（材料加工工程专业论文）trip钢的工艺控制与性能研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文摘要 摘要 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 ) 钢是目前最有发展潜力的汽 车用钢。它同时兼具高强度和高塑性，其抗拉强度可超过1 2 0 0 m p a ，总延伸率可 达到3 0 。而且，t r i p 钢性能的可调节范围较广，不同成分的t r i p 钢经过不同 的热处理可得到不同的强韧性组合，以适应悬挂系统、传动系统、安全结构件等 的不同需求。本文所研究的t r i p 钢为自己通过成分设计而冶炼和轧制成的低碳 s i m n 系t r i p 钢。 低碳s i m n 系t r i p 钢通常为多相组织，其显微组织由铁素体( f ) 、贝氏体( b ) 和残余奥氏体( a ) 三相组成。t r i p 效应就是利用钢中的残余奥氏体在受力产生 应变的的情况下转变为马氏体，从而来达到强韧化的目的。本文针对实验用钢， 采用不同的热处理工艺获得了各种不同的显微组织，利用光学显微镜( o m ) 、扫 描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 分析了各种工艺制度下的显微组织，通过拉 伸实验测试了在不同拉伸速率下热处理后实验钢的力学性能，并采用x r a y 衍射分 析方法，检测了拉伸前后残余奥氏体含量的变化，探讨了显微组织与力学性能的 关系，根据拉伸断口的宏观与微观形貌分析了实验钢的断裂机理和方式。 关键词：相变诱发塑性，残余奥氏体，马氏体，贝氏体，铁素体 鞍山科技大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t r i p ( 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 ) s t e e li st h em o s tp o t e n t i a la u t o m o b i l e s t e e la tp r e s e n t i th a st h eh i g hs t r e n g t ha n dh i g hd u c t i l i t ya tt h es a m et i m e t h et e n s i l e s t r e n g t hc a ne x c e e d1 2 0 0m p a , a n dt h et o t a le l o n g a t i o nc a l lr e a c h3 0 t h ea d j u s t a b l e r a n g eo fp r o p e r t i e sf o rt r i ps t e e li sv e r yw i d e ，a n dt h et r i ps t e e lw i t l lt h ed i f f e r e n t c o m p o n e n tc a r lg e tt h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fs t r e n g t ha n dd u c t i l i t y , w h i c hc a nm e e t t h ed i f f e r e n td e m a n do fs u s p e n s i o ns y s t e m ，d r i v es y s t e ma n ds e c u r i t ys t r u c t u r e ，e t c t h e t r i ps t e e lw h i c hi ss t u d i e di nt h ep a p e ri sl o wc a r b o ns i m nt r i ps t e e lw h i c h d e s i g n e da n dr o l l e db ym y s e l f l o wc a r b o ns i m nt r i ps t e e li su s u a l l ym u l t i p h a s em i c r o s t r u c t u r e ，w h i c hi s m a i n l ym a d eu po 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 ) t h ea c q u i s i t i o no f t r i pe f f e c ti st h r o u g ht 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 et o m a r t e n s i t e ，t h e n ， r e a c h i n gt h ea i mo fs t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gt h es t e e l i nt h i sp a p