TRIP钢研究的现状与发展

TRIP钢的研究现状与发展趋势

学校上海大学

学院材料科学与工程学院

专业金属材料工程

学号 08125239

姓名南冬磊

指导教师符仁钰

TRIP钢的研究现状与发展趋势

南冬磊

（上海大学材料科学与工程学院08125239）

摘要：简述了相变诱发塑性（TRIP）钢的发展历史及研究现状，论述了TRIP钢的化学成分、显微组织和性能，介绍了生产TRIP钢的两种典型工艺：热轧、冷轧，分析了影响TRIP效应的因素。最后，对TRIP钢的发展趋势做了展望。

关键词：TRIP钢；显微组织；力学性能

Current Research Condition and Development of TRIP Steel

NAN Dong-lei

(School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，08125239) Abstract: The development history and current research condition of transformation induced plasticity (TRIP) steel were briefly introduced. The chemical composition，microstructure and mechanical properties of the TRIP steel were described. The two typical process of the TRIP steel production were introduced. The influence factors of the TRIP effect were analyzed. Finally，the development tendency of TRIP steel was forecast.

Key Words: TRIP Steel; microstructure; mechanical property

随着时代的发展，由于环境、能源、安全等要求的提高，需要汽车轻量化[1，2]。研究表明[3]：在其他条件不变的情况下，汽车质量每减轻10% ，则油耗可下降8%—10% ；而为了提高汽车安全性，又要增加主动与被动安全措施，这将增加汽车的质量，解决这一矛盾的有效手段就是采用高强度钢和先进高强度钢，如双相钢、TRIP钢、M 钢、TWIP钢、含硼超高强度钢等。图1[4]显示了各类汽车用板的屈服强度和断后伸长率的关系，从中可看出，随着强度的提高断后伸长率下降。与常规高强度钢板(HSLA、CMn、IS、BH和HSSIF)相比，以双相钢(DP)、相变诱发塑性钢(TRIP)和马氏体钢(M)为代表的相变强化钢板系列则拥有高的强度和断后伸长率，其中又以TRIP钢最受青睐，

TRIP 钢板的金相组织由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成。当钢板受到外加应力（如冲压成形）时，在应力集中区域的残余奥氏体转变成马氏体，使该区域的强度提高，这种变化延迟了这个区域的进一步变形，因而使均匀伸长率和总伸长率的数值升高，提高了钢板的塑性和强度，从而改善了成形性能和抗撞性能，满足了汽车形状复杂零件的成形、减重和安全的要求。TRIP 钢的研制成功为解决强度和塑性的矛盾提供了方向，它也成为近年来汽车用钢板的一大热点。从我国的钢板生产情况看，目前汽车钢板的生产还处于起步阶段，汽车所用钢板的三分之一和优质钢均需进口。国产轿车板的市场占有率仅为50%，在轿车用钢板中，35%～40%冷轧板需要进口，镀锌板几乎全部需要进口。目前，国内汽车用钢板生产厂家主要有宝钢、武钢和鞍钢，尤其是宝钢和武钢在生产汽车钢板方面取得了重大进展，已生产出了多种汽车钢板，包括热轧低碳钢板、热轧结构用钢板(汽车结构用钢板、汽车大梁用钢板、汽车传动轴用钢板等)

、冷轧低碳及超低碳钢板、

冷轧碳素结构钢板、含磷高强度钢板、冷轧车轮用钢板、热镀锌和电镀锌钢板等。宝钢近三年来在高强度钢生产上也取得了很大进展，开发了TRIP600等钢板，与传统汽车用钢相比，TRIP钢具有高的强度和塑性的结合，优势十分明显。TRIP钢是一种先进的高强度钢，具有良好的塑性，能冲制出形状复杂的零件。与其他冲压用钢板相比，具有良好的加工硬化和烘烤硬化性能，采用它制造车身零件可以提高疲劳性能和抗撞性能，并且可以减少钢板的厚度从而减轻汽车的质量，对节约能源、减少排放和提高安全性有显著效果。随着我国汽车工业的发展，迫切需要提高此类钢的强度级别，因此TRIP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.TRIP钢

