（材料加工工程专业论文）cmnaltrip钢组织性能的研究.pdf

摘要 摘要 t r i p 钢由于t r i p 效应使钢板在获得高强度的同时又不损失塑性，这 种强化机制使其具有优异的性能。在汽车业中应用可节能减重、降低成本 而又不失安全性。应用前景广阔。传统c m n s i t r i p 钢用硅元素来稳定残 余奥氏体，但硅含量高于1 时钢板表面易产生稳定的氧化物，使钢板涂 镀能力变差。用铝替代硅可减少氧化物提高钢板涂镀能力和表面质量，易 于实现热镀锌退火生产。c m n a i t r i p 钢作为新钢种，对其进行系统研究 具有重要的理论意义和实用价值。 本文设计了三种不同成分的c m n a i t r i p 钢，利用热膨胀模拟、x 射 线衍射、扫描电镜、透射电镜和光学电镜，拉伸试验等测试方法，较为系 统的研究了试验钢的组织性能，发现了最佳的热处理参数，讨论了热处理 工艺参数和化学成分等因素对组织性能影响的原因，研究了残余奥氏体的 力学稳定性。实验结果表明，铝替代硅后使c m n a i t r i p 钢的a c ，、a c j 温 度升高，0 0 5 p 钢a c t 为7 5 0 ，0 i p 和0 i p s i 两种钢a c ! 都为7 5 7 ，三 种试验钢加热至1 1 0 0 也未获得单一奥氏体区：在冷却至贝氏体区等温前 会发生先共析铁素体的生成，使双相区奥氏体数量减少，剩余奥氏体的碳 含量升高，并且高双相区退火温度更有利于先共析铁素体的形成。 热模拟试验发现0 0 5 p 钢在7 7 0 双相区退火时奥氏体及其碳含量分 别为2 5 和o 5 4 ，在8 2 0 c 时分别为3 5 和0 4 0 ，在8 7 0 1 2 分别达到4 5 和0 3 1 。但双相区退火温度对残余奥氏体及其碳含量的影响并不呈单调 变化趋势，在8 2 0 双相区退火试样的残余奥氏体含量为1 4 ，碳含量为 1 3 6 ，都为最高值：热模拟数据显示相变动力随贝氏体等温温度的升高 而升高，但奥氏体向贝氏体转变的数量却呈下降趋势。o 0 5 p 钢4 2 0 等温 时和4 5 0 等温时贝氏体相变动力学差异不大，5 0 0 c 等温时在3 0 s 热膨胀 曲线有一明显的下降过程，推断为奥氏体发生了渗碳体的分解；0 0 5 p 钢 在6 8 0 ( 2 和7 2 0 ( 2 退火时的a v r a m i 指数”分别为1 0 1 1 和0 7 7 ，低于理想 的a v r a m i 指数( 2 4 ) 。 通过不同双相区退火温度试验发现三种试验钢在不同退火温度下都含 有大于1 0 的残余奥氏体，残余奥氏体含量在8 0 0 c 至8 9 0 1 2 呈上升趋势； 铁素体含量随双相区退火温度的升高而降低，贝氏体含量则随双相区退火 v i i 山东大学博士学位论文 温度的升高而升高；抗拉强度随双相区退火温度的变化同残余奥氏体的变 化相似，屈服强度随双相区退火温度的升高而升高；延伸率则相反；研究 发现选择双相区退火温度使铁素体和奥氏体比为6 5 ：3 5 时可获得最佳 的力学性能，0 0 5 p 钢在8 2 0 有最高值3 9 3 ，0 i p 钢和0 1 p s i 钢分别在 8 2 0 和7 7 0 有最高值3 6 1 和3 6 6 ，强塑积都高于2 2 0 0 0m p a ，颈 缩时的 值都大于0 2 。 通过贝氏体等温试验发现在贝氏体较少时间保温组织中会形成马氏 体，残余奥氏体含量较少：随贝氏体保温时间的延长，贝氏体转变充分， 马氏体含量减少而残余奥氏体及其碳含量增加；4 5 0 等温3 0 0 s 时发现渗 碳体的析出，而在高温5 0 0 时3 0 s 就已发生奥氏体的分解，造成残余奥 氏体及其碳含量的降低；试样抗拉强度随贝氏体保温时间的延长而下降， 延伸率和屈服强度则随保温时间的延长而升高；4 5 0 c 等温时试样力学性能 优于其它温度，强塑积最高，0 0 5 p 钢在4 5 0 保温6 0 s 时抗拉强度为 6 4 6 5 m p a ，延伸率达到3 9 3 ，强塑积为2 5 4 0 0 m p a ，和传统c m n s i t r i p 钢相当，能满足使用要求。实际生产中可围绕8 2 0 3 2 等温2 r a i n 和4 5 0 c 保 温6 0 s 来设计热镀锌退火生产线的热处理工艺参数和板速等其它相关参 数。 对比合金成分对组织性能的影响发现磷、硅、铜的添加使0 1 p 钢和 0 i p s i 钢具有高的抗拉强度、屈服强度和低的延伸率，抗拉强度的提高是 磷固溶强化和t r i p 效应综合作用的结果；磷的添加提高了奥氏体的淬透 性，在冷却至贝氏体等温时减少了先共析铁素体的生成，使残余奥氏体含 量升高，残余奥氏体碳含量降低，降低了残余奥氏体的力学稳定性，使应 变后期瞬时 值降低，导致延伸率的降低；由于钢中铝含量较高，试验中 磷、硅含量对贝氏体转变的影响很小铜元素提高了残余奥氏体含量，但 使其碳含量降低。舍铜钢抗拉强度的提高是由于t r i p 效应、铜的固溶强 化作用以及更多的贝氏体组织共同作用的结果。 分析瞬时n 值和残余奥氏体的稳定性发现瞬时月值特征与t r i p 效应 有关。