TRIP钢组织与性能

相变塑性(TRIP)钢的组织和

力学性能

汽车用高强度钢的性能要求：高的强度好的成形性好的焊接性能高的抗冲撞性能

提高钢板性能的方法－－位错运动与变形在纯铁中，由于位错的存在，很容易进行变形，所以，铁有较好的成形性。

提高钢板性能的方法－－间隙原子的作用、硬度间隙原子碳和氮的存在，将提高铁的强度

提高钢板性能的方法－－无间隙原子钢（Interstitial-Free钢）极低的碳、氮含量，加入钛等微量合金元素，有极好的成形性

提高钢板性能的方法－－固溶强化一定量的碳、氮含量，加入价廉的硅、锰元素，强度水平为440MPa

提高钢板性能的方法－－沉淀硬化含有一定量的碳、氮，加入钒、钛、铌等微量元素，形成碳化物，强度水平为780～980MPa

高钢板性提能的方法－－弥散硬化若通过控制轧制，使钢中析出弥散的钒、钛、铌等碳化物，强度水平为1470MPa

高钢板性能提的方法－－多相组织(双相钢)硬的马氏体相和软的铁素体相共存，使双相钢具有高强度和好的成形性

提高钢板性能的方法－－多相组织（TRansformation-InducedPlasticity钢）钢中存在一定量的残余奥氏体，在变形时，残余奥氏体应变诱发马氏体相变，使钢具有高强度、好的成形性和抗冲撞性能

提高钢板强度的方法：形变强化固溶强化（锰钢、P钢）沉淀强化（含Ti、Nb、V）组织强化：提高碳量（增加珠光体）DP钢（铁素体+马氏体）TRIP钢(铁素体+贝氏体+残余奥氏体)马氏体时效钢（马氏体）

4TRIP效应和早期TRIP钢TRIP效应，即相变诱发塑性，它是由于晶体材料发生了马氏体相变而使材料塑性增加的一种效应。最早，人们是在奥氏体不锈钢中发现了应变诱发马氏体相变这一现象：低碳的奥氏体不锈钢，在MS～MD温度之间变形时，发生了应变诱发马氏体相变。由于马氏体的形成，使奥氏体钢的强度提高。由此，材料具有很好的强韧性配合。

在1967年，Zackay首次报道了将应变诱发马氏体相变应用于高强度合金。应力应变曲线比较：（A）0％变形处理（B）10％变形处理

Zackay认为，这些高强度钢由于发生了应变诱发马氏体相变，推迟了颈缩的开始时间，导致了塑性的提高，这就是相变诱发塑性。Zackay提出，将具有相变诱发塑性这一特性的钢，统称为TRIP钢。Zackay的TRIP钢含有大量的合金元素，成本很高，所以，没有被广泛的使用。TRIP钢可以获得高强度和好的塑性，主要是利用了奥氏体的应变诱发马氏体相变。在八十年代末、九十年代初，日本和欧洲一些国家的科技人员，利用热处理使价格低廉的低碳低合金钢的室温组织中含有一定量的残余奥氏体（10％～20％），利用残余奥氏体的应变诱发马氏体相变，使材料达到强度和塑性的完美的统一。由此成功开发了价格低廉的低碳低合金Si-Mn系TRIP钢

5低碳低合金TRIP钢为了使低碳钢的室温组织中含有一定量的残余奥氏体，需要对低碳Si-Mn冷轧钢板进行相应的热处理。

冷轧低碳硅锰TRIP钢热处理示意图

TRIP钢组织：F+B+AR10μmTRIP钢成分和性能（1）

不同强化机制的高强度钢板的强度和塑性

与传统的强化方式相比较：TRIP钢在提高钢板强度的同时，仍然保持良好的塑性。TRIP钢具有最高的强塑积（抗拉强度与延伸率的乘积）目前，低碳TRIP钢的强塑积已达到了24,000MPa，比目前所有的汽车用钢材高得多。

不同强化机制的高强度钢板的强度和冲击吸收能

不同强化机制的高强度钢板的强度和n值

TRIP钢具有极好的塑性，可冲压成各种复杂形状的汽车结构件。TRIP钢具有高的强度和大的吸收能，用TRIP钢制造的汽车零部件，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的保障，这是其他钢种所无法做到的。用TRIP钢试制的汽车零件（front-side-member），板厚为1.4mm，用500t压机，经四道工序冲压而成

