twip钢的强韧化原理及应用.pdf

燕山大学金属强韧化原理及其应用题目： TWIP 钢强韧化原理及应用院系：材料科学与工程学院班级：材料学 14 班学号：S12080502041 姓名：李培TWP 钢强韧化原理及应用1.1 TWP 钢的出现与意义随着人们生活水平的日益提高， 有车一族在城市中的比重越来越大，现代汽车的发展趋势是轻量化， 节能和安全等， 为适应这一发展需要， 在汽车制造中有必要采用高强度的钢板据统计，汽车重量每减轻1%，燃料消耗可降低 0.6%～1.0%， 而能耗高会导致尾气排放量增加， 因此，汽车减重对节能和环保意义重大汽车减重的一个重要手段是采用高强度钢基于这种情况汽车工业迫切需要人们对高强度钢的研究和开发近年来新开发的含15-25mass%Mn、2-4mass%Si 和2-4mass%Al 的 高Mn 钢 显 示 出 极 高 的 延 伸 率 （ 60-95%） 和中 等 的 强度（600-1100MPa ） ，其抗拉强度和延伸率的乘积在50000 MPa%以上，其优良的力学性能来自于形变过程中的孪生诱发塑性效应，即TWIP 效应 TWIP 钢是现在研究较广泛的超高强度钢， 它不仅具有高强度， 高的应变硬化率， 还有非常优良的塑性，韧性和成形性能。

从现代汽车用钢对高强度和高塑性的要求来看，TWIP钢是最佳选择1.2 TWIP 钢的发展现状TWIP 钢在使用时无外载荷，冷却到室温下的组织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，显示出非常优异的力学性能由于加入了大量的Al ，钢的密度也会有所下降目前国外的研究已经从第1 代的 Fe-25Mn-3Al-3Si-0.03C 系列到第 2 代的Fe-23Mn-0.6C系一直到目前的 Fe-26Mn-11Al-1.1C 和 Fe-6Al-0.05Ti-0.05Nb-0.02B系 德国马普钢铁研究所GFrommeyer课题组研制和开发了Fe-Mn-Si-Al 系高锰奥氏体 TRIP/TWIP 钢，并申请专利 (专利号： 1997DE19727759 ，EP9810981 )并注册商标“ HSD”国内开展这方面的研究起步较晚，但勿庸置疑，TWIP 钢具有极高的强塑积，优势十分明显TWIP 钢的开发在我国具有极大的潜力，蕴涵着巨大的商机和市场1.3 TWIP 钢的力学性能TWIP 钢是最近几年国外正在进行研究的高强度，高塑性钢该钢在使用时无外载荷，冷却到室温下的组织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， 显示出非常优异的力学性能。

由于加入了大量的Al，钢的密度也会有所下降 1997 年，Grassel等在研究 Fe-Mn-Si-A1 系 TRIP 钢时发现， 当 Fe-Mn-Si-A1 系钢锰含量达到 25 wt%，铝含量超过 3 wt%， 硅含量在 2-3 wt%之间时，具有中等的抗拉强度 ( 约 600 MPa)和极高的延伸率 （大于 80 %） ，其抗拉强度和延伸率的乘积在50000 MPa%以上，是高强韧性 TRIP 钢的两倍该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是 TRIP 钢中的相变，故命名为孪生诱发塑性 (twinning induced plasticity， TWIP)钢TWIP 钢中机械孪晶的形成及其对力学性能的影响改变了我们对孪晶的传统看法，拓宽了我们对孪生在形变过程中作用的科学认识材料的力学性能决定于其基体组织，TWIP 钢为单一的奥氏体 (面心立方 )组织，因而具有较低的屈服强度( 约 280 MPa) ，中等的抗拉强度 ( 约 600 MPa) 面心立方结构的 TWIP 钢密排面密排程度高，滑移系，滑移方向多，因而塑性好，特别是当 TWIP 钢拉伸时， 由于高应变区会应变诱发孪晶转变，由此显著延迟钢的缩颈，从而极大地提高了钢的塑性，因此具有极高的延伸率(大于 80 %) 。