e r , d i f f e r e n t m 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 tt r e a t m e n tp r o g r e s s ，t h e m i c r o s t r u c t u r ea tt h ed i f f e r e n th e a tt r e a t m e n ti sa n a l y z e dt h r o u g ht h eo p t i c a lm 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 em e c h a n i c a l p 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 曲u s i n gt h et e n s i l e e x p e r i m e n ta tt h ed i f f e r e n tt e n s i l er a t e ，d e t e c t i n gt h ec h a n g eo fc o n t e n to fr e t a i n e d a u s t e n i t ef o r ea n da f t e rt e n s i l eu s i n gt h ex r a yd i f f r a c t i o na n dr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n b 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 ，a n a l y z i n gt h ef r a c t u r em e c h a n i s ma n d m 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 dm a c r o s c o p i cp a t t e m o f n i c k 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 ，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 ，b a i n i t e ，f e r r i t e i i 鞍山科技大学硕士论文 第l 章绪论 1 1t r i p 钢的研究背景 第1 章绪论 当今时代汽车已经越来越普及，因此对于汽车用材料的需求也越来越大。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 、设计开发占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【1 】。 汽车工业一直是工业发达国家国民经济的支柱产业，所以钢铁生产中的薄板 产品，特别是深冲钢板，一直伴随着汽车工业的发展而发展，几乎所有新品种的 生产和新技术的采用都直接或间接的使汽车工业受益。同样汽车工业对钢板质量 和品种也提出了越来越高的要求，并促使冶金生产部门不断革新工艺和改进质量。 减重、节能、防腐、防污染、防噪声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： ( 1 ) 优良的成型性能，即高的塑性应变比r 值，高的均匀延伸率6u ，高的总延 伸率6t ，低的屈服强度os ，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； ( 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，以 求表面美观； ( 5 ) 高的耐蚀性能： ( 6 ) 良好的板形和表面平直度，严格的尺寸精度和性能均匀性； 其实，在众多的性能指标中，最重要的是强度和塑性指标。但往往这两个性 能是不容易同时获得的。塑性好的钢板强度往往低，而强度高的钢板塑性又很差， 故如果能同时获得这两种性能，就能很好满足汽车用钢板的要求。材料的强化方 式有多种，如固溶强化、位错强化、晶界细化、析出强化等等，但是这些强化有 的会对材料的焊接性、成型性、热镀锌性等有不良的影响。成型性低将使材料加 工成产品所需的最终形状变的困难，尤其是对于一些需要复杂形状的产品。 鞍山科技大学硕士论文 第1 章绪论 现在各种型号的热轧或冷轧高强度低合金钢板被用于生产汽车部件。这种革 新主要是由于2 0 世纪7 0 年代的石油危机引起的，这就要求汽车减轻重量从而来 节省燃油。另外，自从汽车配备了更多的零部件，例如自动防抱死系统、空调、 安全气囊等等，一方面是在减重，而另一方面又在不断的增加部件，这样的话汽 车总重的减轻只能通过对汽车结构件进行重量最优化来实现，而且结构部分还需 是轻质材料1 2 】。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，研究的重点集中到加强汽车的安全等级同时减 轻汽车重量上来【3 】。