（材料加工工程专业论文）高锰钢变形机制及热轧工艺研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n m 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 s t u d yo f d e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dh o t r o l l i n gp r o c e s so n t h eh i g hm a n g a n e s e s t e e l s b yw a n g y u n h u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rd i n gh u a l e c t u r e rt i a nx u e f e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 m 9删9 舢0m 24 舢8 m胛y 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方0 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。 学位论文作者签名： 江云多矽 日 期：z 一产矿7 厂 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。 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 土 i 廿 l 东北大学硕士学位论文摘要 高锰钢变形机制及热轧工艺研究 摘要 为了满足汽车工业对安全性、经济性、环保以及表面质量的要求，钢铁工业 正在不断的改进创新。在2 l 世纪，大多数汽车钢的研究主要集中在开发新型u h s s 来满足超轻钢汽车车身( u l s a b ) 计划。这些钢种包括双相钢、相变诱发塑性( t r i p ) 钢、孪晶诱导塑性( t w i p ) 钢和硼钢。 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 ) 钢又称相变诱发塑性钢，t r i p 钢板具 有高的强度、延展性和冲压成形能力，用作汽车钢板可减轻车重、降低油耗，同 时有较强的能量吸收能力，能够抵御撞击时的塑性变形，显著地提高了汽车的安 全等级，具有明显的优越性。 t w i p ( t w i n si n d u c e dp l a s t i c i t y ) 钢是通常是指锰含量为1 5 3 0 的高锰钢， t w i p 效应又称孪生诱发塑性效应，是指超高锰钢中因为机械孪晶的形成而具有的 不寻常的塑性。t w i p 钢由于具有高的加工硬化率、高的延展性、高的强度等一系 列优良的机械性能，因此在未来的汽车工业生产中具有广阔的发展和应用前景。 本文以锰含量为l8 8 和2 3 8 的两种高锰奥氏体钢作为研究对象，研究了 不同锰含量的高锰钢在不同变形量时的组织和变形机制，以及热轧高锰钢的组织 和力学性能，并分析了两种钢的拉伸应变硬化行为。为大规模工业生产、应用提 供了理论基础与实验依据。 本文的实验内容包括： ( 1 ) 通过光学显微镜、透射电镜以及x 射线衍射分析了1 8 8 m n 和2 3 8 m n 实 验钢在室温下，应变速率为1 10 。3 s 时不同变形量的显微组织和变形机制。l8 8 m n 实验钢塑性变形初期为位错滑移和t r i p 效应：变形中期主要以t w i p 效应为主； 变形后期主要发生t r i p 效应，在整个变形过程中都伴随着t r i p 效应发生。2 3 8 m n 实验钢变形机制主要是t w i p 效应。 ，【2 ) 通过对两种实验钢的真应力真应变曲线分析，微观组织的观察以及x 射 线衍射对不同变形量时相组成的测定，探讨了拉伸硬化阶段曲线所遵循的规律。 对18 8 m n 钢的变形分为四个阶段：1 ) 弹性变形阶段；2 ) 塑性变形的线性阶段； 3 ) 塑性变形的非线性阶段；4 ) 马氏体开始屈服阶段。对2 3 8 m n 钢变形分为三个 阶段：1 ) 弹性变形阶段；2 ) 塑性变形的线性阶段；3 ) 塑性变形的非线性阶段。 东北大学硕士学位论文摘要 ( 3 ) 研究了锰含量为1 8 8 的热轧实验钢的力学性能与组织组成，其抗拉强度 达9 3 0 m p a 以上，延伸率达4 l 以上，强塑积达3 6 g p a 以上。同时对锰在奥氏 体钢中的强化机制进行了分析。锰元素的固溶强化并不是高锰奥氏体钢最主要的 强化机制，应力诱发的相变强化及t w i p 效应才是关键的强化机制。 