拟用TRIP钢板替代常规高强度钢板生产的

汽车抗冲撞零件

TRIP钢被各国工业界一致认为是新一代最佳的高强度高韧性钢。目前，日本和欧洲的钢铁公司已投入了TRIP钢的批量生产，并与汽车公司联手将其应用于新型车的结构件上。我国在这一领域的工作还不多。

成分和热处理工艺决定了TRIP钢的组织和性能。其中，硅的含量是重要的。若硅含量>1.0%，TRIP钢在贝氏体区等温过程中，一部分退火奥氏体转变为无碳化物贝氏体，另一部分成为残余奥氏体。若硅含量<0.6%，TRIP钢在相同的温度区间等温时，退火奥氏体发生了分解，在形成贝氏体铁素体的同时，析出了渗碳体，无法或少量获得残余奥氏体。

但是，较高的硅含量，严重地恶化钢的热轧性能和表面涂覆性能。为此，新一代的TRIP钢为低碳低硅TRIP钢。低碳低硅TRIP钢面临的问题：由于硅含量的下降，导致了TRIP钢强韧性的下降。所以，寻找硅的替代元素或添加其他元素，成为研究的热点。目前，这一工作才刚刚开始。

针对上述问题，本工作拟对低碳低硅TRIP钢进行如下方面研究：研究成分、热处理对其组织和性能的影响成分、热处理对残余奥氏体形成的影响成分、热处理对TRIP钢静态、动态力学性能的影响研究组织转变规律及其对性能的影响残余奥氏体的应变诱发相变规律的研究残余奥氏体的应变诱发相变对性能的影响

成分、热处理工艺将影响残余奥氏体的相对量、含碳量和形貌尺寸。成分包括：碳和合金元素热处理工艺包括：退火工艺、贝氏体区等温工艺、退火与贝氏体等温之间的冷却等。

二、TRIP钢中残余奥氏体的形成退火温度和时间对残余奥氏体量的影响：退火温度上升，残余奥氏体量下降退火时间影响较小二、TRIP钢中残余奥氏体的形成0.4C-1.5Si-0.8Mn770℃～870℃×0.5~20min+400℃×5min随退火温度升高，退火奥氏体量增加，退火奥氏体含碳量下降。结合：退火温度升高，残余奥氏体量下降。所以认为，退火奥氏体含碳量下降，导致了残余奥氏体量下降。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成退火温度和钢的碳含量对残余奥氏体量的影响：钢的碳含量提高，残余奥氏体量增加与退火温度相比，钢的碳含量的影响更大二、TRIP钢中残余奥氏体的形成0.12~0.4C-1.2Si-1.5Mn770℃～870℃×5min+400℃×5min。在退火温度一定时，随钢的含碳量增加，退火奥氏体量增加。结合：钢的碳含量增加，残余奥氏体量增加。所以认为，退火奥氏体量增加，也导致了残余奥氏体量增加。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成结论：增加退火奥氏体相对量和提高退火奥氏体含碳量可以增加残余奥氏体量。在退火过程中仅改变退火工艺，无法使退火奥氏体量和含碳量同向变化。若退火过程中发生合金元素再分配，则有可能使两者同向变化。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成对于硅>1.0％的TRIP钢，一般来说，在352～450℃等温3～5min通常可以获得较高的残余奥氏体量。上述结果会受到成分和退火温度的影响。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成0.14C-1.21Si-1.57Mn770℃×5min+T℃×tmin。合金元素对残余奥氏体量的影响：钢中锰、硅含量的增加，残余奥氏体量也增加镍与锰有相近的性质，但是，镍降低钢中的残余奥氏体量。上述结果都是由硅>1.0%的TRIP钢所获得。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成当硅含量低于1.0％，通常在贝氏体等温的瞬间，出现残余奥氏体量的最大值，并随等温时间的延长，残余奥氏体量快速下降。所以，在实际生产中是无法获得较高的残余奥氏体量。所以，如何将出现残余奥氏体量最大值的等温时间延长，对低硅TRIP钢是非常重要的。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成目前对低硅TRIP钢的研究，主要集中在加合金元素和调整贝氏体等温工艺。铝具有与硅相同的性质，均抑制渗碳体的析出，可有效提高残余奥氏体量。但是，有研究认为，铝的作用不如硅。铌具有细化晶粒的作用，并增加残余奥氏体量，由此可以提高钢的强韧性。二、TRIP钢中残余奥氏体的形成钒具有与铌相类似的性质，但是，含钒TRIP钢的研究，目前是个空白。加钒的几点理由：钒也是强碳化物形成元素，具有细化晶粒作用，对于提高残余奥氏体量并提高钢的韧性有益钒碳化物的熔点较低，若在两相区退火时溶解，则一方面固溶于退火奥氏体中的钒将有效地阻止贝氏体转变，另一方面将使退火奥氏体含碳量升高，这些都有利于提高残余奥氏体量通过降锰、加铝等处理，可以提高钢的Ac1和Ac3，有可能使钒碳化物在两相区退火时溶解二、TRIP钢中残余奥氏体的形成三、TRIP钢中残余奥氏体的转变及其对力学性能的影响残余奥氏体对静态拉伸性能的影响残余奥氏体在静态拉伸时的转变规律及其对性能的影响动态力学性能