汽车减重的一个重要手段是采用高强度钢( h s s 钢，h i 曲 s t r e n g t hs t e e l ) 来代替原先使用的普碳钢。原先汽车所用的普碳钢，其屈服强度仅 为1 4 0 m p a 左右，而采用h s s 钢后，其屈服强度的下限为2 4 1 m p a 。如表1 1 【4 j 。 由于强度提高，按等强度转换原则，钢板的厚度就可以削减，这样自然就减轻了 车体的重量。 ， 表1 1 应用于汽车上的高强和超高强度钢的等级 t a b l e1 1h i g ha n du l t r ah i g hs t r e n g t hs t e e lg f a d e sa v a i l a b l et oa u t o m o t i v e 目前，h s s 钢主要包括固溶强化钢( s s h 钢，s o l i ds o l u t i o nh a r d e n e d ) 、烘烤硬 化钢( b h 钢，b a k eh a r d e n e d ) 、沉淀硬化钢( p h 钢，p r e c i p i t a t i o nh a r d e n e d ) 、双相 钢( d p 钢，d u a lp h a s e ) 以及相变诱发塑性钢( t r i p 钢，t r a n s f o r m a t i o ni n d u c e d p l a s t i c i t ys t e e l ) 等，它们都具有良好的抗拉强度和延伸率1 5 j 。 其中相变诱发塑性钢是一个新的钢种，是以一种新的思路对钢强韧化，即利 用钢中的残余奥氏体在受力产生应变的的情况下转变为马氏体，从而来达到强化 的目的，同时材料的塑性又会大大增加，这样同时实现了强韧性能的最优化，是 其它钢种所不具备的。从已有的研究结果可知，在h s s 钢中，同时兼具高强度和 相当韧性的钢只有t r i p 钢。如t r i p 钢在1 2 0 0 m p a 下，其延伸率仍在2 5 以上， 这样的延伸率适于冲压某些结构件。但对于辅以沉淀硬化的双相钢来说，在此强 2 鞍山科技大学硕士论文 第1 章绪论 度级别下，其延伸率仅在1 0 左右，适于的冲压件就很少了。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，显著提高了汽 车的安全等级，具有明显的优越性。这种钢板的应用在汽车界引起广泛的关注和 重视。t r i p 钢性能的可调节范围较广，不同成分的t r i p 钢经过不同的热处理可 得到不同的强韧化组合，以适应悬挂系统、传动系统、安全结构件等的不同需求。 n u p 钢是最有应用前景的汽车用钢，并被各国公认为新一代高强度钢。图1 1 1 5 】 是各种h s s 钢板的性能比较，可以看出t r i p 钢的综合性能是较好的。 图1 1 各类汽车钢板抗拉强度和延伸率的比较 f i 9 1 1c o m p a r i s o no f t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nf o rv a r i o u sg r a d e so f a u t o m o t i v es h e e ts t e e l s 1 2t r i p 钢的发展历史 1 9 6 7 年z a c k e y l 6 1 等首次发表了利用相变诱发塑性效应以改善奥氏体不锈钢塑性 的研究成果。随后的几年中，陆续出现的一些实验研究报道，主要涉及有关相变 诱发塑性效应的形成机制探讨、相变诱发塑性效应对应力一应变曲线的影响规律 等。然而，当时所研制的t r i p 钢主要基于奥氏体不锈钢或高强度钢，价格昂贵且 实现相变塑性必须在中温形变热处理，不能应用于大件和焊接件，限制了其应用 范围。 1 9 7 5 年，在双相钢研究中，h a y a m i l 7 1 等也发现了具有t r i p 效应的残余奥氏体。 鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论 几年后，具有高强度和较大均匀伸长率的双相钢开始在汽车工业中得到应用，并 显示出良好的应用前景。但是，双相钢的应用仍然存在强度高而塑性差的矛盾。 为解决这一问题，具有t r i p 效应的双相钢开发重新引起了重视。 2 0 世纪8 0 年代末，采用双相区临界退火和贝氏体转变区保温的热处理工艺， 可生产具有铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相组织的t r i p 钢m j 。冶金工业生产技 术的发展如控轧控冷、连续退火等技术为高效率、大批量生产t r i p 钢创造了条件。 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，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t r i p 商品钢板，进一步开发出不同品种、规格和性能的t r i p 钢1 9 j 。 1 3t r i p 钢的研究进展 欧美各国在t r i p 钢的研究上做了大量的工作，高校与钢铁公司的优化组合使 得该钢的研究和产业化进程发展迅速i i o l 。