予材料的强度，铁素体赋予材料的塑性和韧性。大量研究表明， f + m 双相钢的显微组织随其化学成分和获得双相组织的方式而变化，已获得的双 相钢组织有无序组织和定向排列纤维组织两大类，目前发展的双相钢基本上都是 无序组织的双相钢。据报导，可将无序的组织分为弥散分布组织( 塑性良好的铁素 体基体中弥散分布着高强度岛状马氏体) 、纤维状双相混合型组织( 平行针状马氏 体与铁素体相交错而成纤维状) 、高位错亚晶结构型组织( 具有高密度位错的亚晶 结构马氏体或网状或群落状位于铁素体晶界) 三种【3 1 。在弥散分布组织中，第二相 马氏体起到弥散强化的作用；在纤维状双相混合型组织中，这种双相混合组织对 提高性能十分有利的位错亚晶结构起到细化晶粒的作用：在高位错距晶结构型组 织中马氏体起到强化晶界及细化晶粒的双重作用。 由于双相钢的显微组织具有细化晶粒、品界强化、第二相弥散强化、亚晶结构 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 及残留奥氏体利用等强韧化手段，因此双相钢具有十分优良的性能，主要表现在 双相钢同时具有高的强度和良好的韧塑性【4 j 。 ( 1 ) 双相钢具有高强度、高韧塑性和高加工硬化率，即具有很好的强度和韧 塑性匹配。与通常使用的低合金高强度钢相比，在相同的强度级别条件下，双相 钢具有低的屈强比、较高的延伸率( 总延伸率和均匀延伸率) 和很高的加工硬化率， 而加工硬化率是钢的最重要的塑性指标。有必要指出，双相钢拉伸时具有连续的 应力一应变曲线，即双相钢的应力一应变曲线不存在屈服平台【5 】。 毒 参蝴 k 蝴 瑚 l o撩弼 - 够 图1 5 双相钢麻力一应变曲线【6 】 f i g1 5s t r e s s s t r a i nc u r v e so fd a u lp h a s es t e e l 如图1 5 所示，这说明双相钢的加工硬化率比普通低碳钢和低合金钢高。这就 使其具有良好的成型加工性能，尤其是避免了深度拉伸和深冲压加工时的局部径 缩及断裂现象，特别适用于冷拔、冷轧、冷冲压等冷加工成型。 ( 2 ) 双相钢板材具有板面纵向与横向力学性能差异小的特点，即具有小的各向 异性。 ( 3 ) 双相钢具有良好的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能，这是因为处于在铁素体 中的马氏体作为高硬度的第二相阻止了裂纹的扩展，从而提高了双相钢的冲击韧 性。研究结果表明，第二相马氏体弥散程度越高，越有利于降低疲劳裂纹扩展速率， 抗疲劳性能越好。 ( 4 ) 双相钢具有良好的焊接性能。 1 3 2t p 钢 相变诱发塑性钢( t a n s r o r m a t i o n i n d u e e dp l a s t i c i t y ) 是通过相变诱发塑性 ( t r i p ) 效应使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体生核和形成，并 产生局部硬化，继而变形不再集中在局部，使相变均匀扩散到整个材料以提高钢 板的强度和塑性。典型t r i p 钢c 含量为o 2 ，m n 含量l 2 ，s i 含量l 2 当s i ：m n 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 比在1 ：1 时，带状组织的形成趋势最小， 处理，t r i p 钢的组织由5 0 - 6 0 铁素体， 余奥氏体组成 7 1 。 钢板的力学性能最佳，通过热轧或冷轧热 2 5 一4 0 贝氏体或少量马氏体和5 一1 5 残 研究表明t r i p 钢的强度和韧性高于双相钢和微合金钢，在加工变形时，当硬 相在软的基体中扩散时可以引起较高的应变硬化，t r i p 钢随着应变的升高，残余奥 氏体逐渐发生相变转化为马氏体，在高应变等级上还会有加工硬化率的增长。