关键词：t r i p 钢，t w i p 钢，奥氏体钢，强度，塑性，应变硬化 ； 飞 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fd e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dh o t r o l l i n gp r o c e s so nt h eh i g hm a n g a n e s es t e e l s a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so f v e h i c l e ss u c ha s s a f e t y , e f f i c i e n c y ，e n v i r o n m e n t a l ， r e s p o n s i b i l i t ya n dg o o ds u r f a c eq u a l i t y , t h es t e e li n d u s t r yi sc o n s t a n t l ym a k ep r o g r e s s b yt h e2 1 s tc e n t u r y ，m o s tp r o j e c t s o fa u t o m o b i l es t e e l sh a v e b e e nf o c u s e do n d e v e l o p i n gn e wk i n d so fu h s sa n dn e ws t y l es t e e l st om e e tt h en e e d so ft h ep l a no f u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ( u l s a b ) t h e s es t e e l si n c l u d ed u a l p h a s es t e e l ，( t r i p ) s t e e l ，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 w i p ) s t e e la n db o r o ns t e e l 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 se x h i b i tas u p e r i o rc o m b i n a t i o no f s t r e n g t ha n dd u c t i l i t yc o m p a r e dt op r e c i p i t a t i o nh a r d e n e ds t e e l sa n ds o l u t i o nh a r d e n e d s t e e l s t r i ps t e e l sm e e tt h e s er e q u i r e m e n t st h a tt h ew e i g h td e c r e a s ef o rf u e le f f i c i e n c y a sw e l la st h es a f e t yi sc o n t i n u i n gt ob em a j o rc o n c e r n si na u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g t h el a r g es c a l ep r o d u c t i o no ft r i ps t e e ls h e e t sh a sb e c o m eaf a c tw i t hp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yi m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n t ，a n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c tw i l lb ew i d e r t w i ps t e e li sm a i n l ym a n g a n e s es t e e lw i t hm nm a s sc o n t e n t so f1 5 - 3 0 ，t w i p i st w i n n i n gi n d u c e dp l a s t i c i t ye f f e c t ，a n di tc a ni n d u c eu n u s a lp l a s t i c i t yb e c a u s eo ft h e m e c h a n i c a lt w i n n i n gi nu l t r ah i g hm a n g a n e s ea u s t e n i t i cs t e e l t w i ps t e e l se x h i b i t s o m es p e c i a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hw o r k - h a r d e n i n g ，l a r g ee l o n g a t i o na n d h i g ht e n s i l es t r e n g t h t h ei m p r o v e m e n ta n da p p l i c a t i o nw i l lb ew i d e ri nt h ev e h i c l e i n d u s t r yi nt h ef u t u r e i nt h i sa r t i c l e ，t w od i f f e r e n tc o n t e n th i g hm a n g a n e s ea u s t e n i t es t e e l s ( 18 8 m na n d 2 3 8 m n ) a r e s t u d i e d t h er e l a t i o nb e t w e e nm nc o n t e n t sa n dd e f o r m a t i o n