關(guān)于作者
中國科學(xué)院金屬研究所
TWIP鋼漫談
材料新視野
2015年08月31日
由于全球暖化以及石油等礦物能源的急劇消耗，節(jié)能減排成為了一項(xiàng)急需完成的課題。其中，汽車行業(yè)便首當(dāng)其沖，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，汽車重量每減輕10%，燃料消耗可降低3~7%。由此看來，在保證車身強(qiáng)度的前提下，減輕汽車重量，是完成節(jié)能減排問題的有效手段之一。高強(qiáng)度汽車用鋼由于其強(qiáng)度高，在保證強(qiáng)度的前提下，能減輕整體結(jié)構(gòu)件的重量。因此，其漸漸地在汽車制造行業(yè)中嶄露頭角。但是在金屬材料中，常常存在著強(qiáng)度和塑性的倒置關(guān)系，關(guān)系如圖1所示。為此，我們需要找到一種有效的強(qiáng)韌化手段來保證金屬材料在具有高強(qiáng)度的同時(shí)又具備一定的塑性加工能力。
關(guān)于鋼的強(qiáng)韌化處理，全球的科學(xué)家們在很早的時(shí)候便已經(jīng)開始了。Robert Hadfield 早在1888年發(fā)現(xiàn)在鋼中加入大量的錳后，鋼的力學(xué)性能有了很大的提高。隨后在1929年，Hall和Krivobok研究了高錳鋼的金相組織，發(fā)現(xiàn)在500 以上退火并淬火后，能夠得到完全的奧氏體組織，并建立了wt.%Mn+ 13wt.%C≥17方程來判斷奧氏體的穩(wěn)定程度。而對于高錳鋼強(qiáng)烈的加工硬化行為的研究，則是在1935年由Troiano和McGuire發(fā)現(xiàn)，其機(jī)理主要?dú)w功于形變誘發(fā)相變(mechanically induced phase transformation)機(jī)制，即形變誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，由此大大增加了基體強(qiáng)度，促進(jìn)了高錳鋼的加工硬化能力，并確定了該鋼種錳含量應(yīng)在12~29%之間，這就是隨后發(fā)展起來的TRIP(transformation induced plastic)鋼。在隨后的50年代，科學(xué)家們通過TEM(transmission electron microscope透射電子顯微鏡)發(fā)現(xiàn)變形后的高錳鋼中有形變孿晶(deformation twinning)出現(xiàn)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)幫助了科學(xué)家和工程師們從一個(gè)新的方向研究TWIP鋼的變形機(jī)理。
從1888年到20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了70多年漫長的發(fā)展，科學(xué)家和工程師對高錳鋼的研究并沒有結(jié)束，在1997年Grassel等人在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錳含量達(dá)到25%，Al和Si含量在3%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和延伸率的乘積在50000Mpa%以上，是傳統(tǒng)TRIP鋼的兩倍[2]，此新鋼種力學(xué)性能已遠(yuǎn)超TRIP鋼。隨后的研究發(fā)現(xiàn)該類合金的高強(qiáng)韌性主要?dú)w功于在變形過程中，產(chǎn)生了形變孿晶，這些細(xì)小的形變孿晶（寬度在nm級別）見圖2所示相互交叉，表現(xiàn)出了動(dòng)態(tài)Hall-Petch關(guān)系，并阻止了基體中位錯(cuò)的滑移，在提高了基體的抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，推遲了基體頸縮的發(fā)生，使得變形能夠均勻發(fā)生，從而提高了其塑性變形能力，表現(xiàn)出如圖3所示的連續(xù)加工硬化能力。同時(shí)由于沒有TRIP效應(yīng)發(fā)生，即沒有形變誘發(fā)馬氏體相變，因此該鋼種良好的塑性性能并沒有被馬氏體所破壞。所以總體上TWIP(twinning induced plasticity)鋼表現(xiàn)出了比TRIP鋼還要突出的強(qiáng)韌化能力。
由于TWIP鋼屈服強(qiáng)度在200~500Mpa，抗拉強(qiáng)度基本在500~1600Mpa之間，其疲勞極限（試樣經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)，一般大于107周次，也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限）高于屈服強(qiáng)度，其疲勞斷口形貌見圖6所示；一般情況下延伸率在30~60%之間[2]，甚至可以達(dá)到80%以上，原始試樣與拉伸試樣的對比見圖4所示；通過掃描電鏡(SEM-SE2)觀察，可以看到斷口表現(xiàn)出明顯韌窩形貌，表明TWIP鋼呈現(xiàn)韌性斷裂特征，其斷裂表面形貌見圖5所示。
TWIP鋼具有如下幾點(diǎn)優(yōu)異的力學(xué)性能：
？ TWIP鋼相對較低的屈服強(qiáng)度表明了進(jìn)行壓力加工所需的壓力小，對設(shè)備的要求低，降低其成型成本，并且高的延伸率能夠成型形狀復(fù)雜的構(gòu)件；
？ 高的抗拉強(qiáng)度能夠保證足夠的強(qiáng)度來抵抗外界的突然破壞，起到保護(hù)的作用，并能夠減輕結(jié)構(gòu)件的重量，節(jié)約能源；
？ 高于屈服強(qiáng)度的疲勞極限，能夠有效地抵抗突然過載造成的疲勞破壞；