比如比利时鲁汶材料系的三个教研室都 与钢厂合作，从各自不同的方向：如物理冶金、力学冶金和化学冶金等方面做了 很多在国际上有影响的研究。鲁汶大学材料系与钢厂合作，已经生产出含硅仅0 4 的低硅t r i p 钢。该钢有极好的表面质量并已成功应用于汽车工业。北美学者曾研 究过冷轧和热轧过程中各种不同工艺途径( 压下量、冷速、等温淬火时间和温度) 对t r i p 钢性能的影响，也研究过微合金含量对t r i p 钢组织和性能的影响。德国 高校曾对t r i p 钢的强化机制：如流变行为、应变硬化速率、速率敏感度等做过细 致的研究，并且有些研究成果已应用到t r i p 钢的生产工艺中。欧美各国在生产双 相钢方面有成功的经验，针对双相钢强度高，塑性不足的缺点，在对生产线不做 改动的前提下探索新工艺途径，使双相钢也具有t r i p 效应，他们称这种钢为具有 t r i p 性能的双相钢，而不简称为t r i p 钢，这是欧美材料工作者研究t r i p 钢的另 一特色。 日本是最早对t r i p 钢进行研究的国家。早在1 9 8 7 年，新日铁公司就对h s s 钢的各钢种的性能做了系统研究，其中包括t r i p 钢的整个性能段。由于竞争，日 本别的钢铁公司并未沿用新日铁的生产方法，而是另辟蹊径，研制出更新型的t r i p 钢。目前发表的考伯钢铁公司生产的t r i p 钢，是一种完全新型的以贝氏体为基体 的t r i p 钢。据其称该钢有目前最好的强韧性配合。 目前，在国内宝钢6 0 0 m p a 级别的普冷和电镀锌t r i p 钢已经可以批量生产， 并成功用于国内某些轿车。热轧、热镀锌t r i p 钢和强度级别更高的t r i p 钢，宝 钢正在研制中。 1 4t r i p 钢的应用 在日本，三菱汽车公司为了降低汽车燃料费用，和新日铁、住友金属及神户3 家钢铁公司共同开发汽车底盘零件用t r i p 高强度钢板。新钢板系5 9 0 m p a ( 6 0 k g 级) 残留奥氏体高强度钢板。这种钢板具有传统带钢优良的冲压成型性和高的焊接 性能，同时延伸率进一步提高，并能适应局部大弯曲、大延伸要求的凸缘成型的 要求。这种材料已被用作概念车底盘上约8 0 种零件，同传统钢板相比，用这种钢 板制造的零件重量减轻约1 2 ，每台车重量减轻约1 4 k g ，经济效益明显i l “。随着 生产工艺的不断提高和完善，t r i p 钢板的大规模工业化生产已成为可能，应用前 景也将更加广阔。 同时，在矿山中t r i p 钢也有应用。以前煤矿巷道支护主要以木材为主，后来 发展了金属支架，这种支架需要特别高的强度和大的承载能力，所以t r i p 钢在这 方面也得到了应用。用于制作锚杆的t r i p 钢相对都是高碳的，含碳量基本在o 6 左右【1 2 l 。 同时t r i p 钢也是当前能源、交通、机电等行业急需的新型钢种，国际上t r i p 钢已在石油开采、运输、船舶、冶金、矿山及工程机械等领域中应用【l ”，现己开 发了t r i p 型热轧、冷轧板带、型钢和无缝钢管等品种。 1 5t r i p 效应原理及t r i p 钢生产工艺 1 5 1t r i p 效应原理 相变诱发塑性钢( t r i p ) 之所以比其他高强度钢性能优异是因为它根据钢的合 金化和相变原理，采用特定的化学成分和独特的热处理工艺，并充分运用了钢中 “相变诱发塑性效应”这一独特的强韧化手段。首先将钢在两相区( a q ) 进行等温 退火，等温退火之后微观组织包括低碳的铁素体和高碳的奥氏体，但是在这个阶 段，奥氏体含碳量基本在0 3 左右，这个含碳量对于要在室温下使奥氏体稳定是 不够的。然后就要进行中温贝氏体等温淬火，这样会使奥氏体进一步富碳，从而 使得钢中有较大量稳定性适当的奥氏体在室温下保留下来，称作残余奥氏体l i “。 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“t r i p 效应”。以拉伸试验为例，残余奥氏体的t r i p 效应可解释 为【“l ： ( 1 ) 拉伸变形时变形最大的部位首先诱发马氏体相变，使局部强度提高，难以 鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论 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驰，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，高能界面不利于裂纹的扩展，因此宏 观效应表现为伸长率的提高，特别是均匀伸长率的提高。 可以看出，生产这种高强韧结构材料就是巧妙利用了钢的特定化学成分和热 处理工艺这两个外部条件的结合，而充分发挥钢中残留奥氏体发生马氏体相变这 一内在因素的作用。因而得到了比其他任何强化手段都优越的强韧化效果。 1 5 2 冶炼和浇注工艺 t r i p 钢冶炼和浇注工艺不象超低碳钢那样严格。通常c 含量在转炉中可以得 到控制，脱0 和脱s 过程也与优质合金钢要求相似。