m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s a m p l e s h a v e b e e ns t u d i e d ，t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh o tr o l l i n gs t e e la n dt h et e n s i l es t r a i n h a r d e n i n gb e h a v i o u r so ft h es t e e lh a v eb e e ns t u d i e d t h e s ea r em a n yc o n c l u s i o n sc a n o f f e rg i s to ft h e o r ya n de x p e r i m e n tf o rc o m m e r c i a lr u n t h ec o n t e n t so ft h i sa r t i c l ei n c l u d ef o l l o w i n gi t e m s ： i v i痧。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( 1 ) b yt h eo p t i c a lm i c r o s c o p e ，t 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 y ( t e m ) a n dxr a y d i f f r a c t i o n ，t h es t e e lo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e f o r m i n ga m o u n ta n dm i c r o s t r u c t u r e h a v eb e e ns t u d i e do ft h es t e e lt h a tt a k et e n s i l es t r a i ne x p e r i m e n to fr o o m t e m p e r a t u r e w i t ht h es t r a i nr a t eo f1 0 一s t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h es a m p l e sa td i f f e r e n td e f o r m i n g a m o u n tw e r ea n a l y z e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw h e nt h e r ee x i s tb o t ht r i pe f f e c ta n d t w i pe f f e c ti ns t e e ld u r i n gt e n s i l es t r a i ne x p e r i m e n t ，t h ed i s l o c a t i o na n dt r i ph a p p e n s e a r l i e r ；t h et w i ph a p p e n si nt h em e d i u m - t e r m ；t h et r i ph a p p e n si nt h el a s t t h e2 3 8 m ne x p e r i m e n t a ls t e e le x i s tb o t ht r i pe f f e c t a n dt w i pe f f e c t ，b u tt h et w i pe f f e c t b e c o m e st h em a i nd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h es t e e l ( 2 ) t h ei n d u r a t i o ns t a g eo ft h et e n s i l es t r a i nc u r v eh a v eb e e ns t u d i e db yt h et r u e s t r e s sa n dt r u es t r a i nc u r v e s o ft h et w ok i n d so fs t e e l sa n dt h eo p t i c a lm i c r o s c o p e ， t 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 y ( t e m ) a n dxr a ya n a l y s i sd i s c u s s e d ，a n da n a l y s i s w h a tl a wh a v ef o l l o w e d t h e1 8 8 m ne x p e r i m e n t a ls t e e ld e f o r m a t i o nc o u l db ed i v i d e d i n t of o u rd i f f e r e n ts t a g e s ：1 ) e l a s t i cd e f o r m a t i o np h a s e ；2 ) t h el i n e a rp l a s t i cd e f o