TRIP钢中合金元素的作用和处理工艺的研究进展

第20卷第1期2008年1月
钢铁研究学报
Jour nal of Ir on and Steel Research
V ol.20,No.1Januar y 2008
作者简介:唐代明(1962-),男,副教授; E -mail:tdmtdmtdm@; 修订日期:2007-07-06
TRIP 钢中合金元素的作用和处理工艺的研究进展
唐代明
(攀枝花学院钒钛材料与复合技术四川省重点实验室,四川攀枝花617000)
摘 要:为了给T RI P 钢的试制提供参考,对各种合金元素在T RIP 钢中的作用进行了描述,并介绍了热轧和冷轧T RIP 钢的处理工艺。

认为T RI P 钢的研究、生产、应用与双相钢相似,能生产双相钢的生产线即可生产T R IP 钢。

为生产符合我国国情的T RIP 钢,应加强微合金元素钒、钛在T RIP 钢中作用的基础研究。

关键词:T RIP 钢;成分;处理工艺;微合金元素
中图分类号:T G14213 文献标识码:A 文章编号:1001-0963(2008)01-0001-05
Review of Alloying Elements and Processing of TRIP Steels
TA NG Da-i ming
(K ey L aborat or y of Sichuan P ro vince on T itanium &Vanadium M aterial and Composite T echnolog y,Panzhihua U niver sity,Panzhihua 617000,Sichuan,China)
Abstract:Effects of different allo ying elements o n T RIP steels w ere descr ibed in detail and the pro cessing applied r espectively to hot r olled and co ld ro lled T RI P st eels w as intro duced in order to offer info rmatio n fo r tr ial pro duc -tio n o f T RIP st eels.T he ex per iment ation,pr oductio n and application of T RIP steels w ere sim ilar to that o f dua-l phase steels,therefor e the pr oduction line that was used in dua-l phase steels can be applied to T RIP steels also.I n o rder to pro duce T RIP steels w it h the Chinese resource feature,the basic study of the effect s o f V,T i micr oallo -ying elements o n T RIP steels should be carr ied o ut.
Key words:T RI P steels;co mpo sition;pr ocessing ;microallo ying element
当前,要求汽车工业既要提高汽车的安全性,又要减少汽车的油耗。

低油耗的汽车可以节约能源,降低CO 2、NO x 的排放量,从而减少对环境的污染,减轻汽车自重是降低油耗最简单而有效的方法。

应用高强度钢材可达到既提高汽车安全性,又可减轻汽车自重的目的。

目前,大多数汽车车身构件在制作过程中必须进行深冲、拉延、凸缘及翻边等成型加工,这就要求作为汽车车身构件的钢板同时具有高强度和高延性。

具有相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity)效应的TRIP 钢板应可以满足上述要求。

1967年,V.F.Zackay 等利用形变诱发马氏体相变和马氏体相变诱发塑性的原理开发出TRIP 钢,其标准成分(质量分数)为9%Cr -8%N-i 4%M o -2%M n -2%S-i 013%C 。

当此钢的R r012=1590M Pa 时,K c U 8575N/mm 3/2,室温下K IC U 3185N/mm 3/2[1]。

尽管此时的T RIP 钢具有相当高的强度和韧性,但是由于含有较昂贵的合金元素(铬、镍和钼等),使其发展和应用受到限制。

因此,在较长一段时期内,TRIP 效应主要是用于本身就含较高铬、镍含量的不锈钢。

在汽车用双相钢的发展过程中,有不少用廉价的硅、锰元素取代铬、镍及钼元素的经验,同样在双相钢中发现有残余奥氏体存在,并且具有TRIP 效应[2]。

鉴于此,开发研究出了S-i Mn 系汽车用TRIP
钢。

这种钢的典型化学成分(质量分数)为Fe -0115%C -115%S-i 115%Mn,显微组织一般为70%铁素体+20%贝氏体型铁素体+10%残余奥氏体[3]。

这种汽车用低合金TRIP 钢的多相显微组织,既可以通过T M P(热机械处理)工艺在热轧状态下形成,也可以在冷轧后经临界区退火和贝氏体相
变温度等温的2阶段热处理来获得。

因此根据处理工艺可以将其分为热轧TRIP钢和冷轧T RIP钢。

近20多年,这种钢受到国外钢铁和汽车行业的高度关注,对其进行了大量的开发研究工作,并且已经商业化,用于制造汽车的冲压构件以及经冲压后的抗撞构件。

10多年前,国内就有该钢的研究报道[4],但是直到2002年,才由上海宝山钢铁公司实现了R m=600MPa级的冷轧T RIP钢的商业化生产,并成功应用于国内汽车制造行业[5]。