下面将介绍TRIP效应的实质，并从TRIP钢的化学成分、显微组织、力学性能方面进行系统阐述。

1.1TRIP效应

TRIP效应是残余奥氏体向马氏体转变使得强度和塑性同时提高的效应。Sauveur在1924年就报道[5]，铁在相变时会出现软化，即对流变抗力减少的现象，以后的大量工作均证明了他的发现：金属及合金在相变过程中塑性增加，在低于母相屈服强度的情况下会产生塑性变形，这种特性被称为相变诱发塑性，即TRIP。

TRIP 钢最早于1967 年由Zackey 等人[6]在高合金奥氏体不锈钢的研究中提出，T RIP 钢的典型显微组织主要由铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成，可能还有少量马氏体。当应力作用在钢板上时，如拉

伸试验、汽车零件变形、汽车撞

击等，在应力集中的地方，残余

奥氏体将转变为马氏体，如图

2[7] 所示。由于马氏体的硬度高，

使局部的硬度得到提高，继续变

形较困难，同时变形进一步向周

围组织转移，颈缩的产生被延迟，随着相变的不断发展，材料获得了很高的塑性。

残余奥氏体相变时体积增大，压迫周围的基体，使其发生塑性变形，引起位错密度增加，产生位错强化，同时相变产生的马氏体也使材料强度提高，钢板经相变后塑性和强度都有提高。

1.2TRIP 钢的化学成分

C 是奥氏体稳定化元素，在奥氏体中的碳含量决定了残余奥氏体的量和稳定程度。碳含量太低则没有TRIP 效应显现，含量太高则焊接性差，并且固溶强化增强导致强度增加塑性降低。故在满足力学性能的前提下，应尽量降低钢的含碳量以保证良好的焊接性能。一般碳含量在0．1％ ～0．4％之间，为使钢板具有良好的焊接性，碳含量一般取小值，典型TRIP 钢的碳含量为0．2％。Mn 的典型含量为1.5%，这样可以得到良好的淬透性，Mn 作为奥氏体形成元素，可使渗碳体开始析出的温度降低，使TRIP 钢的Ms 点下降，残余奥氏体含量增加。然而过高的Mn 含量（约2.5%）却是不利的，一方面会导致组织呈带状化，另一方面残余奥氏体过分稳定，也不利于相变的发生，故

TRIP

钢中的锰含量一般均为1％ ～2％ 。Si 是铁素体形成元素，它一方面可以抑制冷却过程中渗碳体的形成，另一方面可以增加残余奥氏体的稳定性，所以Si 含量最好在1％ ～2％。当硅、锰比在1：1时，带状组织的形成趋势最小，钢板的力学性能最佳[8]。典型TRIP 钢中的各元素的百分含量如表1所示 [9]。

1.3TRIP 钢的显微组织

典型TRIP 钢的显微

组织如图3[10]所示，即

铁素体边界分布着残余

奥氏体和贝氏体，残余

奥氏体的含量约为6%

—10%。文献指出[10，11]：

铁素体一般作为基体，

呈等轴状分布；贝氏体呈条状或粒状分布于晶界处；残留奥氏体主要分布于三个位置：(1)呈岛状分布于铁素体晶粒内或晶界处。(2)呈岛状分布于贝氏体铁素体晶界处。(3)

呈膜状或针状分布于贝氏体铁素体条间：其中岛状残

留奥氏体尺寸较大，而分布于贝氏体铁素体条间的针状或膜状奥氏体的尺寸小于1 um，纵横比大于2．5。由于被贝氏体包围，形成贝氏体时两侧的贝氏体同时向残留奥氏体排碳，使碳高度富集，Ms点下降，因此稳定性大大提高，而且由于周围的贝氏体产生水静压力，即使在很大的应变下也不发生马氏体相变。极少量的马氏体主要是在淬火冷却到室温的过程中由稳定性相对较差的奥氏体转变而来，一般都呈岛状分布。