r m a t i o n s t a g e ；3 ) t h en o n l i n e a ro fd e f o r m a t i o no ft h ep l a s t i c i t ys t a g e 4 ) t h eb e g i n n i n go ft h e m a r t e n s i t e y i e l ds t a g e a n d t h e2 3 8 d e f o r m a t i o nc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e e d i f f e r e n ts t a g e s ：1 ) e l a s t i cd e f o r m a t i o np h a s e ；2 ) t h el i n e a rp l a s t i cd e f o r m a t i o ns t a g e ；3 ) t h en o n l i n e a ro fd e f o r m a t i o no ft h ep l a s t i c i t ys t a g e ( 3 ) t h e h o t r o l l i n gp r o c e s s o ft h e1 8 8 m ne x p e r i m e n t a l s t e e l ，a n d t h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h es a m p l e sh a v eb e e ns t u d i e d t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi s9 3 0 m p a ，t h ee l o n g a t i o no ft h es t e e l si s4 1 a n dt h e s t r e n g t h e n i n ge f f e c to ft h em na m o n gt h ea u s t e n i t i cs t e e lh a v eb e e ns t u d i e d t h e s t u d i e di n d i c a t e dt h a tt h es o l u t i o ns t r e n g t h e n i n gi sn o tt h em a i nm e c h a n i s mi nt h eh i g h m na u s t e n i t i cs t e e l ，a n dt h et w i n n i n gi n d u c e dp l a s t i c i t ye f f e c ti st h e i m p o r t a n t m e c h a n i s m k e yw o r d s ：t r i ps t e e l ，t w i ps t e e l ，h i g hm a n g a n e s ea u s t e n i t es t e e l ，s t r e n g t h ， p l a s t i c i t y , s t r a i nh a r d e n i n g v ，1 一 l l - i 伊 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要1 l a b s t r a c t i v 目录v i l 第一章绪论1 1 1 概i z 匿1 1 2 低锰t r i p 钢的形成机理3 1 3 低锰t r i p 钢的合金成分及其作用4 1 4 低锰t r i p 效应的影响因素5 1 5 高锰t r i p t w i p 钢的形成机理7 1 6 高锰t r l p t w i p 钢的合金成分及作用8 1 7t r l p t w i p 效应的影响因素1 1 1 7 1 层错能对t r i p t w i p 效应的影响1 1 1 7 2 加工工艺及其温度对t r i p t w i p 效应的影响1 3 1 8t r i p t w l p 钢的研究现状与发展趋势一1 3 1 9 研究的目的、意义及其主要内容1 6 第二章实验材料制备及实验方法1 9 2 1 实验材料1 9 2 1 1 实验材料的化学成分设计。1 9 2 1 2 实验材料的熔炼2 0 2 1 3 实验钢拉伸试样的加工及热处理工艺2 0 2 2 实验方法2 1 2 2 1 拉伸实验2 1 2 2 2 组织观察2 1 第三章1 8 8 m n 和2 3 8 m n 钢变形机制研究。2 3 3 1 引言2 3 3 21 8 8 m n 实验钢不同拉伸变形量组织演变分析2 3 3 2 1 实验钢不同拉伸变形量的显微组织及其分析2 4 3 2 2 实验钢不同拉伸变形量的t e m 组织观察2 6 3 2 3x 射线衍射分析2 7 3 32 3 8 m n 实验钢不同拉伸变形量组织演变分析3 1 3 3 1 实验钢不同拉伸变形量的显微组织及其分析3 2 v i l 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 2 试验钢不同拉伸变形量的t e m 组织观察3 3 3 3 3x 射线衍射分析3 4 3 4 两种实验钢的应变硬化行为分析3 8 3 5 小结4 3 第四章热轧1 8 8 m n 钢组织与力学性能研究4 5 4 1 引言4 5 4 2 热轧实验钢实验结果和分析4 5 4 2 1 力学性能测试一4 5 4 2 2 热轧实验钢扫描电镜观察4 8 4 2 3 热轧实验钢x 射线和t e m 分析4 9 4 2 4 实验钢拉伸断口分析5 3 4 3 热处理对实验钢力学性能的影响5 4 4 4t r i p t w i p 钢的特点5 5 4 5 j 、i ；占! ；7 第五章结论5 9 参考文献6 l 弱【谢6 5 ， _ 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论弟一早珀 了匕 由于7 0 年代爆发的石油危机，使人们深刻的认识到节约能源的重要性。