文 献【8 】对t r i p 钢、双相钢、碳锰钢、低碳钢的应力、应变行为的研究表明：当应力较 高时，双相钢和其它钢的加工硬化开始消失，而t r i p 钢却还具有高的加工硬化率。 因此，当设计难拉伸部件或对加工硬化率有高的要求时，t r i p 钢的应用显得尤为 重要。 综合来看：t r i p 钢板具有高的屈服强度和抗拉强度，延展性强，冲压成形能 力高，用作汽车钢板可减轻车重，降低油耗，同时能量吸收的能力强，能够抵御 撞击时的塑性变形，显著提高汽车的安全等级，具有明显的优越性【9 】。 由于t r i p 钢本身的优势，t r i p 钢板的应用在汽车界引起广泛的关注，欧洲、 北美和亚洲的日本、韩国等发达国家都对它十分重视，投入大量的人力、物力进 行研究。欧洲的n c a p 计划、北美的n h t s a 计划和世界主要钢铁生产企业的u l s a b 计 划等，都对t r i p 的冶金基础和实际应用进行了广泛研究 1 0 , l l 】。世界各国的科研人 员在t r i p 钢合金成分【1 2 - 1 9 1 、组织性能2 帕5 1 、生产工艺和机理【2 6 t2 7 1 侧研究方面取得 了一系列的成果，极大地促进了t r i p 钢的生产和应用。 1 3 3c p n c p 钢也称多相( m p ) 钢或部分马氏体钢( p m ) ，显微组织是在铁素体贝氏体的基 体上分布着少量的马氏体，残余奥氏体及珠光体。c p n 中加入的合金元素与d p 、 t r i p 钢大部分相同，但通常也加入少量的n b 、t i 和v 等合金元素，以形成细小的碳 化物或氮化物的沉淀相，产生第二相弥散强化。c p 钢的冷却方式与t r i p 钢相同， 都需要在贝氏体转变温区发生等温转变。与d p 钢相比，在相同的抗拉强度( 如 8 0 0 m p a 及更大) 时，c p 钢的屈服强度要高得多。c p 钢的特点是具有高的能量吸收能 力和高的残余形变量，特别适用于要求良好抗冲击性能的零件，如车门防撞杆、 保险杠和立柱等安全零件【2 8 】。 1 3 4t wip 钢 孪生诱导塑性( t w i n n i n gi n d u c e dp l a s t i c i t y ，t w l i ) 钢一种具有高强度、高塑性、 高吸收能的钢材是近几年国外研究的热点钢种之一。t w i p 钢在室温下的显微组织 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 是稳定的残余奥氏体，但是如果施加一定的外部载荷，由于应变诱导产生机械孪 晶，会产生大的无颈缩延伸，显示非常优异的机械性能，在具有高强度的同时兼 有高延伸率和高加工硬化指数。t w l p $ 冈的强度可以达至t j 8 0 0 m p a 以上，延伸率可以 达蛰j 6 0 - 9 5 ，3 0 应变时的n 值可以达n o 5 5 。 t w l p 钢优异的力学性能来自变形时产生的孪生诱导塑性，和由此而带来的显 著的强化效果，o p t w l p 效应。这种孪生在形变中的作用与传统的概念完全不同。 通常认为，在晶体结构对称性比较低、滑移系比较少的材料中，当形变速度较大， 变形温度较低，或在不利于滑移取向的情况下加力时，在某些应力集中的地方产 生孪晶。面心立方金属不易产生孪晶，只有在极低的温度下才形成机械孪晶。但 在t w l p $ 冈中，可在形变温度为一7 0 4 0 0 时的面心立方奥氏体中形成，形变速率 可低达1 0 。4 s 。形变过程中，高应变区孪晶的形成，孪晶界阻止了该区滑移的进行， 促使其他应变较低的区域通过滑移进行形变直至孪晶的形成，由此导致试样的均 匀形变，显著推迟缩颈的产生【2 9 1 。 t w i p 效应可分步解释为： 1 ) 拉伸变形最大的部位首先诱发孪晶，孪晶界阻止了该区滑移的进行从而导 致位错的塞积，使局部的强度提高，难以继续变形，导致变形向其他应变较低区 转移，从而推迟了颈缩得到形成，极大提高了延伸率： 2 ) 拉伸后的奥氏体晶粒内包含了大量的形变孪晶。