除此之外，另一个令人瞩目的力学性能是具有高的能量吸收能力和没有低温脆性转变温度 如20℃时约为 0.5J/mm3， 为传统深冲钢的两倍以上； 在﹣196℃～ 200℃形变温度区间内没有低温脆性转变温度该钢在无外载荷的条件下， 室温组织是稳定的奥氏体， 基体中存在大量的退火孪晶，一旦施加一定的外部载荷后，因为应变诱发产生形变孪晶， 发生大的无颈缩延伸， 表现出优良的机械性能， 如高的应变硬化率、高的塑性值和高的强度与TRIP 钢相比较，应变诱发的马氏体组织更有利于提高钢的抗拉强度， 而应变诱发的孪晶则更有利于提高塑性， 故 TWIP钢的塑性远大于 TRIP 钢，而抗拉强度低于TRIP 钢2.1 TWIP 钢性能的获得TWIP 钢之所以拥有如此优异的性能，主要是两方面的工作取得的贡献，即TWIP 钢的化学成分配比恰当和强韧化手段的应用钢的化学成分，尤其是合金元素的加入一定程度上决定了钢的组织性能此外，强化手段如固溶强化、 相变强化、弥散强化、形变强化、水韧处理等在获得高强度良好韧性TWIP 钢的过程中也是不可或缺的2.2 合金元素在 TWIP 钢中所起的作用TWIP 钢中合金元素有两个作用，第一是对奥氏体稳定性的影响；第二是对奥氏体层错能的影响。

除 Co、Al 等两三种合金元素外，其它合金元素都能使奥氏体稳定性不同程度的增加改变合金元素的种类和数量， 奥氏体的层错能也随之变化 定性的说，Ni、C、Cu、Nb 等使奥氏体的层错能增加；Cr、Si 有使奥氏体层错能显著降低的倾向马氏体相变与奥氏体基体的层错能有关，非常低的层错能有利于马氏体相变，而较高的层错能则抑制这种相变加入Al ，增加层错能，强烈抑制马氏体相变，起到稳定奥氏体的作用；与之相反，Si 的加入降低层错能，因而在冷却和形变过程中有利于γ -ε 马氏体相变 Mn 是奥氏体稳定化元素， 它的加入使 Ms点降低 Mn 既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe 原子，还能形成硫化物 Mn 对 TWIP 钢的层错能有重要影响，使其在形变过程中产生密集的孪晶，显著的提高TWIP 钢的延伸率，但 Mn 含量过高易形成带状组织，且焊接性能大幅下降，不利于TWIP 钢综合性能的改善 Si 是铁素体形成元素，在亚临界加热时， 倾向于向铁素体中扩散， 有利于铁素体的延展性能， 对铁素体母相起置换固溶强化作用，Si 在碳化物中不易溶解，可以抑制碳化物的析出Si 含量过高，会给产品带来铸造困难、焊接困难、热镀锌困难、表面质量差等缺陷。

C 是奥氏体稳定化元素，起间隙固溶强化作用，奥氏体中含碳量升高，奥氏体稳定性升高， Ms 点下降，但 TWIP 钢作为成形用钢，其含C 量不能太高，一是影响成形性，二是影响焊接性能2.3 TWIP 钢的强韧化原理TWIP 钢的高强韧性能来源于形变过程中孪晶的形成众所周知，金属材料尤其是钢铁材料在大变形或受冲压过程中在金属内部会有位错的产生与滑移、孪晶的产生、扭折的产生与聚集正是由于位错、孪晶、扭折的出现，金属材料的塑性变形才得以发生 当金属产生塑性变形时， 这三者是否出现以及以哪种塑性变形方式为主取决于该金属自身的性能金属材料塑性变形方式与晶体的层错能相关，高层错能晶体以滑移为主，低层错能晶体倾向于孪生，形成孪晶带应变诱导孪晶使变形过程中产生的滑移位错堆积于孪晶界, 同时进行大的无颈缩延伸，体现出孪晶诱导塑性效应， 材料具有非常优异的强韧性 孪晶指两个晶体 (或者一个晶体的两个部分 ) 沿一个公共晶面构成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为“孪晶”， 此公共晶面就称孪晶面 在金相照片中表现为特定的线，该线称为孪晶线或孪晶界，这样的晶体称为孪晶孪晶的形成与堆跺层错有密切关系，一般层错能高的晶体不易产生孪晶。