只要保证c 和加入的合金元 素控制在规定的范围内，且夹杂物含量少于要求的最大值，浇注时注意防止再次 氧化和增碳，就可生产质量合格的钢材，以满足t r i p 钢轧制工艺的需求。 1 5 3 轧制工艺 根据对钢板品种、规格的要求，t k i p 钢可分别采取热轧或冷轧工艺生产，并 且各自配置相应的轧后热处理方式。热轧或冷轧t r i p 钢的生产工艺原理如图1 2 。 1 h 雎 图1 2t r i p 钢获得三相组织的工艺，( a ) 热轧材的形变热处理工艺( b ) 冷轧材的热处理工艺 f i 9 1 2t w or o u t e so b t a i n i n gt h em u l t i - p h a s em i c r o s t r u c t u r ef o rt 融p s t e e l ( a ) t h e r m o m e c h a n i c a lp r o c e s s i n g - t m p ( b ) h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n gf o rc o l dr o l l e ds t e e l 6 oo日丑=譬_目5ag目_ 鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论 在连续退火炉中，经冷连轧机组生产的冷轧带钢加热至铁素体、奥氏体临界 区某一温度，然后等温一段时间，以形成一定体积的铁素体，使c 和m n 集聚于 奥氏体中：在随后的缓冷至稍高于a 1 的过程中，铁素体晶粒继续长大：然后，快 速冷却至贝氏体开始转变温度，保温停留，以使珠光体转变不能发生而是产生奥 氏体向贝氏体的转变。t r i p 钢中的合金化元素主要是置换型合金元素s i 和m n 。 m n 主要通过固溶强化降低，一t 7 相变温度而促使晶粒细化，改变相变后的微观组 织。m n 的存在可降低马氏体转变温度m 。，通过合适的奥氏体稳定化处理，可使 m 。温度降至室温以下。s i 在钢中是抑制形成渗碳体的元素，它能增加碳在奥氏体 中的活度，阻碍渗碳体形核和长大。由于贝氏体转变中存在s i ，形成贝氏体和或 铁素体时没有渗碳体析出，因而提高了残余奥氏体中的碳浓度，降低了m 。温度， 有利于增加室温下的残余奥氏体量。最后，钢板缓冷到室温，形成了贝氏体和残 余奥氏体同时存在且主要集中于铁素体晶界上的组织。 同理，在热连轧生产线上，经过奥氏体区或奥氏体和铁素体两相区热轧的带 钢缓冷至a i 附近，获得一定体积的铁素体后，再快冷至贝氏体开始转变温度处进 行卷取、保温停留，随后缓冷至室温，也可得到铁素体、贝氏体、残余奥氏体三 相共存的组织。 非带卷的热轧和冷轧钢板采用的热处理过程都为两段式。首先，将钢板加热 至铁素体、奥氏体临界区某一温度保温一定时间( 如7 7 0 x5 m i n ) ，形成一定体积 的铁素体且长大为一定尺寸的晶粒组织，同时集聚于奥氏体中的c 和m n 含量达 到一定程度；然后，快冷至贝氏体开始转变温度再次保温停留( 如4 0 0 cx 4 m i n ) ， 形成一定体积的贝氏体，并且s i 的作用使集聚在奥氏体中的c 量更加增多，以致 m s 降至室温下：最后，缓冷至室温，完成t r i p 钢所需的组织结构转变。 实际上，热轧t r i p 带钢的组织形成是在线实现的，生产率高，成本低，但工 艺控制难度较大。冷轧t r i p 钢的组织形成是离线实现的，它们的热处理过程一般 与轧制工艺不相连，因而生产周期长，效率低，成本高。但工艺控制相对容易。 因此，如果想要实现大规模的生产，还是要发展热轧t r i p 钢的在线生产。 1 6t r i p 钢的特点 1 6 1t r i p 钢成分特点 t r i p 钢的成分以c 、m n 、s i 合金系为主，有时也可根据具体情况添加少量的 c r 、v 、n i 等合金元素。因此，它的成分特征是：低碳、低合金化、钢质纯净【9 1 。 ( 1 ) 低碳 鞍山科技大学硕士论文第l 章绪论 含碳量高，残余奥氏体数量增多，有利于t r i p 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o 1 加4 。 ( 2 1 低合金化 s i 主要以固溶方式存在于t r i p 钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使 c 进一步积聚于未转变的奥氏体中，促使马氏体开始转变温度m 。降至室温以下， 形成富碳的残余奥氏体，获得t r i p 效应产生的基本条件。但是，s i 加入过多，致 使钢的a r 3 升高，奥氏体不稳定性增加，不利于残余奥氏体的获得。 m n 既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分f e 原子，还能形 成硫化物。它的作用主要是增强奥氏体稳定化，延长其转变孕育期，使铁素体和 贝氏体转变容易控制，同时也促使m 。降至室温以下，形成一定体积的富碳的残余 奥氏体。同样m n 加入过多，会引起t r i p 钢贝氏体转变过慢，导致残余奥氏体体 积增多。同时，也会使冶炼和轧制过程中出现白点的几率增大，晶粒粗化的趋势 增强。