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中國科學院金屬研究所
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)能減排成為了一項急需完成的課題。其中，汽車行業(yè)便首當其沖，據(jù)統(tǒng)計[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。高強度汽車用鋼由于其強度高，在保證強度的前提下，能減輕整體結構件的重量。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，常常存在著強度和塑性的倒置關系，關系如圖1所示。為此，我們需要找到一種有效的強韌化手段來保證金屬材料在具有高強度的同時又具備一定的塑性加工能力。
關于鋼的強韌化處理，全球的科學家們在很早的時候便已經開始了。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)，其機理主要歸功于形變誘發(fā)相變(mechanically induced phase transformation)機制，即形變誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉變，由此大大增加了基體強度，促進了高錳鋼的加工硬化能力，并確定了該鋼種錳含量應在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)，這項發(fā)現(xiàn)幫助了科學家和工程師們從一個新的方向研究TWIP鋼的變形機理。
從1888年到20世紀50年代，經歷了70多年漫長的發(fā)展，科學家和工程師對高錳鋼的研究并沒有結束，在1997年Grassel等人在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP鋼時發(fā)現(xiàn)，當錳含量達到25%，Al和Si含量在3%時，其抗拉強度和延伸率的乘積在50000Mpa%以上，是傳統(tǒng)TRIP鋼的兩倍[2]，此新鋼種力學性能已遠超TRIP鋼。隨后的研究發(fā)現(xiàn)該類合金的高強韌性主要歸功于在變形過程中，產生了形變孿晶，這些細小的形變孿晶（寬度在nm級別）見圖2所示相互交叉，表現(xiàn)出了動態(tài)Hall-Petch關系，并阻止了基體中位錯的滑移，在提高了基體的抗拉強度的同時，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。同時由于沒有TRIP效應發(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鋼還要突出的強韌化能力。
由于TWIP鋼屈服強度在200~500Mpa，抗拉強度基本在500~1600Mpa之間，其疲勞極限（試樣經無限次應力循環(huán)，一般大于107周次，也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應的應力稱為疲勞極限）高于屈服強度，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鋼具有如下幾點優(yōu)異的力學性能：
？ TWIP鋼相對較低的屈服強度表明了進行壓力加工所需的壓力小，對設備的要求低，降低其成型成本，并且高的延伸率能夠成型形狀復雜的構件；
？ 高的抗拉強度能夠保證足夠的強度來抵抗外界的突然破壞，起到保護的作用，并能夠減輕結構件的重量，節(jié)約能源；
？ 高于屈服強度的疲勞極限，能夠有效地抵抗突然過載造成的疲勞破壞；
關于鋼的強韌化處理，全球的科學家們在很早的時候便已經開始了。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)，其機理主要歸功于形變誘發(fā)相變(mechanically induced phase transformation)機制，即形變誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉變，由此大大增加了基體強度，促進了高錳鋼的加工硬化能力，并確定了該鋼種錳含量應在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)，這項發(fā)現(xiàn)幫助了科學家和工程師們從一個新的方向研究TWIP鋼的變形機理。
從1888年到20世紀50年代，經歷了70多年漫長的發(fā)展，科學家和工程師對高錳鋼的研究并沒有結束，在1997年Grassel等人在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP鋼時發(fā)現(xiàn)，當錳含量達到25%，Al和Si含量在3%時，其抗拉強度和延伸率的乘積在50000Mpa%以上，是傳統(tǒng)TRIP鋼的兩倍[2]，此新鋼種力學性能已遠超TRIP鋼。隨后的研究發(fā)現(xiàn)該類合金的高強韌性主要歸功于在變形過程中，產生了形變孿晶，這些細小的形變孿晶（寬度在nm級別）見圖2所示相互交叉，表現(xiàn)出了動態(tài)Hall-Petch關系，并阻止了基體中位錯的滑移，在提高了基體的抗拉強度的同時，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。同時由于沒有TRIP效應發(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鋼還要突出的強韌化能力。
由于TWIP鋼屈服強度在200~500Mpa，抗拉強度基本在500~1600Mpa之間，其疲勞極限（試樣經無限次應力循環(huán)，一般大于107周次，也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應的應力稱為疲勞極限）高于屈服強度，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鋼具有如下幾點優(yōu)異的力學性能：
？ TWIP鋼相對較低的屈服強度表明了進行壓力加工所需的壓力小，對設備的要求低，降低其成型成本，并且高的延伸率能夠成型形狀復雜的構件；
？ 高的抗拉強度能夠保證足夠的強度來抵抗外界的突然破壞，起到保護的作用，并能夠減輕結構件的重量，節(jié)約能源；
？ 高于屈服強度的疲勞極限，能夠有效地抵抗突然過載造成的疲勞破壞；
由此看來TWIP鋼作為第二代高強度用鋼，其優(yōu)異的強韌化特點，將會在汽車制造等行業(yè)中發(fā)揮出巨大的經濟開發(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和熱點。
參考文獻
[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.