TRIP钢工艺、原理、性能、综合概述

年终总结
第一部分：文献阅读不理论学习



阅读文献总量为中文文献36篇，英文文献17篇，基 本是从先易后难，先了解后深入，先中文后英文的 顺序完成的。总体可以分为以下几个部分： 一 贝氏体简要介绍 二、TRIP钢国际前沿 三、贝氏体中主要元素及微量元素对贝氏体性能和 TRIP效应影响 四、贝氏体形成机制与微观机理 五、热处理工艺对贝氏体钢性能的影响 六、热处理工艺以及热模拟初步了解
与硅不同，铝不具有固溶强化作用，用铝代替部分硅会导致强度下用部分铝代替 硅造成的强度损失应该用其他提高强度的措施来补偿。 微合金元素作用： 微合金元素Nb可以有效控制TRIP钢的奥氏体化、再结晶、晶粒长大以及元素迁移， 还可以控制热轧、临界区退火、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的转变及残余奥氏体积分数和稳定性，这 些均有利于TRIP钢获得良好的力学性能。固溶状态的铌能延迟热变形过程中静态 和动态结晶及奥氏体向铁素体的转变[8]。 Mo是一种铁素体形成元素并降低贝氏体起始转变温度，在含Nb的钢中加入 Mo会进一步使强度和韧性综合提高，而且可以降低Si的含量，Mo起重要的溶质 拖曳作用，碳化物的析出被推迟。并强烈延迟奥氏体向铁素体和珠光体的转变。 Cu、Ni是奥氏体稳定元素，添加了Cu和Cu+Ni的合金残余奥氏体的含量大大 增加，伸长率可达34%~38%,同时抗拉强度达到800~850MPa。 常见的TRIP钢中合金元素还有V、P、Nr等，文献[9]给出了主要合金元素对 TRIP钢在连续退火过程中相变行为的影响规律图。 此外出主要合金元素Mn、Si、C、Al等在TRIP钢中作用规律研究较成熟，观点 比较一致外。其他一些合金元素研究者们的观点并不完全相同，所以文献中的有 关微量合金元素作用只可作为参考。
一、贝氏体简要介绍:
钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内，过冷奥氏体发 生贝氏体转变，又称中温转变。 贝氏体是由铁素体和碳化物组成的机械混合物，贝氏体转变是有扩散有共格的 转变，扩散是指在转变过程中发生碳在铁素体中的扩散，共格是指奥氏体向铁素 体转变是通过切变的方式进行晶格改组，新相铁素体和母相奥氏体保持一定的位 相关系。 由于贝氏体中含碳量、合金元素以及转变温度不同，钢中贝氏体组织形态有很 大差异，可分为上贝氏体（贝氏体区间较高温度）和下贝氏体两大类。 光学显微镜下，上贝氏体组织为典型羽毛状，在电子显微镜下，上贝氏体由许 多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的断续的 短杆状的渗碳体所构成，铁素体含过饱和的碳，存在位错纠缠。在光学显微镜下， 下贝氏体呈黑色针状，可以在奥氏体晶界上形成，更多在奥氏体晶内沿某些晶面 单独或成堆长成针叶状。电子显微镜下，下贝氏体由含碳过饱和的片状铁素体和 其内部析出的微细έ-碳化物组成。 其中上下贝氏体显微特征形成机理将在第三部分的贝氏体形成机制与微观机理 中作详细阐述。
TRIP钢中C元素含量越高，焊接性能越差。Si元素含量太高， 则TRIP钢的热镀锌性能变差[3]。合理的成分搭配和热处理工 艺得到的目标TRIP钢中残余奥氏体较多，切稳定性适中，这 样在变形过程中产生持续的TRIP效应，得到良好的综合性能， 即强塑积较高。 相图计算应用于成分和组织研究一个主要方面是相变温度 测定和CCT曲线绘制，主要方法有热分析法、织构法、强度 法、金相法、和热膨胀法。如在热模拟中经常用到膨胀法测 定CCT曲线（包括动态和静态），为制定合理的热处理工艺 提供理论依据。如文献[4~6] 。 通过以上阐述得出：对TRIP钢的研究还是集中于以下几 个方面： 一、残余奥氏（数量和形态）体对TRIP效应的影响 二、 热处理工艺对TRIP效应的影响 三、合金元素对TRIP效应的影响 而研究手段则是多种多样，目的就是优化TRIP效应。
三、贝氏体中主要元素及微量元素对贝氏体性能 和TRIP效应影响