1.4TRIP钢的力学性能

TRIP钢变形时[12]，应变量增加，残余奥氏体转变成马氏体而使强度升高，残余奥氏体量减少，TRIP钢是一种具有高强度、高断后伸长率的新型汽车用钢，其优越的性能主要源于钢中多相组织的合理配比以及相变诱发塑性原理。高强度源于马氏体、贝氏体和合金元素固溶强化的共同贡献，高塑性依赖于残余奥氏体、贝氏体和铁素体三相组织的优势互补。

具体归纳如下：

(1)强度高，延性大，即其强塑积(TS×EL)较高；TRIP钢的强塑积一般均大于20000，而一般钢种的强塑积约为15000，因此TRIP钢可用作形状较复杂的零件。

(2)TRIP钢的加工硬化指数较高，均在0．2以上，而析出强化系列钢则在0．2以下。

(3)平面各向异性较低，在深冲时制耳很小[13]。

(4)成型后表现出很强的烘烤硬化特性。

(5)TRIP 钢的屈强比(YS ／TS)略高于双相钢，约为0．6～0．8，加工容易；而析出强化钢板的屈强比约为0．8～0．9。

(6)具有高的成形极限高度和拉胀性能，特别适合于胀形的零件。

(7)冲撞时吸收能量较高，提高了安全性。

(8)TRIP 钢因加工硬化指数高，在循环应力作用下，会发生循环硬化，故其疲劳强度高。

2. TRIP 钢生产工艺

尽管TRIP 钢性能优良，但由于热处理工艺复杂，该钢未获得广泛应用。按生产工艺的不同，分热轧TRIP 钢和冷轧TRIP 钢两种。

2.1热轧TRIP 钢

热轧TRIP ，采用在终轧后控制冷却和低温卷取的方式生产，其冷却模式由四部分组成，如图4所示[4]：

钢板在单

相区终轧后快

速冷却到中间

温度，加速铁

素体的形成。

在中间温度保

持一段时间以获得足够的铁素体。

因为珠光体的形成将消耗大量的碳，从而减弱了碳在未转变奥氏体中的富集。然后再快速冷却到卷取温度，完成奥氏体到贝氏体的转变，卷

取温度控制在500℃以下以抑制珠光体的形成，从卷取温度自然冷却到室温。从以上分析可见，热轧TRIP 钢生产的关键是终轧后两段冷却的控制。

2.2冷轧TRIP 钢

冷轧TRIP 钢

的多相组织主要通

过形变热处理，两

相区等温以及中温

贝氏体转变区等温淬火得到。典型的冷轧TRIP 钢热处理工艺如图5所示

。形变热处理主要是细化奥氏体晶粒，改变相变动力学，即钢坯在1200 ℃左右均匀化退火1 h ，在1150℃开始轧制，终轧温度850℃左右，中间经过3～4道轧制，于600℃ 卷取并空冷到室温，随后冷轧到所要求的钢板厚度。然后重新加热到奥氏体和铁素体两相区保温1—5 min ，并快冷到贝氏体转变区进行贝氏体转变，最后油冷到室温。均匀化退火温度要在碳化物完全溶解的温度以上，保证在随后的热轧过程中没有粗大的未溶碳化物；两相区退火温度的选择主要是控制室温时TRIP 钢中的铁素体含量。在两相区保温的过程中，由于Si 的存在，使奥氏体中的碳得到第一次富集，一般可达到钢中平均含碳量的两倍左右，为取得较好的TRIP 效应应优化铁素体量，以便获得尽可能稳定的残留奥氏体。铁素体含量还直接影响最终组织中残留奥氏体的成分和形貌，进而影响残留奥氏体TRIP 效应的发挥。一般选择在奥氏体和铁

