随着冶金工业的发展,先后开发了DP 钢和TRIP钢,并在汽车工业中得到了越来越广的应用,对汽车工业的发展起到了有力的推动作用。最新研制的TWIP( Twinning induced plasticity)钢,是钢材在强度和延展性综合性能上的一次重大突破。TWIP钢不仅具有很高的强度和成型性,还具有很好的吸收撞击能量的能力,作为汽车用钢在性能上具有很大优势,是新一代延性高强钢的一个发展方向。关于TWIP钢,前人已做过许多研究[5-19]。21295
1 TWIP钢的成分与合金元素的作用
1997年,Grässel[7]等在试验研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP钢时发现,当锰含量达到25% 时,其抗拉强度和延伸率的乘积在50000MPa%以上,是一般高强韧性TRIP钢的2倍。由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成,而不是TRIP钢中的相变,故命名为孪生诱发塑性钢,简称TWIP钢。已有报道的典型TWIP钢的成分与力学性能见表1.2[5]。从表1.2可以看出,现有TWIP钢主要有Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Al-C系。论文网
表1.2 典型TWIP钢的成分与机械性能
合金名义成分 室温机械性能
n-3Al-3Si 450 950 45
Fe-20Mn-3Al-3Si 300 850 75
Fe-25Mn-3Al-3Si 280 650 95
Fe-23Mn-0.6C 450 1160 55
Fe-30Mn-5Al-0.3C — 855 70
Fe-34Mn-10Al-0.76C — 750 70
Fe-26Mn-11Al-1.1C 700 850 65
Mn是奥氏体稳定元素,可以取代Ni以降低成本,还可以增加层错能抑制马氏体相变;加入Al能增加层错能,强烈抑制 → 马氏体相变;与之相反,Si的加入减小层错能,因而在冷却和形变过程中有利于 → 马氏体相变。目前的工作主要集中在高Mn钢中通过置换溶质原子(Mn,Al,Si)成分调整来获得TWIP效应。理论和实验表明,在Fe-Mn-Si-Al系合金中加入适量的N固溶于基体中可显著提高层错能,在Fe-22Mn-xC合金中C的含量达到一定值后,也能增加层错能。
TWIP钢的微观组织
TWIP钢在工作温度范围内一般为完全的奥氏体组织。与TRIP 钢不同,TWIP钢的奥氏体在机械载荷作用下保持稳定,并且在变形时产生大量的机械孪晶,而TRIP钢在机械载荷下发生了马氏体转变。
TWIP钢优异的力学性能来自变形时产生的孪生诱导塑性,和由此而带来的显著的强化效果,即TWIP效应。在TWIP钢中,可在形变温度为-70~400℃时的面心立方奥氏体中形成,形变速率可低达10-4/s。形变过程中,高应变区孪晶的形成,孪晶界阻止了该区滑移的进行,促使其他应变较低的区域通过滑移进行形变直至孪晶的形成,由此导致试样的均匀形变,显著推迟缩颈的产生。
1.2.3 TWIP钢的力学性能
Frommeyer[8]等研究了Fe-25Mn-3Al-3SiTWIP钢力学性能,结果表明:TWIP钢拉伸变形时试样均匀变形的伸长量占整个塑性变形的比例很高,断裂前没有明显的颈缩,而TRIP钢的TRIP效应只是在断口附近产生。TWIP效应作用的范围远比TRIP效应大,TWIP钢的塑性要明显优于TRIP钢[3]。此外,O.Grässel[7]等还用飞轮设备,测定TWIP钢作为汽车用钢在冲击载荷下的能量吸收能力,结果表明,TWIP钢能量吸收能力为传统深冲钢的2倍以上[5]。
目前,国外对TWIP钢的研究比较多[5,10]。作为一个新型的钢种,虽然对TWIP钢的研究以及认识上还有很多不足。但是,尽管还存在一些有待解决的问题,TWIP钢具有极高的强塑积,性能优势十分明显。随着汽车工业的发展,迫切需要此类综合性能优良的钢种。因此TWIP钢开发具有极大的潜力,蕴涵着巨大的商机和市场,TWIP钢的研制必将对汽车工业的发展起到很大的推动作用。
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