新型高强韧TWIP钢概述.docx

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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50000MPa%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twinninginducedplasticitysteel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280MPa），中等的抗拉强度（约600MPa）[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（Twinninginducedplasticity）或通过应变诱导残留奥氏体转变为马氏体。

TWIP（TwiningInducedPlasticity）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{111}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

1）、第一代TWIP钢（典型成分：

Fe-25Mn-3Al-3Si），锻造成棒材，经高温退火后水冷，然而较高含量的Al影响钢水的浇铸，较高含量的Si影响冷轧板的镀锌质量。

该类钢的优点：

具有中等的抗拉强度（650MPa）和更高的塑性（＞90%）；缺点：

镀锌表面焊接问题，锌会沿着接头处的晶界渗入，使接头不稳定。

2）、第二代TWIP钢（典型成分：

Fe-23Mn-0.6C），铸造成板坯，经热轧、冷轧、高温退火后快速冷却，它去除了合金元素铝和硅，却出现了以前奥氏体和高强度钢存在的延迟断裂、一定程度的缺口敏感性两大问题。

此类钢的优点：

很高的抗拉强度（＞1000MPa）和良好的塑性（＞50%）；缺点是延迟开裂、缺口敏感性。

第一、二代TWIP钢的共同缺点是生产加工过程中吸氢比较严重，有时会造成延迟断裂。

一般吸氢可以通过退火来消除，但是由于镀锌过程带来的吸氢退火能破坏镀层，所以不能通过退火来消除。

因此开始了新的TWIP钢的研发。

3）、第三代TWIP钢正在研发中，主要集中在高Mn钢中通过置换固溶原子（Mn、Al、Si）成分调整来获得TWIP效应。

国内对于高锰TWIP钢的研究比较晚，世界上研究先进的国家有德国、韩国。

五、成分对合金元素的影响

1、合金元素的作用

TWIP钢中合金元素有两个作用，第一是对奥氏体稳定性的影响；第二是对奥氏体层错能的影响。

TWIP钢经典成分（Fe-25Mn-3Si-3Al）中的主要合金元素为锰、铝、硅。

锰是TWIP钢最重要的组成元素之一，具有很强的促进奥氏体化的作用，使TWIP钢在低温下依然可以得到稳定的奥氏体相，同时又是增加合金层错能的最有效元素，强烈促进TWIP效应，抑制TRIP效应。

总体上，随Mn含量的增加，TWIP钢表现出塑性提高、强度下降的趋势。

铝元素亦可增加合金的层错能，抑制奥氏体向马氏体的转变，但由于铝易氧化，在钢板浇铸时容易生成氧化物残渣堵住浇铸口，故高铝成分不利于TWIP钢的工业化生产[4]。

硅元素可以降低马氏体相变临界温度Ｍs，对室温下得到稳定的奥氏体组织有贡献，并且硅固溶于奥氏体，有利于TWIP钢强度的提高（每添加１％的硅，拉伸强度提高50Mpa左右[5]），但是硅会降低合金层错能，导致层错数量增加，抑制TWIP效应。

同时，过高的硅含量会影响钢板表面质量，降低钢板的热轧性能[4]。

低硅低铝的成分设计是TWIP钢发展的思路之一。

黄宝旭等[3]设计了含铌的Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢，其低温力学性能明显优于传统成分的TWIP钢。

铌对TWIP钢的影响主要体现在它可以增加合金层错能，抑制马氏体相变，促进孪晶转变，同时起到抑制奥氏体晶粒长大、细化晶粒的作用。

氮固溶于奥氏体中能增加TWIP钢的强度，但对合金层错能的影响较为复杂。

在Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢中，层错能随氮含量的增加先提高后降低，而Fe-Mn-C系TWIP钢层错能与氮含量的关系则恰好相反[8]，具体的转折点含量还需要大量实验来确定。

总之，在一定范围内，氮能起到既不危害TWIP钢的塑性，又提高其强度的作用。

碳元素通过固溶强化可以提高TWIP钢的强度和硬度，阻碍形变过程中马氏体的相变，是有效的奥氏体稳定元素。

特别是在Fe-Mn-C系TWIP钢中，碳的加入对形变前后得到单一奥氏体组织有明显的作用。

但是碳含量的提高会使TWIP钢的塑性和韧性有所降低。

除Co、Al等两三种合金元素外，其它合金元素都能使奥氏体稳定性不同程度的增加。

改变合金元素的种类和数量，奥氏体的层错能也随之变化。

定性的说，Ni、C、Cu、Nb等使奥氏体的层错能增加；Cr、Si有使奥氏体层错能显著降低的倾向。

马氏体相变与奥氏体基体的层错能有关，非常低的层错能有利于马氏体相变，而较高的层错能则抑制这种相变。

加入Al，增加层错能，强烈抑制马氏体相变，起到稳定奥氏体的作用[11]；与之相反，Si的加入降低层错能，因而在冷却和形变过程中有利于γ-ε马氏体相变[12]。

Mn是奥氏体稳定化元素，它的加入使Ms点降低。

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。

Mn对TWIP钢的层错能有重要影响，使其在形变过程中产生密集的孪晶，显著的提高TWIP钢的延伸率，但Mn含量过高易形成带状组织[8]，且焊接性能大幅下降，不利于TWIP钢综合性能的改善。

Si是铁素体形成元素，在亚临界加热时，倾向于向铁素体中扩散，有利于铁素体的延展性能，对铁素体母相起置换固溶强化作用，Si在碳化物中不易溶解，可以抑制碳化物的析出。

Si含量过高，会给产品带来铸造困难、焊接困难、热镀锌困难、表面质量差等缺陷[4]。

C是奥氏体稳定化元素，起间隙固溶强化作用，奥氏体中含碳量升高，奥氏体稳定性升高，Ms点下降，但TWIP钢作为成形用钢，其含C量不能太高，一是影响成形性，二是影响焊接性能。

2、不同成分系列TWIP钢组织性能特点

1）Fe-xMn-3Si-3Al系

Grassal课题组[10]以及黎倩等[4]对Fe-xMn-3Si-3Al系TWIP钢的力学性能和微观组织进行了较深入的研究。

随Mn含量的增加，Fe-xMn-3Si-3Al系TWIP钢表现出塑性提高、强度下降的趋势。

这主要与它们的显微组织和形变机理密切相关。

当Mn含量较低（x=15%和20%）时，由于低锰合金的层错能较低，形变中容易发生TRIP效应（γfcc→εhcp，γfcc→εhcp→αbcc）形成马氏体，马氏体作为硬化相，对提高钢的强度有重要贡献，但会降低部分塑性，故合金表现为强度较大、塑性相对较差。

随着Mn含量的增加（x=25%和30%），奥氏