素体含量相等的温度进行保温，随后以较高的冷速冷却到贝氏体转变区，以防止渗碳体及珠光体的形成。在贝氏体区等温的目的主要是通过在贝氏体形成过程中碳的第二次富集，使残留奥氏体的稳定性大大提高，并在随后的冷却过程中保留下来，其等温温度和时间的选择对残留奥氏体的含量和稳定性都有重大影响。因此必须选择合适的等温温度和等温时间，以得到合适的残留奥氏体量及足够的稳定性。3.影响TRIP效应的因素

3.1残余奥氏体

TRIP钢中残余奥氏体的含量约为6%—10%，TRIP效应同残余奥氏体的含量有关，残余奥氏体的含量高，应变硬化率高，则TRIP效应强，但高含量的残余奥氏体并不一定对应着高的延伸率，因为TRIP 效应还同残余奥氏体的稳定性有关，残余奥氏体的稳定性由化学稳定性和力学稳定性两部分组成，残余奥氏体中的碳含量大小决定了残余奥氏体的化学稳定性，而残余奥氏体的形貌和晶粒大小及周围相的影响决定了它的力学稳定性。

当存在塑性变形时，残余奥氏体发生相变转化为马氏体是获得TRIP效应的重要原因。一般变形温度高于马氏体Ms温度而低于奥氏体的力学不稳定温度时，残余奥氏体可在塑性变形下发生相变，当变形温度在Ms温度以下时，奥氏体处于热动力学不稳定状态，即使没有变形存在，马氏体相变也会产生。通常用Md和Md30两个温度来表示残余奥氏体的稳定性[14]。Md是残余奥氏体转变成马氏体时由应力辅助变为应变诱发时的温度，可通过不同温度下拉伸试验测出，当

试样由连续屈服转变为不连续屈服时，所对应的连续屈服时的测试温度即为Md。Md30是当30％的拉伸变形使50％的残余奥氏体转化为马氏体时对应的温度，对TRIP钢还没有公式来计算Md30。残余奥氏体在应力作用下发生相变转变为马氏体时同它的晶粒大小和所处位

置有关[15]，位于多边形铁素体内或铁素体、贝氏体晶粒间的粗大的残余奥氏体在变形的前阶段就转化为马氏体，而沿晶界分布的残余奥氏体却很稳定，甚至在变形结束时还存在于显微组织内，主要由于其具有高的化学稳定性和力学稳定性。TRIP钢力学性能的提高除TRIP效

应外，还由于位错强化的原因，残余奥氏体相变时伴随着体积的扩大，压迫周围的铁素体，使其塑性变形，引起位错密度的增加，产生位错强化。

3.2合金元素

合金元素也对TRIP效应产生影响[15]。铝能显著提高抗拉强度和

延伸率，抗拉强度和延伸率分别达940 MPa和30％，含钼TRIP钢板的抗拉强度高达1 020 MPa，而延伸率有所降低，铝比钼对显微组织的影响作用大，铝、钼、铌共同存在时的复合作用对贝氏体、马氏体及残余奥氏体在铁素体基体中的分布及形貌的影响比它们单独存在

时的作用强。

硅、锰元素影响残余奥氏体含量和相变转化率。当锰含量高时，残余奥氏体的含量也高，而硅含量高的合金残余奥氏体的含量较低，表明锰在提高残余奥氏体含量的作用上比硅高。对于硅含量高的合金，当残余奥氏体中的碳含量较高时，在相同的塑性变形条件下可以获得

高的马氏体转化率。

磷可以用来减小硅在TRIP钢中的聚集而不影响钢的力学性能，对Ac1、Ac3的影响较小，C—Mn—P，C—Mn—Al TRIP钢板同C—Si —Mn TRIP钢板相比，在贝氏体等温处理时没有明显的相变动力学的差异。