最近,还对TRIP/T WIP(孪生诱发塑性)钢进行了研究,此钢可以同时或分别具有TRIP效应和TWIP效应[6,7]。

该钢的锰含量相当高[w(M n)= 15%~25%],同时含有较高的硅和铝(质量分数均为3%),但碳含量较低[w(C)=0102%~0104%]。

此钢不仅可以用于汽车工业,还可以用于土木工程、管线和低温容器[6,7]。

此外,T RIP钢还可以用于其它领域,如煤矿的锚杆[8]。

1合金元素在T RIP钢中的作用
111基本合金元素
通常认为,碳、锰、硅和铝是低合金TRIP钢中的基本元素。

在TRIP钢中,碳主要富集在残余奥氏体中,增加残余奥氏体数量,提高其稳定性,其次才是提高钢的强度。

对此,可用一个简单的实例予以说明:P.J.Jacques等对高铝TRIP钢的研究结果表明,当w(C)=0111%时,室温下钢中残留有8%的奥氏体,其中富集碳的质量分数为1103%[9],则残余奥氏体中碳的质量分数约占钢中所有碳的75%。

过高的碳含量会降低钢的焊接性能。

对于R m=600~800M Pa级的TRIP钢,合适的碳质量分数为0110%~0120%。

与其它H SLA钢一样,锰是TRIP钢中的一种主要合金元素,在钢中起固溶强化和降低M s点的作用。

M s点下降可提高残余奥氏体稳定性。

与钢中其它固溶强化元素相比,锰对塑性、韧性和焊接性的不利影响较小。

Seung Chul Baik等[10]对0115% C-1%S-i(211%~214%)M n钢的研究结果表明,钢中锰的质量分数从211%提高到214%时,M s点约上升100e。

这是因为锰减缓了铁素体转变速率,降低了从铁素体扩散到奥氏体中的碳;同时使残余奥氏体数量增多,也使其中富集的碳、锰等元素量减少。

因此,锰含量过高反而会降低残余奥氏体的稳定性。

T RIP钢冷却到奥氏体等温处理温度时,硅可促使碳扩散到奥氏体中,抑制奥氏体中渗碳体的析出[9,10]。

所以,硅在T RIP钢中不仅起固溶强化作用,还促使碳在奥氏体中富集,提高残余奥氏体的稳定性。

对(011%~0120%)C-S-i M n系T RIP钢,硅、锰质量分数应在1%~2%范围内,而且均以115%为最佳。

硅过高对T RIP钢板的生产工艺不利,研究者们在降低T RIP钢中硅含量[11]或以铝代替硅方面进行了大量的研究[9,12]。

P.J.Jacques等[11]发现,在低硅含量TRIP钢的等温处理过程中,有渗碳体在贝氏体型铁素体片间析出。

等温处理后,残余奥氏体中的碳的质量分数为0173%,残余奥氏体数量较少,基体组织中存在有马氏体第二相。

由于TRIP 效应和马氏体引起的强化同时出现,与高硅钢相比,可获得优良的拉伸性能。

这说明在T RIP钢中,用铝替代硅较理想。

他们还发现,铝的有效作用是抑制贝氏体相变过程中渗碳体的析出,即提高室温下残余奥氏体的稳定性,增强应变过程中的TRIP效应。

与硅不同之处是,铝不具备固溶强化效应,因此会导致强度下降。

从综合工艺适应性、力学性能以及实际需要等方面考虑,A-l Si复合合金化是一个很好的折中方案[9]。

降低硅含量或用铝代替硅而造成的强度损失,可以采用各种提高强度的措施来补偿。

除优化TRIP钢的处理工艺外,这些措施有:提高锰含量,添加铌、钼,加铜或提高残存元素铜、铬、镍的含量,加磷及加氮。

史文等[13]的实验结果表明,对于w(Si)<0160%的低碳低合金冷轧TRIP钢,将锰的质量分数提高到118%时,钢的强塑积(R m@A)可达到20GPa#%,与常规低碳S-i M n T RIP钢的水平相当。

112微合金元素
微合金元素铌可有效控制T RIP钢的奥氏体化、再结晶、晶粒长大以及元素迁移,还可控制热轧、临界区退火、冷却、贝氏体形成温度范围内的等温和应变过程中的各种相变,影响奥氏体向铁素体和贝氏体中的转变及残余奥氏体的体积分数和稳定性,这些均有利于T RIP钢获得优良的力学性能[14]。

