新型高强韧TWIP钢概述

新型高强韧TWIP钢概述

一背景

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%[1]，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15-25%Mn、2-4%Si和2-4%Al 的高Mn钢显示出极高的延伸率（60-95%）和中等的强（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。

经过成分筛选，发现Fe-25Mn-3Si-3Al合金具有最佳的TWIP效应，其研发和实用化对汽车用钢板产业和汽车产业的调整升级起着重要作用，具有巨大的经济开发潜力。国外知名钢企业和研究机构在TWIP 钢的成分设计、处理工艺、微观机理等方面开展了广泛研究，目前，典型成分除Fe-Mn-Si-Al系外，还有Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Al-C系TWIP 钢。国内的上海大学、上海交通大学、北京科技大学、东北大学等高校研究机构联合上海宝钢、鞍山鞍钢等大型钢铁企业在此领域进行了

深入的研究[2]。

二概念和力学性能

TWIP钢是twinning induced plasticity steel的简称，全称：孪生诱发塑性钢。

孪晶诱发塑性（TWIP）钢是第二代高强度用钢的一种，因其形变过程中能产生大量形变孪晶、推迟缩颈的形成，具有优异的强塑性及高应变硬化性、高能量吸收能力（２０℃时吸收能达到0.5J/ram3）[2]而得名，是一种理想的汽车用抗冲击结构材料。Grassal等[9]在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP钢时发现了该钢，并提出孪晶诱发塑性（TWIP）的概念。

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)[5]。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 %)[6]。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[2]，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[2]。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TWIP钢的特点有：

（1）：具有良好的抗拉强度（≥600MPa）

（2）：具有优良的延伸率（≥70%）

（3）：具有高的能量吸收能力（传统深冲钢的2倍以上)

（4）：具有没有低温脆性转变温度(－196℃→200℃）

（5）：具有高的能量吸收率（２０℃时吸收能达到0.5J/ram3）

三TWIP钢的产生机理

TWIP 钢是变形时孪晶诱导塑性( Twinning induced plasticity)或通过应变诱导残留奥氏体转变为马氏体。

TWIP(Twining Induced Plasticity)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{1 1 1}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。

TWIP钢优异的力学性能来自孪生诱导塑性这种孪生在形变中的作用与传统的概念完全不同。TWIP钢成分设计要求是，其在形变过程中诱发孪晶，抑制马氏体相变，从而产生TWIP效应。

四TWIP钢的发展历程和分类

孪生诱发塑性（TWIP）钢是钢材在强度和延展性综合性能上的一次突破,它不仅具有很高的强度和成型性，还具有很好的吸收冲击能量能力，是新一代延性高强钢的一个发展方向。

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。目前国外的研究已经从第一代的Fe-25Mn-3Al-3Si-0.03C系列到第二代的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[3]。德国马普钢铁研究所G..Frommeyer[11]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