通常认为，碳、锰、硅、铝是低合金TRIP钢中的基本元素 。 （1） 碳 是奥氏体稳定元素 ，在奥氏体中碳含量决定了残余 奥氏体的量和稳定程度。碳 含量越高 残奥数量越多，奥氏体稳定 性也越高，有利于TRIP效应产生，但是焊接性能恶化，并且固溶强 化增强导致强度增强，塑性下降。所以在满足力学性能的前提下， 尽量降低钢的含碳量。 （ 2）硅是铁素体形成元素，他一方面可以抑制冷却过程中渗 碳体的形成，另一方面可以增加奥氏体的稳定性。所以传统TRIP钢 一般硅含量较高。但是硅含量高也会导致钢表面形成坚硬的氧化层， 降低图涂层能力，给热镀锌带来极大困难。 （3）锰是奥氏体形成元素，可是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，但是过高Mn含 量会导致组织呈带状化，并且会引起残余奥石头过分稳定，不利于 TRIP效应发生。 （4） 对于铝有不同的说法，但是普遍认为铝能有效抑制贝 氏体相变过程渗碳体的析出，而且加速贝氏体的形成 。铝含量高 会提高参与奥氏体的含碳量 因而增加残余奥氏体的稳定性，但是 铝增加也显著提高Ms点，这又会降低参与奥氏体的稳定性。因此 铝对残余奥氏体稳定性有双重作用，因此需恰当控制铝含量，并且
TRIP钢热处理工艺
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动态热变形热轧， 热锻等【热模拟】
贝氏体区间等 温淬火【文件 夹】
卷取工艺等 【热模拟】
六、热处理工艺以及热模拟初步了解
按照惯例，通常控制轧制的主要目的是通过 (1)细化初始奥氏体晶粒 (2)改变晶粒形状，例如饼形化，来增加每单位体积的晶粒界面积， (3)增加晶粒内缺陷(变形带和孪晶界)的密度，来细化铁素体晶粒尺寸。 控制轧制工艺包括把钢坯加热到最适宜的温度，在轧制时控制变形量和 变形温度以及轧后按工艺要求来冷却钢材。通常将控制轧制工艺分为三 个阶段： （1)变形和奥氏体再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了Y晶粒经过 在Y再结晶区域内的反复变形和再结晶而逐步得到细化的阶段； (2)低温奥氏体变形阶段，当轧制变形进入Y未再结晶区域内时，变形后的Y 晶粒不再发生再结晶，而呈现加工硬化状态，这种加工硬化了的奥氏体 具有促进铁素体相变形核作用，使相变后的A(铁素体)晶粒细小； (3)(Y+a)两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到Ar3温度以下时，不但 Y 晶粒，部分相变后的a晶粒也要被轧制变形，从而在a晶粒内形成亚晶， 促进a晶粒的进一步细化。
（2）丌同形态贝氏体（上、下贝氏体）形成过程示意图
上图可以清楚看出温度是影响贝氏体形态的关键因素，在较高温度时，碳在铁 素体中扩散速度较高，但在奥氏体中扩散较慢，因此碳元素在铁素体晶界富集， 析出渗碳体，如上图上贝氏体（upper bainite）。温度较低时，碳在奥氏体中 的扩散更困难，但在铁素体中扩散仍可进行，因而碳原子只能在铁素体某些境 界偏聚，析出ε-碳化物，如上图下贝氏体（lower bainite）
二、TRIP钢国际前沿：
TRIP钢是一种具有高强塑性的高强钢，其强塑积可达 21000MPa.%,作为汽车用钢的应用前景十分广阔。 目前TRIP钢在TRIP效应、成分设计、成形性、焊接性、 可镀性、动态力学性能等方面的研究十分活跃，已取得显著成 果，并且在相图计算应用于成分和组织设计的研究方面已取得 [1] 明显进展 。 其中TRIP钢优异力学性能源于马氏体强化、TRIP效应（量 和时间）及二者的最优匹配，马氏体相变动力学是控制两者匹 [2] 配的关键 。目前主要有基于应力辅助、应变诱发、和热诱发 马氏体相变的三类相变热力学和动力学模型。 成形性、焊接性、可镀性都是指TRIP钢的使用性能，这些 性能的好坏与TRIP钢的成分设计，热处理工艺有直接关系例如：
10min 40min 72min 180min
3#
900℃+20min
300℃
6h
6h
275℃
13h
4h
9h 13h