因此 各国汽车制造商开始将减轻车重( 汽车轻量化) 作为汽车发展的主要方向，并由 此引发了以高强度钢( h s s ：h i g hs t r e n g t hs t e e l ) 替代普通碳素钢板的变革。当石 油危机结束后，人们对汽车的舒适性、安全性、速度和环保提出了更高的要求， 汽车的轻量化也就成为汽车行业的长期目标，高强度钢( h s s ) 在汽车上的应用也日 益普及。经过数十年的发展，人们对开发研制高强度钢板的重要性及其在汽车工 业中的广泛用途有了更为深刻的认识。在汽车跨国公司的支持下，国际上大型钢 铁集团联合，成立了轻量化钢车身( u l s a b ：u l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 协会， u l s a b 协会【lj 计划共同研究开发h s s 钢以减轻车重、降低能耗、提高汽车品质， 并证明车身减重2 0 ( 2 0 5 k g ) ，制造成本降低1 0 左右是可行的。在2 0 0 0 年的日 产汽车中h s s 钢已占全部材料的5 0 ，其最高强度达到1 5 0 0 m p a 。显示了可以通 过使用高强度钢结合新设计和合适的制造工艺来应对汽车车身轻量化的挑战。北 美汽车联合会认为，这种轻量化的思想，不仅适用于轿车系列，也同样适用于其 它汽车，包括载重车、客车等。 u l s a b 计划中用的钢板9 0 是屈服强度在2 1 0 m p a 4 2 0 m p a 范围的高强度 钢，2 5 是屈服强度超过5 5 0 m p a 的超高强度钢，而9 0 年代以前使用高强度钢的 比例一般仅仅在2 0 - - 4 0 之间，这基于以下原因：( 1 ) 新的制造技术诸如激光焊 接技术( l w b ：l a s e rw e l d e db l a n k s ) 和钢管液压成形技术等的发展和成熟；( 2 ) 高强 度钢研究开发的成熟；( 3 ) 大大增加了镀锌板的使用。使用厚度减薄的高强度钢板 制造零件时必需保证其抗穿孔腐蚀性能，从而满足长期的安全性需求。同时作为 车身的结构材料高强度钢比其他轻金属更有利，比如它和铝合金相比1 2 】：( 1 ) 钢的 弹性模量是铝合金的三倍，钢具有更好的抗弯抗扭转性能。( 2 ) 高的抗疲劳性能， 在相同强度条件下是铝的两倍。( 3 ) 在成形性能方面铝合金是钢的2 3 。( 4 ) 钢的 硬度超过铝，而且焊接性能比铝好，同时钢的铁磁效应为其回收提供了更有利的 条件。( 5 ) 高的应变率敏感性：钢具有正的应变率敏感性，即随着应变的提高， 钢的强度和吸收能都将提高，而铝合金是应变不敏感材料，从这一点来讲是不适 合做抗撞击零件的。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 基于上面各种因素，u l s a b a v c ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n c e p t s 先进汽车概念) 计划致力于钢应用性能的开发，以更有效地使用高强钢实现以下的改进：( 1 ) 满足 2 0 0 4 版碰撞安全要求：( 2 ) 显著提高燃料功效；( 3 ) 在排放、节能和回收利用方面对 环境友好；( 4 ) 成本不高又可大量制造的。这项计划中先进高强钢( a h s s 钢) 的使用 大大增加。正因为汽车轻量化是大趋势，因此优质高强度钢的使用成了潮流p 】。 总之，在汽车工业上使用高强度钢钢板的主要原因如下： 1 ) 通过提高高强度薄规格钢板的使用量来减轻乘用车重量、减少燃料消耗和 汽车排放。 2 ) 通过提高防冲撞性能，提高汽车的被动安全性，以获得更好的乘客安全性。 3 ) 来自于其它轻量化材料特别是铝合金，镁合金和塑料的激烈竞争。 目前相当部分的车身零件用的是安全性有限的软钢，而新的具有优异动态性 能的先进高强钢( a h s s ) 已经开发出来，可以满足汽车行业的要求。a h s s 包括双 相钢( d p ) 、相变诱发塑性钢( t r i p ) 、孪晶诱导塑性钢( t w i p ) 、复相钢( c p ) 和马氏 体钢( m ) 等，这些钢种的特征是屈服强度大于3 0 0 m p a ，抗拉强度大于6 0 0 m p a 。为 了提高强度，现在通用的强化方法如图所示。这些强化方法主要是固溶强化、沉 淀强化、形变强化以及这些强化机制的结合。 一涮一h s e l c ，i f + 8 h l 垒笸划 op 。s i 脚 s o l d o u h 口n 隧一圈 s 砘m - - , i md g r i n - o t 。h y b r i d s t p 口， 图1 1 低合金汽车钢板的强化机制 f i 9 1 1t h eh a r d e n i n gm e c h a n i s mo fl o wa l l o ya u t o m o b i l ea r m o rp l a t e 但是，在大多数传统的高强度钢中，随着强度的提高，通常伴随了延伸率的 下降。