不同化学成分、热处理工艺参数下试样的瞬时n 值特征都取决于残 余奥氏体的力学稳定性：残余奥氏体的力学稳定性低时，应变初期发生较 快的马氏体相变，对应较强的t r i p 效应和高的瞬时h 值；应变后期由于 v h i 摘要 较少的马氏体相变，t r i p 效应弱，瞬时h 值低，导致均匀延伸率和延伸率 的降低；而残余奥氏体力学稳定性高时在整个应变阶段都可持续地发生马 氏体相变，特别是在应变后期能够保证t r i p 效应，维持较高的瞬时n 值， 使试样具有高的延伸率；研究t r i p 钢性能特点时，不仅要考虑残余奥氏 体的含量，更为重要的是要考虑残余奥氏体的稳定性。 分析不同热处理工艺参数和化学成分对残余奥氏体力学稳定性的影 响，发现残余奥氏体碳含量是决定其力学稳定性的主要因素，不同贝氏体 等温温度和保温时间下贝氏体转变程度不同，造成残余奥氏体中碳含量的 差异而影响其稳定性：同时残余奥氏体的晶粒细化作用也能提高其力学稳 定性；在应力作用下残余奥氏体向马氏体的相变受材料层错能的影响，铝 元素能提高材料的层错能，减少马氏体形核率，使残余奥氏体力学稳定性 提高结合试验数据，给出了c m n a i t r i p 钢残余奥氏体碳含量和马氏体 形核率口之间的估算公式。 关键词：铝基相变诱发塑性钢，热膨胀模拟，双相区退火，贝氏体等温转 变，力学性能，残余奥氏体稳定性 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y sn e e df o rw e i g h tr e d u c t i o na n d s a f e t yi m p r o v e m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e ls h e e t s s u c ha st r i ps t e e lh a v eb e e ne x a m i n e df o rs u s p e n s i o na n ds t r u c t u r a lp a r t t r i ps t e e li st h em o s tb e n e f i c i a ls t e e lf o ri n c r e a s i n gt h es t r e n g t ho fs t e e l w i t h o u td e t e r i o r a t i n gt h es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nb a l a n c e g e n e r a l l y , t r i p s t e e le a rr e d u c et h ew e i g h ta n ds a v et h ef u e lw i t h o u tl o s i n gt h es a f e t y h o w e v e r , t h es t e e lc o n t a i n i n gh i g hs i l i c o ne l e m e n t sc a nn o tb ea p p l i e d a u t o m o t i v ep a r t sd u et ol o ws u r f a c ec o n d i t i o n i nt h i ss t u d y , a i m st op r o m o t e t h es u r f a c e q u a l i t y s u b s t i t u t es i l i c o n b ya l u m i n u mb a s e o n0 1 5 c 1 5 m n 一1 5 a i t r i ps t e e l ，t h ee f f e c t so fa l l o y i n ge l e m e n t s ，h e a tt r e a t m e n t c o n d i t i o n ， s u c ha si n t e r c r i t i e a l a n n e a l i n g ( i a ) a d i s o t h e r m a l b a i n i t i c t r a n s f o r m a t i o n ( i b t ) p a r a m e t e r so nm i c r o s t r n c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e d 。b ym e a n s o fx r a yd i f f r a e t i o n ( x r d ) ，d i l a t o m e t r i e s i m u l a t i o n ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o c o p y ( t e m ) ，o p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e ( o m ) a n dt e n s i l et e s t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et h r e es t e e l sh a v eh i g h e ra c l 、a c j t e m p e r a t u r et h a nc o n v e n t i o n a lt r i ps t e e l s w i t h7 5 0 ( 2 o fa c jf o r0 0 5 ps t e e l a n d7 5 7 ( 2f o rt