粗大的透镜状形变孪晶从 奥氏体晶界处向晶内贯穿，分割奥氏体晶粒。接着，更细小的形变孪晶呈交织状 分布于奥氏体晶粒内。实质上，分割晶粒后的孪晶起到了亚晶界的作用，阻碍了 位错的滑移。这就起到了加工硬化的作用，使得t w l p 在变形后获得了非常高的抗 拉强度。 3 ) 由于孪晶与奥氏体基体的共格作用，高的界面能不利于裂纹的扩展，因此 宏观表现为拉伸，伸长率，特别是均匀延伸率的提高。 除了以上介绍的高强度钢外，其他应用的新型高强度钢有含磷高强度钢、高 强度拼焊钢等。含磷高强度钢板是在铝镇静钢中添加一定量的磷作为强化元素而 成的。磷的强化能力很强，约为s i 的7 倍，m n 的1 0 倍。要获得强度相当的钢板， 钢中加入o 1 的p 和加入0 7 的s i 或1 o 的m n ，其强化效果是等同的。这可节 约大量的合金元素，既降低了钢的生产成本，又不会因钢中加入大量的合金元素 ( s i 或m n ) 而降低钢板的塑性。高强度拼焊钢板是在冲压前按车型设计，将不同 厚度和不同性能的钢板剪裁后拼焊起来的一种钢板，目的是以最优的材料布置来 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 减轻轿车的重量。目前拼焊钢板的生产主要是使用激光拼焊，目前这种钢板已经 开始应用在欧洲和同本的一些车型上面。 1 4 钢的强化机制 屈服强度标志着金属材料对起始塑性变形的抗力。金属材料的屈服是位错增 殖和运动的结果，凡影响位错增殖和运动的各种因素，必然要影响金属材料的屈 服强度。一般多相合金的塑性变形主要沿着基体相进行，这表明位错主要分布在 基体相中。如不计合金成份的影响，则一个基体相晶粒就相当于纯金属单晶体。 纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说就是使位错开始运动的临界切应力，其值 由位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的 阻力等等。而晶粒大小的影响是晶界影响的反应，因为晶界是位错运动的障碍， 在一个晶粒内部必须塞积足够数量的位错才能提供必要的应力使相邻晶粒中的位 错源开动并产生宏观可见的塑性变形。因而减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的 数目，减小晶粒内部位错塞积群的长度，才能够使屈服强度提高。 钢在晶粒细化后的强化机制包括细晶强化、固溶强化、析出强化、相变强化， 是多种强化方式的复合。 1 4 1 细晶强化 实际使用的结构金属材料几乎全部是多晶体。多晶体材料的晶粒细化从来就 是金属材料组织控制的第一目标【7 】。钢铁材料晶粒超细化的主要目的就是提高常温 下的机械性能，特别是强度。在结构钢中，细晶强化是最佳的强化方式，因为它 即能提高钢材的强度，又能改善韧性。大约有一半的强度来自于晶粒细化。结构 钢的细晶强化可以用h a l l p e t c h 公式来描述【3 0 j ： o 。= oo + k d “2( 1 1 ) 式中：o 。位错在晶体中运动的总阻力： k ，一晶界对强度影响程度的常数； d 一多晶体中各晶粒的平均直径尺寸； 细化晶粒的方法包括细化相变前的奥氏体晶粒、增加奥氏体内部的形核质点 和快速冷却等方法。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的，所以影响晶界迁移的因 素都会影响晶粒长大，这些因素主要包括有：( 1 ) 温度。由于晶界迁移的过程就 是原子的扩散过程，所以温度越高，晶粒长大速度就越快。通常在一定温度下晶 粒长大到一定程度就不会再长大，但是温度升高后晶粒又会继续长大；( 2 ) 杂质 东北大学硕士学住论文 第1 章绪论 及合会元素。杂质及合金元素溶入基体后都能阻碍晶界运动，特别是晶界偏聚现 象显著的元素，其作用更大。