铌在双相钢和TRIP钢中的应用

铌在双相钢和TRIP钢中的应用

Wolfgang Bleck, Andreas Frehn, Joachim Ohlert

Department of Ferrous Metallurgy, Aachen University of Technology

Intzestraße 1, 52072 Aachen, Germany

摘要：低合金多相钢被广泛而努力地研究，特别是在汽车应用方面由于其机械性能的良好结合而引人注目。本文着重研究了多相钢与常规冷变形钢微观组织特征的区别，详细描述了双相钢和TRIP钢的工艺过程，对不同合金化的概念进行回顾。重点研究铌对相变行为和微观组织演变的决定性作用。结果表明添加铌元素能进一步提高钢的机械性能，从而扩大了多相钢的应用领域。

1 引言

对许多应用而言，提高强度仍然是材料发展最重要的目标之一，经济学和生态学的考虑加强了这个趋势。在汽车工业中提高强度水平对于轻车体计划而言是一个先决条件，在过去几年里这方面不断地变得重要。虽然与Al、Mg和塑料新材料相比钢有明显较高的重量，但为保持或进一步提高钢在汽车车体应用上竞争性的地位，发展了新的材料同时冷变形钢的最大强度水平已有很大提高。

常规提高强度的机制如固溶强化或析出强化都是基于提高位错密度或提高与位错不同类型的交互作用。遗憾的是，在这些情况下较高的强度都伴随着明显较差的成形性（图1）。

在文中介绍的一组新类型钢可使强度水平提高的同时韧性并不下降，这类钢的微观组织含有至少两种不同的组成相。由于不同微观组织的共存及它们不同的力学行为和相互作用，所以多相钢可提供非常吸引人的强度和韧性的匹配。这些组成相的大小在光学显微镜的范围内，也就是说其典型的尺寸是几个微米。举例来说，多相钢中含有相对软的基体相，因此具有低的屈服强度和良好的成形性；同时有高的抗拉强度，高的抗拉强度是由双相钢中出现的硬的第二相带来。通过调整组成相的类型、形态和取向，特别是调整不同组成相的体积分数、尺寸和分布可以得到不同的力学性能从而适应不同的应用前景。

当所需的激活能条件满足时相变在冷变形中开始，但该相并不代表平衡组成相，这时为提高力学性能提供了另外的潜能。TRIP钢又叫相变诱导塑性钢，与由面心立方的奥氏体向体心立方马氏体的相变相联系，对强度和成形性都有积极作用。图1提供的是含不同合金成分包括TRIP钢在内的几种冷轧高强薄钢板力学性能的概况。除了不同水平的强度和韧性，双相钢和TRIP钢的流变行为表明了与常规冷变形钢不同的特征，即第一阶段出现名义连续屈服，第二阶段高的均匀延伸率及相对低的缩颈延伸率（图2）。

双相；PM－部分马氏体）

图2 屈服强度大致相同的高强钢的应力－应变曲线和不同钢种的详细特征

Nb作为一个合金元素能够有效地控制奥氏体化、再结晶、晶粒长大、相变和析出行为，从而使力学性能在一个很大范围内能够进行变化。多相钢中Nb影响到其他方面：奥氏体向铁素体和贝氏体的转变及残余奥氏体的体积分数和稳定性，而后者是TRIP钢具有突出力学行为的关键因素。因此Nb可被用作冶金工具来调整组织和性能。

本文就多相钢在低合金水平下薄扁平材产品的物理背景、重要的工艺参数和不同性能进行讨论。

2 多相钢的显微组织特征

多相钢的微观组织与单相组织截然不同，因此需要更多更详细的信息如各个相的体积分

数、尺寸大小、分布和形态（图3）。双相钢（DP）是指在铁素体基体分布着马氏体小岛，

复相（Duplex）钢则是指两相在数量和尺寸上有相同的数量级。具有奥氏体和铁素体的复相

组织对不锈钢来说是重要的。TRIP钢是三相钢，其中贝氏体和铁素体是两个主要的部分，

还有少量的残余奥氏体。为表明这个亚稳显微组织，就更需要测定局部化学成分（1）。

图3 多相钢的显微组织特征

相Re/MPa Rm/MPa A/% 硬度HV IF铁素体100~150 ~280 ~50 - 铁素体（软钢）~220 ~300 ~45 -

铁素体（0.7%Ni,0.6%Cr）~330 ~550 ~35 ~180 铁素体（13%Cr）~300 ~500 >18 - 珠光体~900 ~1000 ~10 -

渗碳体~3000 - - 800~1150

2500~3000 Nb的碳氮化物- - -

贝氏体（~0.1%C）~400~800 500~1200 ≤25 ~320

马氏体（~0.1%C）~800 ~1200 ≤5 ~380

马氏体（0.4%C）~2400 - - ~700

奥氏体（18%Cr，8%Ni）~300 ~600 >40 ~240

图4 钢中不同显微组织的力学性能特征

图4给出不同显微组织钢的力学性能。其数据来源与文献和试验结果，只能作为基本参

考，因为在相组元间合金元素的分布经常是不均匀的，性能强烈依赖于工艺参数特别是微观

组织形成的温度（2）。

多相钢的成形性主要由硬相和基体的屈服应力比及硬相和软相的体积分数决定。图5回

顾了几种多相钢这些重要参数的配合。另外的重要性是相组元的尺寸和形态。双相钢的设计

利用了体积分数少的第二相及在屈服强度上的巨大差别。由于马氏体岛的产生与体积增加、

形态调节、铁素体内的局部位错累计、内屈服应力有关，导致低的屈服强度和高的应变硬化

速率。然而对于复相钢而言，具有相似的体积分数和屈服强度水平的两相导致获得强度和成

形性的良好配合（3，4）。

图5 多相钢体积分数和屈服应力比

3 多相钢的工艺

双相钢和TRIP钢不同的工艺路线都已经被采用或按照产品要求进行研究讨论。图6总结了不同的工艺路线，证明热轧、冷轧和镀锌的最后产品用这些方法都能够生产出来。其它概

念的多相钢如复相钢本文没有进行讨论。

图6 热轧和冷轧多相钢的工艺路线