h eo t h e r s t h ea c 3i sn o tf o u n df o rt h es t e e l su n t i lh e a t i n gu pt o 1 1 0 0 e b e f o r ec o o l i n gt ot h ei b tz o n e ，t h ep r o e u t e c t o i df e r r i t ei sf o u n da n d i ta f f e c t st h ev o l u m ef r a c t i o na n dc a r b o nc o n t e n to ft h ea u s t e n i t ew h i c h f o r m e di nt h ei n t e r e r i t i e a lz o n e ，t h eh i g h e ri at e m p e r a t u r ei s f a v o rt h e f o r m a t i o no fp r o - e u t e e t o i df e r r i t e t h r o u g hd i l a t o m e t r i es i m u l a t i o n 。w ef i n dt h a to 0 5 p s t e e lh a sv o l u m e f r a c t i o na n de a r b o nc o n t e n to ft h er e t a i n e da u s t e n i t eo f2 5 a n d0 5 4 a t7 7 0 ，3 5 a n d0 4 0 a t8 2 0 。4 5 a n d0 3 1 a t8 7 0 ( 2 ，r e s p e c t i v e l y b u tt h e t e n d e n c yi sn o tm o n o t o n yw i t ht h ei at e m p e r a t u r e ，t h ev o l u m ef r a c t i o na n d c a r b o nc o n t e n to ft h er e t a i n e da u s t e n i t ea r r i v e st h eh i g h e s ta t8 2 0 ，w i t ht h e n u m b e ro f1 4 a n d1 3 6 r e s p e c t i v e l y t h eb a i n i t et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c s i si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fi b tt e m p e r a t u r e ，w h i c ht h ec e m e n t i t ei sf o u n d x 摘要 a t5 0 0 ( 2h o l d i n gf o r3 0 s t h eo 0 5 ps t e e lh a dt h ea v r a m ic o n t e n to f1 0 1 1a t 6 8 0 1 2a n d0 7 7a t7 2 0 。w h i c ha r cl o w e rt h a nt h ei d e a la v r a m ic o n t e n t a r o u n d2 4 t h et h r e es t e e l sh a v em o r et h a n1 0 v o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e d a u s t e n i t e ，w i t ht h el o w e s ta m o u n ta t8 0 0 ca n dt h eh i g h e s ta t7 7 0 1 2 ，s h o w i n g t h ei n c r e a s et e n d e n c yd u r i n g8 0 0 t o8 9 0 t h ev o l u m ef r a c t i o no ff e r r i t e d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fi at e m p e r a t u r e w h i l et h eb a i n i t es h o w st h e r e v e r s et e n d e n c y t h et e n s i l es t r e n g t hi ss i m i l a rt ot h et e n d e n c yo fr e t a i n e d a u s t e n i t e ；y i e l ds t r e n g t hi si n c r e a s ea n de l o n g a t i o nw e r ed e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo fi at e m p e r a t u r e t h ei at e m p e r a t u r eg i v e sf e r r i t ea n da u s t e n i t e f r a c t i o no f6 5 ：3 5 i st h eb e s ts e l e c t i o n i nw h i c ht h e0 0 5 pa n d0 i ps t e e l h a v et h ee l o n g a t i o no f3 9 3 a n d3 6 。