另外，s i 和m n 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，t r i p 钢的含硅量和含锰量均控制在1 2 的范围内。 n i 加入t r i p 钢中，主要起到扩大奥氏体稳定区，降低m 。，有利于残余奥氏 体获得的作用。如上所述，n i 的作用与m n 相同，但其影响程度仅为m n 的一半。 n i 加入过多，也导致残余奥氏体体积增多，强度降低，塑性提高。另外，n i 作为 稀缺的重要战略物资也不宜大量使用，通常应尽量采用其它元素如s i 、m n 、c r 、 v 取代。c r 和v 以固溶形式存在于t r i p 钢中，使贝氏体转变区域向低温区域移 动，降低了m 。，有利于残余奥氏体获得。此外，v 还具有细化晶粒和抑制石墨化 的作用。t r i p 钢中，c r 和v 也不宜加入过多，通常c r 3 8 0 三6 0 0兰2 6 一一 三o 2 一 鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论 1 7 影响t r i p 效应的因素 1 7 1 残余奥氏体稳定性对t r i p 效应的影响 ( 1 ) 奥氏体晶粒度与形状的影响 表征奥氏体稳定化的主要参数是奥氏体向马氏体转变的开始温度m 。，m 。越 低，奥氏体越稳定。通常奥氏体的m 。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。研究表明【i ”，奥氏体晶粒度越大，贝氏体转变区等温 形成的贝氏体板条束越大，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z a r e i a 【1 7 】等研究含n b 和不含n b 的t r i p 钢晶粒度对残余奥氏体的 影响时却得出相反的结论，其原因可能是，含n b 钢中的奥氏体晶粒越粗大，在形 变热处理时经受的变形越小，析出的n b ( c ，n ) 量越少，固溶于奥氏体中的n b 越多， 母相奥氏体越稳定，从而使最终组织中的残余奥氏体量增加。表现在材料力学性 能方面，则是强度和塑性提高。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。 。 残余奥氏体的形态对于其稳定性也是非常重要的。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索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t r i p 效应贡献不大【1 8 , 1 9 】。 s u g i m o t o k 【2 0 】等基于残余奥氏体和第二相( 贝氏体、马氏体) 的形貌研究了残余奥 氏体的稳定性和变形特性，估算了残余奥氏体周围硬质点对其产生的静压力。认 为第二相硬质点周围的膜状残余奥氏体的稳定性高于孤岛状残余奥氏体的稳定 性。同时他们将贝氏体、马氏体和残余奥氏体作为第二相，通过对其强度的研究 指出：膜状残余奥氏体比孤岛状残余奥氏体的平均强度高，因而尽管流变应力较 高，但塑性较低。这与t s u k a t a n i l l 2 1 1 等认为残余奥氏体周围硬质相的应力传递导致 残余奥氏体早期转变的观点相矛盾。j a c q u e s p 阱】等认为：铁素体内的残余奥氏体晶 粒与热轧组织中的珠光体晶粒有关，因此，其化学成分与铁素体晶界处残余奥氏 体的化学成分不同。综合考虑残余奥氏体的尺寸和成分等因素，铁索体晶内的残 余奥氏体应更稳定。 ( 2 ) 合金元素与工艺的影响 1 硅含量和锰含量对残余奥氏体中的碳含量和稳定性以及最终力学性能的影响 很大。随着钢中锰含量由1 5 增加到2 0 ，马氏体量增加，铁素体量降低，进而 1 0 鞍山科技大学硕士论文 第1 章绪论 改变了显微组织结构，导致应变诱发相变塑性和硬化率的变化。其结果是残余奥 氏体中的碳含量降低，残余奥氏体的稳定性下降。同时，由于残余奥氏体周围硬 质相( 如马氏体) 的存在，在拉伸变形时，拉应力会直接通过马氏体传递给残余 奥氏体，从而使得残余奥氏体在应变早期发生转变。也就是说，t r i p 钢中大量马 氏体的存在恶化了t r j p 效应。某些研究人员认为，增加锰含量促进了交滑移，并 在残余奥氏体周围的铁素体中形成位错胞状组织，因而使残余奥氏体受到局部应 力作用而快速转变成马氏体。而硅含量的增加促进了平面滑移并造成位错在铁索 体中的随机排列，使得残余奥氏体产生渐变型应变诱发相变。通过非再结晶区的 形变，在基体组织中引入缺陷亦可改善残余奥氏体的稳定性，从而影响材料的力 学性能。非再结晶区的形变改变了残余奥氏体量，为达到较好的t r i p 效应，有一 最佳形变量。对于他们所研究的钢而言，2 0 的形变量可以达到材料所要求的残余 奥氏体量与强度和塑性的良好匹配。这主要是由于缺陷的引入增加了扩散型相变 动力，并延迟了切变型相变。此外，他们对形变带和孪晶及非再结晶区温度对残 余奥氏体量、残余奥氏体稳定性及对强度和塑性的影响也进行了系统研究1 2 ”。 