含铜的TRIP钢[16]抗拉强度可达1 000MPa，延伸率为2o％，显著提高了钢的综合性能。铜有很强的固溶强化作用，1％的铜含量可提高5OMPa的强度，但铜的溶解仅在高温时发生，室温下几乎为零，铜还通过细化晶粒来提高强度。在铁素体冷却的过程中，铜的溶解度迅速降低，产生析出硬化。Locas的研究表明含铜的TRIP钢避免了贝氏体相变过程中碳化物的形成，使残余奥氏体的稳定性得到提高，含有铜镍的TRIP钢抗拉强度可达1 015 MPa，延伸率达2l％，综合力学性能最佳，而且具有降低等温温度和缩短等温时间的作用，能够降低能量消耗，节省时间，提高生产率，有良好的工业应用前景。

铌可以影响晶界的移动性[17]，对相变行为和碳化物的形成也有影响。铌具有显著的细化晶粒的作用，使碳在残余奥氏体中的含量升高，阻碍贝氏体的形成，促使马氏体形核。

钒是铁素体稳定元素，一般用来抑制TRIP钢中的相变行为，并有析出强化的作用。

钼通过再结晶和在钢板中析出时很强的溶解牵制作用来影响相变，重要的是[16]，钼可提高碳在奥氏体中的溶解度，降低碳化物沉积时的驱动力，使其沉积扩散作用明显减弱。同时，钼可抑制多边形铁

素体的形成，促使单一针状铁素体形成。

3.3热处理工艺

等温处理对TRIP效应也有重要的影响[16]。当TRIP钢等温处理的温度和时间不同，残余奥氏体的含量和力学性能也不同，等温时间延长，会使残余奥氏体的含量明显减少，随之力学性能也会降低，等温时间为3—5min时，残余奥氏体的含量最高，工件的力学性能也最佳。等温温度为Ms+（20—30℃）时可得到最高含量的残余奥氏体和最佳的力学性能。

4.TRIP钢展望

TRIP钢的开发时间不长，钢板的强度和变形性能还可有更大的改善，极具发展前景。目前国内在汽车上的应用还处于初始阶段，主要限于一些相对简单的零部件。今后钢的发展应该进一步扩大到结构复杂、成形要求较高的汽车零部件，并用激光拼焊材料代替现有材料，在汽车轻量化和冲撞安全性方面发挥更大的作用。汽车用高强度钢是汽车轻量化的关键材料之一，对汽车发展起着举足轻重的作用。汽车工业的迅速发展使得环保、能源等问题日益突出，因此汽车用高强度钢发展的总趋势将是高强度化及良好的成型性。随着各种先进的成型工艺以及模拟仿真技术的快速发展，可以相信，不久的将来，性能更高的汽车用高强度钢的开发和应用必将取得更大的进展。今后可在以下方面有所突破：

(1)计算机模拟技术在高强度级别TRIP钢的成分设计及热处理工艺制定中的应用，尤其是在中温贝氏体非平衡转变时的模拟，包括动

力学方面的模拟。目前的热／动力学软件如Thermo—Calc和JMatPro 等均无法实现贝氏体相变时的模拟，需用户根据大量试验数据编程添加到软件数据库中，这样就可以方便地对钢的成分和工艺参数进行调整，有利于制定合适的热处理工艺。而所需的实验就是对热力学计算正确性的验证，其工作量大大减少，效率将大大提高。

(2)TRIP钢各相组织中的固溶元素，尤其是残留奥氏体中碳含量的精确测定，对分析残留奥氏体的稳定性及制定合适的热处理工艺具有重要意义。对此，可采用多种方法相结合，如利用分析电子显微镜的电子能量损失谱、会聚束电子衍射并结合x射线衍射来实现。

(3)深入研究TRIP钢两相区再加热前的不同组织状态对TRIP钢后续处理及最终性能的影响，已有学者对此进行了初步的试验研究和探讨，但比较肤浅，需进一步全面系统地研究。

(4)高应变速率下TRIP钢的力学行为，尤其是残留奥氏体作用的

研究。

(5)热轧TRIP钢以及更高强度级别冷轧TRIP钢的开发和实际应用。

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