l a t8 2 0 t h ep r o d u c to ft e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw e r eg r e a t e rt h a n2 2 0 0 0m p a ，w i t ht h e v a l u e g r e a t e rt h a n0 2a tn e c k i n g t h em a r t a n s i t ei sf o u n d e da ts h o r t e ri b th o l d i n gt i m e ，a tt h es a m et i m e ， t h ev o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t a n i t ew a sl i t t l e d u r i n gt h ei b th o l d i n g ， t h er e t a i n e da u s t e n i t ei sc a r b o ne n r i c h e dt h r o u g ht h eb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o n a n dc a nr e s i s tt h ef o l l o w i n gc o o l i n g ，t h e nt h em a r t e n s i t ei sd i m i n i s h e da n d r e t a i n e da u s t a n i t ei si n c r e a s e d t h ec e m e n t i t ei sf o u n d e da t4 5 0 f o r3 0 0 s w h i l ei ta p p e a r sa t3 0 sf o r5 0 0 c t h cc e m e n t i t ea p p e a r sr e d u c e dt h ev o l u m e f r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t ea n di t sc a r b o nc o n t e n t ，w h i c hw o u l dh a r mt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a l lt h es a m p l e ss h o wt h eh i g h e s to ft h ep r o d u c to f t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na t4 5 0 c ，a n do 0 5 ps t e e lw i t ht h et e n s i l e s t r e n g t ho f6 4 6 5 m p a , e l o n g a t i o no f3 9 3 a n dp r o d u c to ft e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no f2 5 4 0 0m p a a t4 5 0 c f o r6 0 s ，r e s p e c t i v e l y i ni n d u s t r i a l m a n u f a c t u r e ，t h ei b tp a r a m e t e r so f4 5 0 cf o r6 0 sc a nb es e l e c t e df o rt h e c o n t i n u a lg a l v a n n e a l i n gl i n e sa n dt h eg a l v a n i z i n gr i g s pa n dc uc a ni n c r e a s et h ev o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t eb u ti o w i t sc a r b o nc o n t e n t t h er e t a i n e da u s t e n i t ef r a c t i o ni si n c r c a s e db yt h e i n c r e m e n to fpc o n t e n tf r o m0 0 5 w t t o0 1 w t t h ev o l u m ef r a c t i o no f 山东大学博士学位论文 r e t a i n e da u s t e n i t ef r a c t i o nr e a c h e s1 3 f o r0 0 5 ps t e e la n d1 5 f o r0 1 ps t e e i a f t e ri s o t h e r m a lh o l d i