A.Z.H anzaki等[15,16]对含微合金元素铌的热轧TRIP钢进行了研究。

认为铌可以阻止奥氏体回复,因此降低终轧温度不会改变残余奥氏体数量。

如果T M P工艺可促进Nb(C,N)析出,将降低残余奥氏体数量。

这是因为固溶铌减少,从而降低了原始奥氏体的稳定性。

在适当的TM P工艺下,
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#钢铁研究学报第20卷
0122%C -1155%S-i 1155%Mn -01035%N b 的TRIP 钢具有较高的伸长率(46%)和强塑积(61GPa #%)。

w (Nb)=0105%与不含铌的热轧T RIP 钢相比,前者可以同时获得高的伸长率和高强度。

复合添加w (N b)=0105%和w (Mo )=012%的TRIP 钢与只添加铌的T RIP 钢相比,前者在合理的热轧工艺条件下,析出大量细小的(Nb,M o)C,可提高R m ,而且对强塑积无损害;对于只加铌[w (Nb )=0105%]的T RIP 钢,因为残余奥氏体量多和碳含量高,因而可获得良好的延性。

此外,残余奥氏体呈细小弥散分布,这对改善延性也有一定的作用[17]。

尽管微合金元素钒、钛与铌有相似的作用,但目前有关对T RIP 钢中微合金元素钒、钛(尤其钒、钛、氮复合添加)作用的研究报道却很少。

Y.Chen 等[18]
为了开发热轧TRIP 钢,对0115%C -115%S-i 115%Mn 钢分别单独添加w (Nb)=01028%、复合添加w (N b)=01027%和w (T i)=01036%进行了研究。

研究结果表明,铌、钛有微弱的降低残余奥氏体体积分数的作用,这大概是因为铌和钛的碳化物析出消耗了碳原子,致使奥氏体碳含量减少、稳定性降低。

田蓉等[19]对0111%C -0155%S-i 1149%M n -0112%V 冷轧TRIP 钢进行了研究。

结果表明,虽然此钢的R m 达到730MPa,但强塑积却小于17GPa 。

Seung Chul Baik 等[20]对012%C -115%M n -115%S-i 0104%A-l (01003%-01015%)N 冷轧TRIP 钢的研究结果表明,随氮含量提高,AlN 析出物密度增加,这种析出物延缓了冷却及等温过程中奥氏体的转变,使退火后的组织中留有大量的残余奥氏体,从而提高了强度和强塑积。

另外,AlN 析出物细化了铁素体和贝氏体,对提高强度也有贡献。

113 其它元素
Sung -Joo n Kim 等[21]将w (Cu)=015%添加到0115%C -115%S-i 115%Mn 的冷轧TRIP 钢中,使R m 提高了50~80M Pa,而且伸长率仍保持在较高水平。

这是因为铜提高了残余奥氏体的体积分数,而且对其稳定性没有影响。

含铜钢的铁素体硬度高于无铜钢,从而使残余奥氏体的应变诱发相变可维持到高应变区,使强度和塑性同时得到提高。

他们还将w (Cr)=0139%和w (Ni)=0141%单独或同时加入0115%C -115%S-i 115%M n -0151%Cu 的冷轧TRIP 钢中,研究其显微组织、力学性能和成型性。

结果显示,含铜和镍的钢其残余奥氏体体积分数较
大、稳定性较高,应变诱发相变可以维持到高应变
区,大大改善了钢的力学性能和成型性。

单独添加
铬或铬与镍复合添加时,钢的组织为铁素体和马氏体双相组织,同时还具有体积分数较小、稳定性较差的残余奥氏体。

这是因为大量的奥氏体转变成马氏体所致。

当铜、铬及镍这些在其它一些钢中是有害的残存元素存留在钢中时,仍然可以生产TRIP 钢,而这些钢具有不同的力学性能,可以满足不同用途的要求[22]。

这些研究结果说明,可以用回收的社会废钢作原料生产TRIP 钢,从而减轻环保负担,节约和有效利用资源。

作为铁素体形成元素的磷与硅类似,也能固溶强化铁素体和奥氏体。

与其它合金元素相比,磷是提高铁素体强度作用最强的元素[23],它可以促进铁素体的形成,对于输送台较短的工业轧机,为了适应其工艺参数,生产热轧T RIP 钢,添加磷是有效的[24]。