1 7 2 铁素体对t r i p 效应的影响 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t r i p 效应具有辅助作用。铁索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的，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。目前，研究铁素体对性能影响的报道较少f 2 3 2 4 乃】，仅限于双相钢中， 大多数研究的是t r i p 钢中残余奥氏体及成分对性能的影响。 z a r e i a z l 2 4 1 等对铁素体形成特性进行了研究，探讨了母相奥氏体晶粒度、铁素 体量对残余奥氏体的影响，认为铁素体量的变化与奥氏体中碳含量和合金元素有 直接的关系。为取得较好的t r i p 效应应优化铁素体量，以便获得最大量稳定的残 余奥氏体。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t r i p 效应的发挥。 非再结晶区的饼状化和两相区变形可以使铁素体形核点增多，晶界齿状化， 变形带和孪晶增多，但饼状化不能增加残余奥氏体量。两相区变形不仅改善铁素 体晶粒的细化效果，而且使残余奥氏体量增加。铁素体晶粒细化增加了铁素体与 奥氏体的界面面积，使组织中位错密度提高( 更细的亚晶) ，促进m n 的扩散，导 致合金化元素的快速分配。因而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。两相区等温加热至珠光体出现前缓冷的研究表明【2 ”，冷却 鞍山科技大学硕士论文第1 苹绪论 速度大于5 0 * c s 可使铁素体量增加、铁索体中碳含量降低、残余奥氏体量增加、 残余奥氏体稳定性提高、屈服强度降低、均匀伸长率和总伸长率增加，但基本不 影响抗拉强度。因此当冷却速度大于5 0 s 后，可获得强度与塑性的良好匹配。 z a r e i a z l 2 6 】等认为，如果铁素体量过多，会在随后的冷却过程中形成珠光体，降低 残余奥氏体中的碳、锰含量和残余奥氏体的稳定性，影响力学性能。对形变热处 理而言，变形后冷却速度提高，除残留缺陷外还可降低a r 3 温度，阻碍铁素体形核 后的晶粒长大，提高铁素体的应变强化率和残余奥氏体量，进而改善强度和塑性。 两相区的连续冷却，生成由多边形和针状铁素体组成的混合组织，可进一步分割 母相奥氏体晶粒，使得残余奥氏体晶粒更细小，稳定性提高，从而改善强度和塑 性。s a k u m a v 等【2 ”观察出现连续屈服的试样时发现，连续屈服特性和奥氏体向马 氏体的转变与铁素体中产生的位错有关。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。 1 7 3 贝氏体对t r i p 效应的影响 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。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。尽管研究人员对 贝氏体铁素体与奥氏体界面上合金元素是否存在再分配现象尚有争议，但对t r i p 钢在贝氏体转变温度范围不存在置换型合金元素的再分配则是比较肯定的。两相 区退火是决定贝氏体铁素体成分的关键，因此只有通过调节母相的合金含量才能 改变贝氏体铁素体的成分。大量实验结果证实 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 ，在t r i p 钢的贝氏体转 变区等温加热；碳仍会向未转变的奥氏体中扩散，使奥氏体表层富碳，从而进一 步提高奥氏体中的碳浓度，阻碍贝氏体铁素体晶粒进一步长大。如果转变温度过 高，碳向奥氏体中大量扩散，使得贝氏体铁素体晶粒过度长大，残余奥氏体量减 少，钢的强度降低；转变温度过低，尽管碳大部分固溶于贝氏体铁素体中，贝氏 体铁素体晶粒较小，钢的强度较高，但残余奥氏体量降低，使钢的塑性不足。 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。奥氏体的变形 不仅影响贝氏体铁索体晶粒的形状和大小，而且对贝氏体铁索体板条束的晶体学 取向有影响。未变形时，形成的贝氏体铁索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索体的形核点，减小了贝氏体铁素体的晶粒尺寸及 增加了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 鞍山科技大学硕士论文 第l 章绪论 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 7 4 合金元素对t l u p 效应的影响 合金元素也对t r i p 效应产生影响。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9 4 0 m p a 和3 0 。含钼t i u p 钢板的抗拉强度高达1 0 2 0 m p a ，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、锰元素影响残余奥氏体含量和相变转化率。