關(guān)于鋼的強(qiáng)韌化處理，全球的科學(xué)家們在很早的時(shí)候便已經(jīng)開始了。Robert Hadfield 早在1888年發(fā)現(xiàn)在鋼中加入大量的錳后，鋼的力學(xué)性能有了很大的提高。隨后在1929年，Hall和Krivobok研究了高錳鋼的金相組織，發(fā)現(xiàn)在500 以上退火并淬火后，能夠得到完全的奧氏體組織，并建立了wt.%Mn+ 13wt.%C≥17方程來判斷奧氏體的穩(wěn)定程度。而對于高錳鋼強(qiáng)烈的加工硬化行為的研究，則是在1935年由Troiano和McGuire發(fā)現(xiàn)，其機(jī)理主要?dú)w功于形變誘發(fā)相變(mechanically induced phase transformation)機(jī)制，即形變誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，由此大大增加了基體強(qiáng)度，促進(jìn)了高錳鋼的加工硬化能力，并確定了該鋼種錳含量應(yīng)在12~29%之間，這就是隨后發(fā)展起來的TRIP(transformation induced plastic)鋼。在隨后的50年代，科學(xué)家們通過TEM(transmission electron microscope透射電子顯微鏡)發(fā)現(xiàn)變形后的高錳鋼中有形變孿晶(deformation twinning)出現(xiàn)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)幫助了科學(xué)家和工程師們從一個(gè)新的方向研究TWIP鋼的變形機(jī)理。
從1888年到20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了70多年漫長的發(fā)展，科學(xué)家和工程師對高錳鋼的研究并沒有結(jié)束，在1997年Grassel等人在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錳含量達(dá)到25%，Al和Si含量在3%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和延伸率的乘積在50000Mpa%以上，是傳統(tǒng)TRIP鋼的兩倍[2]，此新鋼種力學(xué)性能已遠(yuǎn)超TRIP鋼。隨后的研究發(fā)現(xiàn)該類合金的高強(qiáng)韌性主要?dú)w功于在變形過程中，產(chǎn)生了形變孿晶，這些細(xì)小的形變孿晶（寬度在nm級別）見圖2所示相互交叉，表現(xiàn)出了動(dòng)態(tài)Hall-Petch關(guān)系，并阻止了基體中位錯(cuò)的滑移，在提高了基體的抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，推遲了基體頸縮的發(fā)生，使得變形能夠均勻發(fā)生，從而提高了其塑性變形能力，表現(xiàn)出如圖3所示的連續(xù)加工硬化能力。同時(shí)由于沒有TRIP效應(yīng)發(fā)生，即沒有形變誘發(fā)馬氏體相變，因此該鋼種良好的塑性性能并沒有被馬氏體所破壞。所以總體上TWIP(twinning induced plasticity)鋼表現(xiàn)出了比TRIP鋼還要突出的強(qiáng)韌化能力。
由于TWIP鋼屈服強(qiáng)度在200~500Mpa，抗拉強(qiáng)度基本在500~1600Mpa之間，其疲勞極限（試樣經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)，一般大于107周次，也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限）高于屈服強(qiáng)度，其疲勞斷口形貌見圖6所示；一般情況下延伸率在30~60%之間[2]，甚至可以達(dá)到80%以上，原始試樣與拉伸試樣的對比見圖4所示；通過掃描電鏡(SEM-SE2)觀察，可以看到斷口表現(xiàn)出明顯韌窩形貌，表明TWIP鋼呈現(xiàn)韌性斷裂特征，其斷裂表面形貌見圖5所示。
TWIP鋼具有如下幾點(diǎn)優(yōu)異的力學(xué)性能：
？ TWIP鋼相對較低的屈服強(qiáng)度表明了進(jìn)行壓力加工所需的壓力小，對設(shè)備的要求低，降低其成型成本，并且高的延伸率能夠成型形狀復(fù)雜的構(gòu)件；
？ 高的抗拉強(qiáng)度能夠保證足夠的強(qiáng)度來抵抗外界的突然破壞，起到保護(hù)的作用，并能夠減輕結(jié)構(gòu)件的重量，節(jié)約能源；
？ 高于屈服強(qiáng)度的疲勞極限，能夠有效地抵抗突然過載造成的疲勞破壞；
由此看來TWIP鋼作為第二代高強(qiáng)度用鋼，其優(yōu)異的強(qiáng)韌化特點(diǎn)，將會(huì)在汽車制造等行業(yè)中發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟(jì)開發(fā)潛力。但是如何能夠減少或消除TWIP鋼變形后的表面浮凸現(xiàn)象對成型件表面質(zhì)量的影響，以及如何改善其防腐和焊接組織穩(wěn)定性將是今后的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1]Takehide Senuma. Physical metallurgy of modern high strength steel sheets [J]. ISU Int, 2001, 41(6):520.
[2]Grassel O,Frommeyer G, Dereder C, et al. Phase Transformation and Mechanical Properties of Fe-Mn-Si-Al TRIP-steel[J]. J. Physic. Iv. France, 1997(5):383.