表二、1#钢双相区处理+等温淬火工艺表
奥氏体化温 度（℃） 960
双相区处理温 度（℃） 780
双相区处理 时间 2min
4min 10min 10h
等温淬火温 度（℃） 320 350

控制冷却三个阶段
轧后控制冷却工艺一般也分成从终轧开始到变形奥氏体向铁素体开始相变 温度Ar3间的冷却，从Ar3温度至奥氏体相变完了的整个相变过程的冷却和奥氏体 相变完了至室温的冷却三个阶段。
第一阶段：冷却的目的是为相变作组织上的准备。 第二阶段：冷却控制了奥氏体的整个相变过程，十分重要。 第三阶段：根据李曼云等人的理论，则不是很重要。
320 350 320 320
等温淬火时间 180min
820
2min 10min
第三部分：实验部分
一、实验设备掌握 掌握并能亲自操作线切割（切样、简单维护）、照 金相、打硬度、本课题组热处理炉。 熟悉了MTS，对拉伸、疲劳过程比较熟悉、需要时 应该能很快上手。 对最基本的磨金相、抛光、腐蚀也掌握基本技巧。 二、本学期所做实验 1#、3#钢等温淬火，主要是 1 ＃ 0.15C-1.88Mn-1.41Si
二、贝氏体形成过的原理与过程分析 （１）贝氏体铁素体的无扩散转变条件示意图
上图取自文献［10］。 贝氏体转变时，铁素体是通过马氏体转变机制形成的。从热力学角度讲，如 果是无扩散的转变，必须满足生成相的自由能低于转变相的自由能，即Ｇγ ＞Ｇα，如上图所示，横轴代表Ｃ浓度，纵轴为自由能。只有满足Ｃ浓度位 于Ｔｏ左侧时才能发生无扩散转变。 以上只是最基本的贝氏体铁素体生成原理，在实际中要考虑其他因素的 影响。首先奥氏体密度最大，体积最小，发生相变是体积膨胀，伴随应力能 增加。要克服这部分应力能就要提高Ｔ０到Ｔ０‘，因为温度升高自由能都增 加，但是奥氏体自由能比铁素体自由能增加要快。
五、热处理工艺对TRIP钢的影响
首先，合适的热处理工艺的目的是获得钢的性能的最优化，对 于TRIP刚而言，就是获得合适的基体组织（贝氏体晶粒和晶间亚结构） 和最优化TRIP效应，而优化TRIP效应主要是得到残奥数量和稳定性合 理匹配。 其次由于TRIP钢原始成分，各合金元素含量不同，热处理工艺也 非常多。我们只能借鉴前人的经验，探究其中的规律。以下为分类总 结：
1#、3#钢奥氏体化 等温淬火 空冷 1#钢奥氏体化 空冷 双相区处理 等温淬火 空冷
全部热处理工艺表 表一、等温淬火工艺表
材料编号 奥氏体化温度+ 时间 960℃+20min 等温温度 （℃） 375℃ 贝氏体转变完 全所用时间 52min 选取时间
1#
52min 180min
355℃
72min
[7]
四、贝氏体形成机制与微观机理
一、首先从宏观上讲贝氏体转变具有以下特点： （1）贝氏体转变是一个形核与长大的过程 上贝氏体中铁素体晶核一般优先在奥氏体晶界贫碳区上形成，下贝氏体 由于过冷度大，铁素体晶核可在奥氏体晶内形成。这些与上下贝氏体最终形 态有直接联系。 （2）贝氏体中铁素体的形成是按照马氏体转变机制进行的 贝氏体中铁素体和奥氏体保持共格联系并沿母相奥氏体特定晶面依靠切 边而长大。贝氏体中铁素体与母相奥氏体保持严格的结晶学位相关系 贝氏体铁素体按马氏体转变机制形核原因：过冷奥氏体中存在碳原子的 扩散重分布，造成贫碳区和富碳区，假设等温温度是T1，当某一贫碳区的碳 含量低于某一临界值C1(对应Ms为T1)，其Ms点已经高于T1,此时，这一贫碳区 在T1温度就通过马氏体转变机制形成铁素体。 （3）贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关 贝氏体在中温区不同等温温度，由于贝氏体中碳化物分布不同，可以形 成不同类型的贝氏体 [8]。 对于低碳钢，如果转变温度比较高，碳原子扩散能力比较强，在贝氏体 中铁素体形成的同时，碳原子可以由铁素体通过铁素体—奥氏体相界面向奥氏 体进行充分的扩散，从而得到由条状铁素体组成的无碳化物贝氏体。如果转 变温度较低，处于上贝氏体转变温度范围内，此时碳原子由铁元素通过铁素 体-奥氏体相界面向奥氏体的扩散不能充分进行。因此得到铁素体条间分布断 续渗碳体的羽毛状贝氏体。