一般认为被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界 面能，从而降低晶界的驱动力，使晶界不易移动。在结构钢中，通过加入能够形 成碳、氮化物的极微量的金属n b ( 0 0 1 5 ) 对于铁素体晶粒细化具有明显的作用， 而且由于加入量很少成本增加的不多，所以应用极微量的金属n b 是提高结构钢强 度的途径之一；( 3 ) 相邻晶粒的位向差，晶界的界面能与相邻晶粒的位相差有关， 小角度晶界的界面能小于大角度晶界的界面能，而界面移动的驱动力又与界面能 成正比例。因此，前者的移动速度要小于后者。 1 4 2 相变强化 热轧后加速冷却是提高钢材力学性能的有效途径。与常规热轧相比，其产品 的室温组织将从多边形铁素体( a ) + 珠光体( p ) 过渡为贝氏体( b ) + 多边形铁素 体( 口) 为主的组织。自7 0 年代至今，由h s l a 钢和低碳钢开发出的显微组织为贝氏 体( b ) + 多边形铁素体( a ) + 珠光体( p ) 的钢，显示了优良的性能指标和应用 前景。至今，高强低合金钢中更多的采用强韧性都很高的针状铁素体和粒状贝氏 体组纠川。 钢材的轧制过程中，合理的控轧控冷工艺可以在降低钢中微合金元素含量或 碳含量的情况下不降低钢的强度从而提高韧性。在加速冷却过程中起作用的主要 是相变强化以及达到加强的a 晶粒细化或碳氮化物沉淀强化效果。通过轧制后的 加速冷却，可以使未相变的y 晶粒发生相变生成微细的多边形铁素体晶粒，使0 晶 粒更加细密，且内部还可能包含亚晶粒。这种包含亚晶粒的混合组织可以使强度 增大。低碳钢轧后经加速冷却，当终冷温度在适当范围内时，将产生针状铁素体 和粒状贝氏体组织，这种组织由于位错密度高，基体上又均匀分布弥散而细小的 碳化物，因而具有较高的显微硬度值和较好的韧性3 1 3 2 1 。 1 4 3 固溶强化 一般固溶体的强度总是要比基体会属的强度高。也就是说金属形成合金后， 其应变强化能力一般比纯盒属的高。固溶强化可以看作是很小的可变形质点引起 的强化【3 3 1 。关于固溶强化的机理大体上可以分为三类，即( 1 ) 位错钉扎机制。位错 可被运动的溶质原子钉扎，从而造成强化，这种钉扎主要在合金发生屈服时产生 作用；( 2 ) 摩擦机制。运动的位错受到相对不动的原子所引起的应力场的阻碍，而 增加位错运动的阻力；( 3 ) 结构机制。溶质原子通过影响合金中的位错结构，而间 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 接地影响使位错运动所需要的应力大小。固溶强化是通过在固溶体中添加溶质元 素使强度升高的方法，也就是说固溶强化改变了金属的化学成分，保留了晶格中 铁素体的组织状态，它强化的金属学基础是运动位错与异质原子之间的相互作用。 固溶强化可以分为问隙式和置换式。根据文献 3 4 】，间隙原子可以与刃型位错和螺 型位错都发生交互作用，并且会产生c o t t r e l l 气团和s n o o k 气团，它们对溶质原子 的运动有很大的钉扎作用。间隙式固溶强化会造成晶格的强烈畸变，因而对强度 的提高十分有效，但同时由于间隙原子在铁素体晶格中造成的畸变不对称，所以 随着间隙原子浓度的增加塑性和韧性明显降低。螺型位错应力场不存在驱动置换 式原子有序换位的作用力，因此螺型位错可以顺利地通过置换原子区域而不受阻 碍。置换式溶质原子造成的晶格畸变较小，且大多球面对称，所以置换式原子的 强化作用较小，属于弱强化，对韧性的影响不明显。 1 4 4 析出强化 微合金元素的碳、氮化物的析出强化也是结构钢中最重要的强化方式。强化 作用主要是通过微合金元素的碳、氮化物在奥氏体向铁素体转变时在铁素体中析 出而产生的。高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒的长大很有效，但因 粒子