而最近发展的先进高强度钢( a h s s ) 贝0 可以在提高强度的同时，不降低延伸 率，如下图1 2 所示1 4 j 。由图1 2 可见，双相钢、相变诱发塑性钢和孪晶诱导塑性 钢有良好的强度塑性匹配。实际上，这些钢表现出的是更高的应变硬化性能和更 好的均匀延伸率。这些性能对于汽车制造者是非常有吸引力的。在冲压成型时以 及高能撞击时，材料所具有的高的能量吸收性能，对于提高材料的安全性是非常 - 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 重要的。 14 0 0 13o o 一 1 2 0 0 龟 】- lo o 正 越 】oo o 鼎 90 0 80 0 70 0 60 0 5o o 4o o 3o u 1 图1 2 各种高强度汽车用钢的强度塑性比较 f i g 1 2c o m p a r i s o no fs t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo f v a r i o u ss t e e l sf o rc a r 在满足汽车安全性方面，主要是对两类钢的应用：1 具有高吸能潜力、抗拉强 度低于1 0 0 0 m p a 的高强度钢，典型的是d p 、t r i p 和t w i p 钢，适用于汽车碰撞 和冲击等出现动态载荷的情况。2 极高强度钢，如马氏体钢，具有极高的抗拉强度 ( 1 2 0 0 m p a 以上) ，可以提供高的刚性，因而可作为抗干扰，载荷传递屏障等保护乘 客。 1 2 低锰t r i p 钢的形成机理 相变诱发塑性钢是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 + 丫) 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， 含量在室温下获得稳定奥氏体是不够的。 奥氏体含碳量基本在0 3 左右，这个碳 需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1 5 】。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 。残余奥氏体的t r i p 效应可 解释为【6 l ： 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 拉伸变形时在最大变形部位首先诱发马氏体相变，使局部强度提高，难 于继续变形，变形向未发生马氏体相变的其他部位转移，推迟了颈缩的形成。 ( 2 ) 拉伸变形时局部应力集中因马氏体相变而松驰，推迟了裂纹的产生。 ( 3 ) 残留奥氏体与a 呈共格关系，高能界面不利于裂纹的扩展，上述效应在 宏观上表现为拉伸延伸率、特别是均匀延伸率的提高。 1 3 低锰t r i p 钢的合金成分及其作用 利用z a c k a y 7 l 等对高合金均质后稳定奥氏体钢中相变诱发塑性的最初观察方 法，研究人员发现在一种中碳含硅c m n 钢中1 8 - 1 0 j ，经临界区退火，并在贝氏体区 等温相变的过程中也出现奥氏体稳定性现象，而这一现象可用于连续退火的钢板 生产线。这一发现开辟了新一代低合金高强度成形用t r i p 钢板产品的道路。这类 钢特别适用于汽车的苛刻需求，具备高强度( 抗拉强度5 0 0 m p a - - 1 0 0 0 m p a ) ，高成 形性( 8 0 m m 标距、延伸率2 0 - 4 0 ) 和高应变率变形时的高动态吸能特性。合金 元素是生产t r i p 钢的基础，t r i p 钢的优良特性和对其性能进一步研究也与合金 元素有关，研究合金元素的含量以及作用成为研究相变诱发塑性钢的热点之一。 合金元素对相变温度改变从而改变钢中的各相的稳定性和相变动力，抑制或者促 使某些相变的的发生，这对实际生产线上的工艺参数的调整有很重要的意义。同 时合金元素还起到固溶强化、析出强化等作用从而对钢的力学性能产生重要影响。 低锰t r i p 钢的合金元素主要是碳、硅、锰和铝。 含碳量决定了各相的特点，碳是奥氏体稳定元素，并通过影响残余奥氏体中 的碳含量来影响残余奥氏体的稳定性，使形成残余奥氏体的温度降低至室温，从 而获得最佳力学性能【l l l 。一般的残余奥氏体中碳含量高时，残余奥氏体的稳定性 高，反之，碳含量低时残余奥氏体的稳定性低。碳元素还使马氏体的硬度得到提 高，使工件最终的抗拉强度升高。当钢板碳含量太低时则不易于t r i p 效应显现， 含碳量太高则焊接性差，延伸率也受影响，一般碳含量在0 1 0 4 0 a 之间，为保 持钢板较好的焊接性，碳含量一般取小值。现在对低锰钢的研发趋势是减少碳含 量，但减少碳含量钢板的力学性能相应降低，为提高力学性能，常常要添加一些 强化元素。 锰是奥氏体稳定元素，它能降低奥氏体的相交温度。锰的存在有利于残余奥 氏体的形成，延迟珠光体的形成，扩大了可实际应用的冷却速率，为工业化实际 生产奠定了基础。锰还通过固溶强化来提高铁素体基体的强度奥氏体中锰含量 越高则室温下残余奥氏体的含量越高，在低锰t r i p 钢锰含量一般在1 2 之间。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 硅是铁素体形成元素，促进了退火冷却过程中铁素体的形成，在等温处理的 过程中，碳化物的形成被硅所抑制，同时硅元素提高了铁素体中碳的化学位，使 奥氏体中碳含量增加，易保留至室温形成残余奥氏体，并且残余奥氏体中碳含量 较高，使它的稳定性提高。