钢中加入少量磷[w (P)<011%]能有效阻止铁的碳化物的析出,提高强化效果[14],磷有利于亚稳态奥氏体的保留
[12]
,磷也能使残余奥氏体的应变
诱发相变维持到高应变区,因此可以在TRIP 钢中添加适当的磷,以提高其强度和塑性,但加入量不能超过一定量,否则会导致钢出现冷脆倾向,对焊接性能不利。

2 T RIP 钢的处理工艺
211 热轧TRIP 钢
热轧TRIP 钢的TM P 工艺如图1[15,16,25]
所示。

TM P 工艺过程为:第1步,将钢坯再加热到一个恰能使其初始显微组织中存在的Nb(C,N)、AlN 析出物
T nr )未再结晶温度; T c )卷取温度; AC )空冷
图1 热轧TRIP 钢的TMP 工艺示意图Fig 11 Schematic diagram of TMP schedule f or
hot rolled TRIP steel
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3#第1期 唐代明:T RIP 钢中合金元素的作用和处理工艺的研究进展
溶解的温度;第2步,轧制变形,即在未再结晶温度之上终止变形;第3步,以3e /s 的冷却速率将钢冷却到A r3~A r1温度之间;第4步,在A r3~A r1温度间等温,析出要求数量的先共析铁素体;第5步,采用层流冷却将钢快速冷却到卷取温度(通常为400e 左右),在此温度下,一部分奥氏体等温转变成贝氏体。

Ichir o T sukatani 等
[26]
和Sung -Joo n Kim 等
[27]
建议在未再结晶温度之下终止变形,之后快速冷却
到卷取温度等温一段时间,然后空冷到室温,而LI Zhuang 等[28]却建议应在终止变形后空冷到卷取温度。

212 冷轧TRIP 钢
冷轧T RIP 钢是指冷轧后经一种由2个阶段组成的热处理工艺生产的钢。

冷轧T RIP 钢的热处理工艺见图2[9,11,12,29]。

第1阶段,将钢加热到A c1~A c3温度范围内进行临界区退火。

在此期间,控制形成的奥氏体和铁素体的体积分数,目标是临界区退火结束后,铁素体含量为70%,奥氏体含量为30%
[12]。

但Chang Gil Lee 等
[30]
认为铁素体和奥氏
体的体积分数应各为50%。

如果临界区退火温度过高,形成的奥氏体的体积分数较高,这将降低奥氏体中碳和合金元素浓度。

临界区退火结束后,快速冷却到400e 左右(B s ~M s 之间的贝氏体转变温度)的等温温度;第2阶段,在等温温度保持一段时间后,急冷到室温进行卷取。

在贝氏体转变温度等温时,奥氏体部分转变成贝氏体型铁素体,碳和合金元素富集到未转变的奥氏体中,使剩余的奥氏体在室温稳定化。

为了保证残余奥氏体的稳定性,等温时应避免因形成碳化物而降低其碳和合金元素
的浓度。

图2 冷轧TRIP 钢的热处理工艺示意图Fig 12 Schematic diagram of heat treatment process for
cold rolled TRIP steel
3 结语
近30年来,各国学者对TRIP 钢中各种合金元素的作用、T MP 工艺、热处理工艺等进行了研究。

国外钢铁企业产业化生产的各种强度级别的热轧和冷轧T RIP 钢大量用于制作不同的汽车零件。

我国钢铁企业在开发生产TRIP 钢方面与国外存在较大的差距。

国内钢铁企业与汽车厂应加强合作,加快TRIP 钢产业化的步伐,满足我国汽车制造业飞速发展的需求。

TRIP 钢是在双相钢的基础上迅速发展起来的,它与双相钢有许多相似之处:以汽车制造业对具有良好成型性的高强度钢的需求为开发动力,可以添加微合金元素,生产工艺流程基本一样,主要品种为热轧和冷轧钢板,以用做同样的汽车构件为主要应用领域等。

这就意味着T RIP 钢的开发、研究手段和方法与双相钢相同,能生产双相钢的生产线基本上可以生产TRIP 钢,其生产、应用可以借鉴双相钢的经验。

应深入、系统地研究微合金元素钒、钛、氮在TRIP 钢中的作用,尤其是它们复合加入时的作用;以及适用于钒、钛微合金T RIP 钢的处理工艺。

为有效利用我国富有的钒、钛资源,开发适合我国国情的TRIP 钢提供理论依据。

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