当锰含量高时，残余奥氏体 的含量也高，而硅含量高的合金残余奥氏体的含量较低，表明锰在提高残余奥氏 体含量的作用上比硅高。对于硅含量高的合金，当残余奥氏体中的碳含量较高时， 在相同的塑性变形条件下可以获得高的马氏体转化率。 磷可以用来减小硅在t r i p 钢中的聚集而不影响钢的力学性能，对a c l 、a c 3 的影响较小，c m n p 、c m n a it r j p 钢板同c s i m nt p 钢板相比，在贝氏体 等温处理时没有明显的相变动力学的差异。含铜的t r j p 钢抗拉强度可达1 0 0 0 m p a ， 延伸率为2 0 ，显著提高了综合性能。铜有很强的固溶强化作用，l 的铜含量可 提高5 0 m p a 的强度，但铜的溶解仅在高温时发生，室温下几乎为零，铜还通过细 化晶粒来提高强度。在铁素体冷却的过程中，铜的溶解度迅速降低，产生析出硬 化。l o c a s 的研究表明含铜的t r i p 钢避免了贝氏体相变过程中碳化物的形成，使 残余奥氏体的稳定性得到提高，含有铜镍的t r j p 钢抗拉强度可达1 0 1 5 m p a ，延伸 率达2 1 ，综合力学性能最佳，而且具有降低等温温度和缩短等温时间的作用， 能够降低能量消耗，节省时间，提高生产率，有良好的工业应用前景。 1 7 5 热处理对t l u p 效应的影响 等温处理对t r j p 效应也有重要影响。当t r j p 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 5 m i n 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m 。+ ( 2 0 3 0 ) 时可得到最高含量的残余 奥氏体和最佳的力学性能。 鞍山科技大学硕士论文第1 章绪论 1 8 本文研究内容、目的和意义 1 8 1 研究的目的和意义 本文所研究的低碳s i m n 系t r i p 钢是目前最具发展潜力的新一代汽车用钢， 其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 著提高了汽车的安全等级。本文重点研究的是t r i p 钢的组织与性能，目的是分析 影响组织与性能的因素，从而为制定更加合理的工艺提供依据。 1 8 2 研究内容 本文主要通过组织观察与分析，结合拉伸实验，研究了以下内容： ( 1 ) 观察不同热处理制度下t r i p 钢的显微组织。 ( 2 ) 分析n t i p 钢变形后组织与性能的变化。 ( 3 ) 研究t r i p 钢断裂的机理与方式。 结语 目前，c s i m n 系t r i p 钢作为一种新型的汽车用钢受到国内外汽车行业的青 睐。它主要用于制造汽车用挡板、底盘部件、车轮轮辋、车门、冲击梁等。此外， t r i p 钢板可用做热镀锌和锌镍电镀锌的基板，以生产高强度、高塑性、高拉胀性 和高耐腐蚀性的镀锌板。而且t r i p 钢在其它领域也有着广泛的用途。国外已经成 功的迈出了从研究到产业化这一步，而我国对t r i p 钢的研究与国际水平相比存在 着较大差距。我们必须迎头赶上，加快对t r i p 钢研究的步伐，争取早日实现t r i p 钢的国产化，并力争赶上并超过国际先进水平。 1 4 第2 章实验材料与实验方法 2 1 实验用t r i p 钢的冶炼 t r i p 钢冶炼和浇注工艺不象超低碳钢那样严格。通常c 含量在转炉中可以得 到控制，脱o 和脱s 过程也与优质合金钢要求相似。只要保证c 和加入的合金元 素控制在规定的范围内，且夹杂物含量少于要求的最大值，浇注时注意防止再次 氧化和增碳。 本实验要冶炼的为低碳s i m n 系t r i p 钢。实验用钢采用中频感应加热炉冶炼， 炼钢原料为碳素废钢和硅铁、锰铁。根据所需钢种的化学组成和原料的化学组成 以及冶金物料平衡原理，计算出需加的废钢和硅铁、锰铁的量。冶炼后钢的化学 成分如下表2 1 。 表2 1 t r i p 钢化学组成 t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t r i ps t e e l ( w t ) 2 2 实验用t r i p 钢的轧制与加工 将熔炼的钢水浇注成1 5 蝇的钢锭，锻成方坯后热轧。热轧采用的是鞍钢技术 中心的四辊可逆式实验轧机，开轧温度为1 2 0 0 c ，终轧温度为9 0 0 。c ，经过4 个道 次热轧成4 m m 厚的钢板，然后经多个道次冷轧成l m m 厚的薄板，冷轧采用的是 东北大学国家重点实验室的二辊轧机。把冷轧后的钢板沿轧制方向切割成 2 0 m m x 2 2 0 m m 的矩形试样，热处理后加工成标准拉伸试样。同时切割出 2 0 m m x 2 0 m m 的组织观察与分析试样。 2 3t r i p 钢的热处理方法 t r i p 钢的热处理采用的是临界区等温退火+ 贝氏体区等温淬火，淬火后油冷 至室温，热处理时采取不同的加热温度和保温时间。临界区退火采用的是鞍山科 技大学热处理实验室的箱式电阻加热炉，等温淬火用的是坩埚式盐浴炉，淬火介 质为工业亚硝酸钠，