随组织中残余奥氏体量的增加，钢的强塑积上升。由此说明，残余奥氏体量对钢的强韧性有直接的影响。三、1残余奥氏体对静态力学性能影响0.4C-1.5Si-0.8Mn5min与2min相比，残余奥氏体量相差不多，但是，前者的残余奥氏体随应变增加而转变的速度较慢，在性能上的表现就是5min处理的试样的均匀延伸率和强塑积均高于2min的试样，说明残余奥氏体较慢地转变，有助于提高钢的均匀延伸率，进而提高钢的强韧性。15min处理的试样的残余奥氏体量在三者中是最低的，其均匀延伸率也是最小的，说明，残余奥氏体量对钢的均匀延伸率也有大的影响。三、1残余奥氏体对静态力学性能影响0.4C-1.5Si-0.8Mn770℃×1.5min+400℃×2、5、15min对于不同硅、锰含量的TRIP钢，也表现为：随残余奥氏体量增加，强塑积增加。说明残余奥氏体量对TRIP钢的强塑积有直接的影响，不受成分的影响。三、1残余奥氏体对静态力学性能影响在低硅TRIP钢中，合金元素对静态力学性能是有影响。如：铝提高钢的塑性一种认为：无铝钢在低的应变时就达到了最大的n值，而含铝钢，在变形过程中n值的变化不大，即n值对应变不敏感，由此导致了含铝钢有大的均匀延伸率。另一种认为：由于硅的存在对铁素体的固溶强化有贡献，而铝对铁素体的固溶强化很小，导致了塑性的提高。在低硅TRIP钢中，铁素体对性能也有影响三、1残余奥氏体对静态力学性能影响综上所述：残余奥氏体量的增加和残余奥氏体含碳量的提高，有助于提高TRIP钢的强韧性，其中，残余奥氏体含碳量的提高将导致残余奥氏体的稳定性提高，可以有效地抑制缩颈的发生，从而提高均匀延伸率，并提高钢的强塑积。对于低硅TRIP钢，合金元素、热处理、铁素体量和形貌对其静态力学性能都可能有影响。三、1残余奥氏体对静态力学性能影响研究指出，用下式可以较好地描述硅锰TRIP钢中残余奥氏体量随拉伸应变的变化。

logfr=logfr0–kε式中k表征残余奥氏体稳定性，k越小，残余奥氏体转变速率越慢，稳定性越高。三、2残余奥氏体在静态拉伸时的转变规律研究了k值与残余奥氏体量和热处理工艺的关系，发现，k值仅与残余奥氏体量有关，成分和热处理工艺对k值的影响，主要是通过残余奥氏体量来反映。当残余奥氏体量为20％时，k值有最小值。三、2残余奥氏体在静态拉伸时的转变规律由表可见，随k值下降，残余奥氏体量增加，强塑积提高，这一结果与钢的平均含碳量和退火温度无关。由此说明，k值对钢强塑积的影响可以适用于不同含碳量的TRIP