孪晶分为退火孪晶和形变孪晶， 其形成机理和外形不同，退火孪晶尺寸大于形变孪晶， 一般单个出现并横贯整个奥氏体晶粒，但两者晶体结构一样，即晶体点阵相同，以孪生面呈180° 镜像分布层错能是合金材料的一个重要物理特征，直接影响材料的力学性能， 位错交滑移，相稳定性等 TWIP 钢中的马氏体相变是通过奥氏体内每隔一层｛111｝面上形成的堆垛层错来完成，因而与奥氏体基体的层错能相关TWIP 钢的层错能相对其它钢铁材料较低， 由于其奥氏体化元素Mn 含量很高， 致使室温下其组织始终为奥氏体 奥氏体的晶体结构为面心立方， 这两者决定了在外加载荷作用下 TWIP钢的塑性变形以孪生为主，位错的滑移为辅通常的材料较低温度的变形也是以孪生为主 TWIP 钢经轧制并退火、水淬处理后基体组织为奥氏体，并伴有大量退火孪晶 孪生作为塑性变形的另一种机制，在发生孪生的过程中孪晶出现的频率和尺寸取决于晶体结构和层错能的大小当晶体在切应力的作用下发生了孪生变形时，晶体的一部分沿一定的孪生面和孪生方向相对于另一部分晶体作均匀的切变， 晶体的点阵类型不发生变化， 但它使均匀切变区中的晶体取向发生变更， 变为与未切变区晶体成镜面对称的取向。

变形部分的晶体位向发生改变，可是原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，可以进一步激发滑移 孪生与滑移交替进行， 使 TWIP 钢的塑性非常优异 在轧制过程中， 随着形变增加，孪晶会发生转动，在4 个（111）孪生面都会出现堆垛层错和孪晶，这样排列的孪晶因孪晶间的相互制约，在应变量增加时孪晶不能发生转动，沿轧制面排列在外力作用下，随着应变增加，变形试样中观察到大量形变孪晶，产生TWIP 效应2.4 TWIP 钢的强韧化手段固溶强化是一种传统的强化钢铁材料的手段，TWIP 钢为了得到优异的综合机械性能加入了大量的合金元素 这些合金元素一般在高温状态下都要溶入奥氏体中，在水韧处理和机械变形过程中会有一部分合金元素（如Nb）与碳形成合金化合物弥散析出， 也就是所谓的时效过程 有很大一部分合金元素仍然保留在TWIP 钢的奥氏体中，这些元素有Mn、Co、Al 等它们固溶在奥氏体相中，存在于晶格间隙中或置换点阵原子，一定程度上造成了晶格畸变， 进而在畸变区形成了应力场 这些由于固溶原子造成的应力场会阻碍位错的迁移，从而一定程度上提高了 TWIP 钢的强韧性弥散强化和细晶强化也是提高TWIP 钢强韧性的有效途径。

如前面所说，TWIP 钢在水韧处理和机械变形过程中会有一部分合金元素（如Nb）与碳形成合金化合物弥散析出， 这些细小的微粒呈弥散态分布，其作用主要有两方面 一方面这些弥散分布的微粒可以阻碍位错的迁移，一定程度上起到定扎位错的作用，这些细小的颗粒一般硬度都比较高，从而提高了TWIP 钢的强度、硬度及耐磨性另一方面， 这些坚硬颗粒的存在有效地限制了奥氏体晶界的迁移，很好的防止了奥氏体晶粒的长大，起到了细晶强化的作用一般来说，晶粒越细小，晶界的面积就越大， 晶界在室温状态下强度比晶内高很多，这些晶界可以有效的阻碍位错的迁移扩张， 从而大大提高了材料的强度晶粒越细小， 位错源距离位错阻碍（一般是晶界和第二相粒子）越近，塞积的位错数目越少，局部应力集中减小（相对于粗晶）此外细晶材料在外加载荷作用下协同变形能力也远远好过粗晶，不易造成应力集中这样就很大程度上提高了TWIP 钢强韧性水韧处理是TWIP 钢获得高强韧性的保证，这与高锰钢的水韧处理目的相似固溶强化、细晶强化、弥散强化等强化手段的实现与水韧处理密不可分水韧处理保证了 TWIP 钢的奥氏体状态， 使奥氏体中固溶了大量的合金元素，为后面的时效作准备， 同时保证了奥氏体基体的强度。

此外，水韧处理温度的高低决定了 TWIP 钢塑性变形的方式 据有关研究表明， 高温水韧后变形时先以位错滑移为主，形成高密度位错区， 位错进一步运动受阻， 进而在高位错密度区形成形变孪晶，协调金属变形 随着水韧加热温度的降低， 组织协调变形方式逐渐由以位错滑移为主向以形变孪晶为主的孪生协调变形过渡形变强化作为 TWIP 钢最主要的强韧化手段，对TWIP 。