n gf o r6 0s e c o n d sa ti b tt e m p e r a t u r e t h ei n c r e a s eo f t e n s i l es t r e n g t hb yt h ei n c r e m e n to f pc o n t e n ti sa s c r i b e dt ot h eh i g h e rf r a c t i o n o fs t r a i n - i n d u c e dt r a n s f o r m e dm a r t e n s i t ea sw e l la st h es o l i d - s o l u t i o n h a r d e n i n ge f f e c to fed e s p i t eo ft h ei n c r e a s eo fr e t a i n e da u s t e n i t ef r a c t i o n ， t h ee l o n g a t i o no ft r i p a i d e ds t e e li sd e t e r i o r a t e db yt h ei n c r e m e n to fp c o n t e n t i to r i g i n a t e sf r o mt h el o w e rm e c h a n i c a ls t a b i l i t yo fr e t a i n e da n s t e n i t e i n0 1 ps t e e l ，w h i c h b r i n g s a b o u t r a p i d s t r a i n i n d u c e dm a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o na n dt h u si n h i b i t s p e r s i s t e n t w o r k h a r d e n i n gd u r i n g d e f o r m a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ei n s t a n t a n e o u sn v a l u ea n dt h em e c h a n i c a ls t a b i l i t yo f r e t a i n e da u s t e n i t e ，t h e r ea r ea l la f f e c t e db yt h et r i pe f f e c t i ft h em e c h a n i c a l s t a b i l i t yo fr e t a i n e da u s t e n i t ei sl o w , m o s tt r a n s f o r m st om a r t e n s i t ea te a r l y s t a g eo fd e f o r ma n ds h o w st h es t r o n g e rt r i pe f f e c ta n dh i g h e ri n s t a n t a n e o u s v a l u e ；t h et r i pe f f e c ti sw e a ka tt h el a t es t a g eo fd e f o r ma n ds h o w sl o w e r i n s t a n t a n e o u shv a l u e ，t o g e t h e rw i t hl o wu n i f o r ma n dt o t a le l o n g a t i o n w h e n t h em e c h a n i c a ls t a b i l i t yo fr e t a i n e da u s t e n i t ei s h i g h ，i tc a nc o n t i n u a l l y t r a n s f o r mt om a r t e n s i t ew i t hh i g hi n s t a n t a n e o u shv a l u ed u r i n gw h o l ed e f o r m n o to n l yt h ev o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t e ，b u ta l s ot h em e c h a n i c a l s t a b i l i t yi sc o n s i d e r e df o rt r i ps t e e l t h ec a r b o nc o n t e n to fr e t a i n e da u s t e n i t ei st h em a i n l yf a c t o ri n f l u e n c ei t s m e c h a n i c a ls t a b i l i t y , t h eh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r sa n dt h ea l l o y i n ga f f e c tt h e m e c h a n i c a ls t a b i l i t yt h r o u g ht h ec a r b o nc o n t e n to ft h er e t a i n e da u s t e n i t e 。