但硅含量过高会使钢板的热轧性能降低，因高含量的 硅会形成稳定的氧化物，在热镀锌生产线中隔断锌液，降低钢板的润湿性能，使 钢板表面质量下降，工件覆镀性差1 1 2 】。降低硅含量或用铝替代硅是t r i p 的研发 趋势，c m n a i t r i p 钢更易用连续热镀锌生产线生产，这样的优点是t r i p 钢所需 的最终多相组织可以和表面镀锌保护层一同得到，降低生产成本，提高了钢板的 竞争能力。硅同锰一样也可使铁素体基体得到强化。 铝同硅一样可以影响相变动力，但却具有不影响表面质量的优点。铝是很强 的铁素体稳定元素，能够在提高奥氏体的体积含量的同时细化晶粒，含铝t r i p 钢 板的残余奥氏体含量及碳在残余奥氏体中的聚集度都比不含铝的高。但铝提高了 相变温度，使双相区退火的范围扩大，阻碍了双相区退火时的完全奥氏体化，使 马氏体的转变温度升高。现在对t r i p 钢中铝的作用有两种不同的观点：一种认为尹 可以用铝部分的替代硅，使残余奥氏体中的碳含量提高：一种是用铝完全替代硅， 使表面质量和延伸率都有提高，但高含量的铝会引起严重的铸造问题，同时由于 铝的强化能力较硅弱，完全替代硅后材料的抗拉强度降低，必须添加其它强化元， 素来提高强度。铝同含量较高的碳或同磷一起使用时效果较好。铝元素可以影响 t r i p 效应，使钢板的抗拉强度和冲击性能产生变化。研究表明铝对低硅含量t r i p 钢板的铁素体强度影响相对较小，1 铝含量可以升高2 0 m p a 的强度，在不含硅 的钢中甚至没有强度增长的现象出现，说明铝对强度的影响不灵敏，铝和硅同时 作用时对强度的影响才显著体现【1 3 】。当铝含量为2 时，钢板中有马氏体产生， 使硬度显著提高，相变过程中有铁素体的预屈服现象出现，马氏体的产生使冲击 性能受到破坏。同时随着硅含量的升高，试样中残余奥氏体的含量增加。 1 4 低锰t r i p 效应的影响因素 低锰t r i p 钢的影响因素包括： ( 1 ) 残余奥氏体的奥氏体对t r i p 效应的影响主要是残余奥氏体的晶粒度和 形状。研究表吲1 4 l ，奥氏体晶粒度越大，贝氏体转变区等温形成的贝氏体板条柬 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且在随后 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。残余奥 氏体在贝氏体亚单元间呈现薄膜状延伸性最好，块状的残余奥氏体容易在很小的 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 应变下就转变为马氏体，因此对t r i p 效应贡献不大【1 5 j 。s u g i m o t o k l l 6 l 同样认为膜 状残余奥氏体比孤岛状残余奥氏体的平均强度高。 ( 2 ) 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，对 t r i p 效应具有辅助作用。目前，研究铁素体对性能影响的报道较少【1 7 1 ，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 l 。7 j 等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，合适的铁素 体及大量的残余奥氏体是钢获得良好塑性的前提条件。对两相区等温加热至珠光 体出现前缓冷的研究表明【r 7 1 ，冷却速度大于5 0 0 c s 可使铁素体量增加、铁素体中 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。z a r e i a z l l 8 j 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，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i ”】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和 提高强度。 ( 3 ) 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。 大量实验结果证实【1 9 - 2 引，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。 ( 4 ) 等温处理对t r i p 效应也有重要影响。当t r i 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 m i n 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 s + ( 2 0 - - 一3 0 0 c s ) 时可得到 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 最高含量的残余奥氏体和最佳的力学性能。 1 5 高锰t r i p t w i p 钢的形成机理 对于高锰t r i p 钢发生的t r i p 效应和低锰t r i p 钢的形成机理是一样的，它 们的区别在于：在高锰钢中，由于锰含量的急剧增加扩大了奥氏体区，使得高锰 钢在热处理后的室温组织是奥氏体组织，而不是低锰t r i p 钢的残余奥氏体组织、 贝氏体和铁素体的混合组织。高锰t r i p 钢在应力应变作用下发生马氏体相变对钢