一种新型汽车用钢

一种新型汽车用钢——相变诱发塑性钢关小军周家娟王作成摘要：系统地综述了20世纪90年代开发的一种新型汽车用钢——相变诱发塑性钢的发展历史、特点、生产工艺及其原理、影响因素和应用领域。

关键词：低合金钢相变高强度高塑性A New Type of Steel for Automobile - Transformation-InducedPlasticity SteelGuan Xiaojun, Zhou Jiajuan and Wang Zuocheng(Shandong University of Technology, Jinan 250061)Abstract：The Information of Transformation-induced Plasticity (TRIP) Steel which was developed in 1990's, are summarily reviewed in this paper, including its development history, characteristics, producing technology and process, influential factors and applying fields.Key word：Low-Alloy Steel, Transformation, High Strength, High Plasticity▲20世纪90年代以来，一种新型的汽车用钢——相变诱发塑性钢开始在国外汽车工业得到应用，并且显示出广阔前景，引起了国际钢铁和汽车工业界的广泛重视。

在深加工变形过程中，随着变形诱发钢中残余奥氏体向马氏体转变而产生的逐渐硬化，变形不再集中于局部，而是扩散至整体达到均匀，这一现象称为相变诱发塑性效应，即Transformation-induced Plasticity Effect, 简称TRIP效应。

TRIP效应是伸长率高的化学不稳定奥氏体(富碳奥氏体)转变为具有附加机械能的马氏体的现象。

在低碳钢中，加入一定量的合金元素Si、Mn等，通过相应工艺获得相变诱发效应，实现高的强塑性水平，这种钢称为相变诱发塑性钢，简称TRIP钢。

1 TRIP钢的发展历史1967年Zackey等首次发表了利用相变诱发塑性效应以改善奥氏体不锈钢塑性的研究成果［1］。

随后的几年中，陆续出现的一些实验研究报道［2～7］，主要涉及有关相变诱发塑性效应的形成机制探讨、相变诱发塑性效应对应力-应变曲线的影响规律等。

然而，当时所研制的TRIP钢中，需加入较多的Ni、Cr等稀有和贵重的合金元素且生产工艺复杂，成本昂贵，因而未能受到工业界的重视。

1975年，在双相钢研究中，Hayami等也发现了具有TRIP效应的残余奥氏体［8］。

几年后，具有高强度和较大均匀伸长率的双相钢开始在汽车工业中得到应用，并显示出良好的应用前景。

但是，双相钢的应用仍然存在强度高而塑性差的矛盾。

为解决这一问题，具有TRIP效应的双相钢开发重新引起了重视。

20世纪80年代末，采用双相区临界退火和贝氏体转变区保温的热处理工艺，可生产具有铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相组织的TRIP钢［9～16］。

冶金工业生产技术的发展如控轧控冷、连续退火等技术为高效率、大批量生产TRIP钢创造了条件。

进入20世纪90年代，汽车工业对高强度、高塑性和高成形性的钢板的需求进一步增加，日本、德国等国家先后采用热连轧生产线或冷轧、连续退火生产线生产出TRIP商品钢板［17、18］。

进一步开发出不同品种、规格和性能的TRIP钢。

2 TRIP钢的特点2.1 成分TRIP钢的成分以C-Mn-Si合金系统为主，有时也可根据具体情况添加少量的Cr、V、Ni等合金元素。

因此，它的成分特征是：低碳、低合金化、钢质纯净。

(1) 低碳含碳量高，残余奥氏体数量增多，有利于TRIP效应产生，然而焊接性能恶化，轧制过程中产生晶体缺陷的几率增大，并且固溶强化作用增强导致强度增加而塑性降低。

含碳量低，产生的影响恰好相反。

因此，选取的含碳量一般为0.1%～0.2%。

(2) 低合金化Si主要以固溶方式存在于TRIP钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使C进一步积聚于未转变的奥氏体中，促使马氏体开始转变温度M S降至室温以下，形成富碳的残余奥氏体，获得TRIP效应产生的基本条件。

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。

它的作用主要是增强奥氏体稳定化，延长其转变孕育期，使铁素体和贝氏体转变容易控制，同时也促使M S降至室温以下，形成一定体积的富碳的残余奥氏体。

但是，Si加入过多，致使钢的Ar3升高，奥氏体不稳定性增加，不利于残余奥氏体的获得。

同样，Mn加入过多，会引起TRIP钢贝氏体转变过慢，导致残余奥氏体体积增多。

同时，也会使冶炼和轧制过程中出现白点的几率增大，晶粒粗化的趋势增强。

另外，Si和Mn加入过多，降低钢的塑性和韧性，并且引起焊接性能恶化。

因此，TRIP钢的含硅量和含锰量均控制在1%～2%的范围内。

Ni加入TRIP钢中，主要起到扩大奥氏体稳定区，降低M S，有利于残余奥氏体获得的作用。

如上所述，Ni的作用与Mn相同，但其影响程度仅为Mn的一半。

Ni加入过多，也导致残余奥氏体体积增多，强度降低，塑性提高。

另外，Ni作为稀缺的重要战略物资也不宜大量使用，通常应尽量采用其它元素如Si、Mn、Cr、V取代。

Cr和V均以固溶形式存在于TRIP钢中，使贝氏体转变区域向低温区域移动，降低了M S，有利于残余奥氏体获得。

此外，V还具有细化晶粒和抑制石墨化的作用。

TRIP钢中，Cr和V也不宜加入过多。

通常Cr＜1%，V＜0.2%。

(3) 钢质纯净除了进行必要的合金化之外，TRIP钢中的夹杂物应尽可能加以清除。

对于钢中的O、N、P、S、Al等元素的含量均可按照低合金钢标准加以控制，特别是硫化物形态更应引起注意，以防止产生对钢性能的不利影响。

2.2 组织结构TRIP钢是由铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成的三相组织，人称三相钢或复相钢。