t h e r e f i n e dr e t a i n e da u s t e n i t eg r a i ns i z ea l s oi n c r e a s e st h es t a b i l i t y t h ei n s t i n c t s t a c k i n g - f a u l te n e r g ya f f e c t st h en u c l e a t i o n o fm a r t e s i t ea sw e l la st h e r e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m sd u r i n gd e f o r m ，a l u m i n u mi n c r e a s e st h ei n s t i n c t s t a c k i n g - f a u l te n e r g ya n dp r o m o t e st h es t a b i l i t yo f r e t a i n e da u s t e n i t e k e yw o r d s ：a 1b e a r i n gt r i ps t e e l ，d i l a t o m e t r i cs i m u l a t i o n ，i n t e r c r i t i c a l a n n e a l i n g ，i s o t h e r m a lb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，r e t a i n e d a u s t e n i t es t a b i l i t y x i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盏盔兰日期：塑兰兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解i l j 东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：耋! 墨导师签名：皿日期：竺兰兰：磁 山东大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的意义 1 9 6 7 年z a c k a y f l i 发现并命名了相变诱发塑性( t r a n s f o r m a t i o n i n d u c e d p l a s t i c i t y , t r i p ) ，并利用这一特性来提高奥氏体不锈钢的塑性和成形能力。 由于受当时研发水平的限制，在钢板中产生t r i p 效应需镍、铬等贵金属 且生产工艺复杂，致使钢板的生产成本过高，工业化大规模应用受到限制。 后来发现硅、锰等廉价元素可替代镍、铬等贵金属，并通过简化的热处理 工艺也可在室温下获得所需的残余奥氏体，并相应开发出低碳硅锰t r i p 钢，大大降低了t r i p 钢的生产成本。使工业化应用成为可能，开创了t r i p 钢研究的新途径日棚。 随着人们保护环境和节能降耗需求的不断增长。汽车制造商对重量轻、 能耗低、安全性高的汽车的开发研制也重视起来，随之对汽车用钢板的要 求也越来越高。为减轻车身的重量，作为轻质材料的铝合金，复合材料， 高强度钢板等都用来替代传统钢板。作为先进高强度汽车板的代表，t r i p 钢板具有高的屈服强度和抗拉强度，延展性强，冲压成形能力高，用作汽 车钢板可减轻车重降低油耗，同时能量吸收的能力强，能够抵御撞击时 的塑性变形，显著提升了汽车的安全等级，具有明显的优越性1 0 4 j 同传统 钢板相比，用t r i p 钢板制造的零件重量减轻约1 2 【g j ，而车重减轻1 0 ， 可降低油耗3 - 7 ，同时废气的排放量也减少，减轻了对环境的污染整 体经济效益明显提高。 t r i p 钢板的应用在汽车界引起广泛的关注，欧洲、北美和亚洲的日本、 韩国等发达国家都对它十分重视，投入大量的人力、物力进行研究。欧洲 的n c a p 计划、北美的n h t s a 计划和世界主要钢铁生产企业的u l s a b 计划等，都对t r i p 的冶金基础和实际应用进行了广泛研究1 2 1 0 l , 世界各 国的科研人员在t r i p 钢合金成分 1 t 。1 9 】、组织性能1 2 ”、生产工艺和机理 3 3 4 3 1 研究方面取得了一系列的成果，极大地促进了t r i p 钢的生产和应用。 第1 章绪论 如u l s a b 计划以不降低车体安全性和舒适性，不增加造价的前提下。要 求车身减轻重量2 0 。