在加工变形过程中，当变形累积至临界变形时，随着变形程度的继续增加，残余奥氏体逐渐转变为马氏体，直到这一转变全部完成。

此时，TRIP钢达到最强的相变强化效果。

在TRIP钢中，碳化物很少，C主要以固溶的方式存在，并且集聚在残余奥氏体中，为TRIP效应的产生提供了物质基础。

TRIP钢的组织结构特点为：合金元素固溶于三相组织之中，即多相共存、特点互补，固溶强化。

2.3 性能特点高强度来自于马氏体、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，优异的拉胀性与马氏体和贝氏体的联合作用有关。

如表1所示［19］，TRIP钢性能的变化范围为：屈服强度(σS)340～860 MPa,拉伸强度(σb)610～1 080 MPa，伸长率(δ)37%～22%。

表1 典型TRIP钢产品Table 1 Typical products of TRIP steel products3 生产工艺及其原理根据生产条件和不同的品种、规格要求，TRIP钢可采用不同的工艺生产，具体如图1所示。

图1 TRIP钢生产工艺Fig.1 Production process of TRIP steel3.1 冶炼和浇注工艺TRIP钢冶炼和浇注工艺不象超低碳钢那样严格。

通常，C含量在转炉中可以得到控制，脱O和脱S过程也与优质合金钢要求相似。

只要保证C和加入的合金元素控制在规定的范围内，且夹杂物含量少于要求的最大值，浇注时注意防止再次氧化和增碳，就可生产质量合格的钢材，以满足TRIP钢轧制工艺的需求。

3.2 轧制工艺根据对钢板品种、规格的要求，TRIP钢可分别采取热轧或冷轧工艺生产，并且各自配置相应的轧后热处理方式。

热轧或冷轧TRIP钢的生产工艺原理如图2所示。

图2 TRIP钢轧制生产工艺原理图Fig.2 Diagram of process principle of TRIP steel sheet在连续退火炉中，经冷连轧机组生产的冷轧带钢加热至铁素体/奥氏体临界区某一温度，然后等温一段时间，以形成一定体积的铁素体，使C和Mn集聚于奥氏体中；在随后的缓冷至稍高于A1的过程中，铁素体晶粒继续长大；然后，快速冷却至贝氏体开始转变温度，保温停留，以使珠光体转变不能发生而是产生奥氏体向贝氏体的转变，此时，由于Si的加入抑制了渗碳体的析出，导致C进一步集聚于未相变的奥氏体中，C 和Mn的集聚状态使得马氏体开始转变温度M S降至室温以下；最后，钢板缓冷到室温，形成了贝氏体和残余奥氏体同时存在且主要集中于铁素体晶界上的组织。

同理，在热连轧生产线上，经过奥氏体区或奥氏体和铁素体两相区热轧的带钢缓冷至A1附近，获得一定体积的铁素体后，再快冷至贝氏体开始转变温度处进行卷取、保温停留，随后缓冷至室温，也可得到铁素体、贝氏体、残余奥氏体三相共存的组织。

非带卷的热轧和冷轧钢板采用的热处理过程都为两段式。

首先，将钢板加热至铁素体/奥氏体临界区某一温度保温一定时间(如770 ℃×5 min)，一定体积的铁素体形成且长大为一定尺寸的晶粒组织，同时集聚于奥氏体中的C和Mn呈现一定规模；然后，快冷至贝氏体开始转变温度再次保温停留(如400 ℃×4 min)，形成一定体积的贝氏体，并且Si的作用使集聚在奥氏体中的C量更加增多，以致M S降至室温下；最后，缓冷至室温，完成TRIP钢所需的组织结构转变。

实际上，热轧和冷轧TRIP带钢的组织形成是在线实现的，生产率高，成本低，但工艺控制难度较大。

热轧和冷轧TRIP钢的组织形成是离线实现的，它们的热处理过程一般与轧制工艺不相连，因而生产周期长，效率低，成本高。

但工艺控制相对容易。

因此，目前汽车用的TRIP钢板普遍采用第1种方式生产。

4 影响TRIP效应的因素TRIP钢中，铁素体和贝氏体所占体积以及合金元素的固溶强化作用对于钢的强塑性水平有一定影响，但比TRIP效应的影响小。

TRIP效应实质上是微观的残余奥氏体向马氏体转变的宏观表象，马氏体体积多，TRIP效应强，钢的强塑性水平高。

TRIP钢中，马氏体转变不仅与初始的残余奥氏体体积有关，而且取决于残余奥氏体自身的稳定性，即在深加工变形过程中残余奥氏体向马氏体转变的趋势或能力。

残余奥氏体自身稳定性不仅与钢的成分和各相体积分数的间接影响有关，而且直接受到残余奥氏体自身成分、体积、形貌、大小、存在状态等因素的影响。

TRIP钢中初始的残余奥氏体的体积分数应保持在一定范围内，并且随钢的含碳量增加而增加，具体数值应视钢的成分和生产工艺条件而定。

薄膜状残余奥氏体的稳定性比块状的残余奥氏体好［20］；残余奥氏体粒子平均尺寸越小，它的稳定性越好［21，22］；含碳量较高的残余奥氏体稳定性较好。