实际的研发结果是采用t r i p 钢等高强度钢板后使 车身结构比同类车平均减重2 5 ，车身抗扭和抗弯强度较同类车分别提高 8 0 和5 2 ，同时造价降低了1 5 在欧洲，不同强度等级和成分系列的t r i p 钢板已经被钢厂开发和汽 车制造商所应用；在北美由于双相钢( d p ) 的普遍应用，t r i p 钢的大规模应 用还有待于得到钢厂和汽车制造商的更多认同：日本对t r i p 钢的研究起 步较早，t r i p 钢板最早被用作概念车底盘上约8 0 种零件，现在各种系列 的汽车产品中都有应用：韩国近年来也加强了对t r i p 钢的研发，浦项制 铁已能生产一系列拥有自主知识产权、不同成分和性能的t r i p 钢板随 着合金成分的臼趋合理和生产工艺的不断提高完善，t r i p 钢板的大规模工 业化生产的理论和实际问题业已解决，而我国把汽车产业作为国民经济发 展的优先支柱产业，为汽车制造业的高速发展带来了契机，t r i p 钢板的应 用前景也将更加广阔。 当硅含量大于l 时，热处理时钢板表面易产生m n 2 s i 0 4 等稳定的氧 化物，使t r i p 钢涂镀能力变差。影响钢板表面质量，降低使用性能。用 铝来部分或完全替代硅可提高钢板的涂镀能力和表面质量是当前t r i p 钢 研发的热点1 2 , 6 - ? 1 。我国对t r i p 钢的研究起步较晚，9 0 年代北科大壬四根 等人对t r i p 钢有初步的研究f “4 ”，后来陆续也有一些综述性的文章发表 【4 6 ”】近年来北科大、东北大学、宝钢集团、上海大学、上海交大和山东 大学等都有t r i p 钢方面的论文发表【5 0 - e t 6 | ，但总体上说不系统，特别是对 c m n a i t r i p 钢的研究没有涉及，缺乏相关的理论研究和生产工艺的开发， 制约了c m n a i t r i p 钢的生产应用。并且添加铝替代硅后材料强度的损 失势必要添加一些强化元素来弥补，这些强化元素同铝的相互作用及其对 材料性能和热处理工艺的影响都值得进行深入而细致的研究，从而为 c m u a i t r i p 钢的工业生产应用提供坚实的理论依据和工艺指导。 1 2 文献综述 1 2 1t r i p 效应硬t r i p 钢的生产工艺 ( 1 ) tr i p 效应 一2 一 山东大学博士学位论文 在室温下，当钢板组织中存在一定量、比较稳定的残余奥氏体时，受 塑性变形的作用，残余奥氏体逐渐增大产生应变硬化，诱发了马氏体的形 核，产生相变而转变为马氏体，使局部的硬度得到提高，继续变形较困难， 同时变形进一步向周围组织转移，颈缩的产生被延迟，随着相变的不断发 展，材料获得了很高的塑性。残余奥氏体相变时体积增大，压迫周围的基 体，使其发生塑性变形，引起位错密度的增加，产生位错强化，同时相交 产生的马氏体为硬相，致使材料的强度也有提高。钢板经相变后的塑性和 强度都有提高，这种现象就被称为相变诱发塑性，简称t r i p 效应【5 7 - 5 射。 文献【4 6 将t r i p 效应解释为； 拉伸变形时变形最大的部位首先诱发马氏体相变，使局部强度提高。 难以继续变形，导致变形向未发生马氏体相变的其它部位转移。推迟了颈 缩的形成： 拉伸变形时造成的局部应力集中因马氏体相变而松驰，推迟了裂纹， 的产生，局部应力集中主要是由于残余奥氏体影响，其次是塑性变形和压 应力的影响； 残余奥氏体与外加应力呈共格关系，高能界面不利于裂纹的扩展， 因此宏观效应表现为总延伸率，特别是均匀延伸率的提高。 残余奥氏体向马氏体的相变属于非扩散型相变只有残余奥氏体相变 产生的马氏体才有良好的塑性，经形变和淬火得到的马氏体不具有相变韧 性。t r i p 效应的发现极大的扩展了高强度钢板的应用领域解决了高强度 和高塑性不能同时获得的难题，为钢铁材料的研发带来了新的机遇。 ( 2 ) t r i p 钢的生产工艺 生产t r i p 钢板典型的工艺路线有热轧和冷轧热处理两种【7 , 3 9 - 6 0 l ，国内 也有学者用薄板坯连铸连轧工艺试制c m n s i t r i p 钢，薄板坯连铸连轧工 艺具有流程简化、生产周期短、节约能源和成材率高等特点。在实验室条 件下通过模拟薄板坯连铸连轧工艺，得到了试样组织为铁素体、贝氏体和 残余奥氏体的多相组织，力学性能指标同传统轧制工艺得到的试样相当 1 6 l 】。 热轧t r i p 钢通过形变热处理来获得，在形变热处理的过程中，热轧 后的钢板组织在冷却过程中发生相变，可以获得包含铁素体、贝氏体和残 3 一 第1 章绪论 余奥氏体的多相显微组织。热轧t r i p 钢的示意图及和d p 钢的对比见图 i 1 。热轧过程中每个相的形成同冷却速率、奥氏体显微组织在最终轧制过 程中的产生程度及合金成分有关。变化冷却速率和卷取时的温度可以改变 相变行为，在一定范围内变化强度等级，获得不同的组织成分和力学性能 在卷取过程中奥氏体会发生相变，成为贝氏俸，随着卷取温度的降低，由 于碳化物在贝氏体中的沉积，残余奥氏体中碳含量降低了，从而使其稳定 性降低，在冷却的过程中，奥氏体便会转化为马氏体，最终试样的残余奥 氏体含量会降低。研究结果显示，在4 0 0 i c 卷取时可以获得最高含量的残 余奥氏体，试样的力学性能也最佳 6 2 】。 冷轧热处理t r i p 钢经粗轧、热轧和冷轧后，钢板组织由铁素体和珠 光体体组成，随后的热处理工艺为双相区退火( i n t e r c r i t i c a la n n e a l i n g i a l 加贝氏体区等温( i s o t h e r m a lb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，r o t ) 保温，然后空冷至 室温。双相区退火处理后铁素体和奥氏体的体积百分含量大致相等，在贝 氏体区等温处理时，部分奥氏体转变为贝氏体，并有少量被保留下来，最 终钢板的组织中包含铁素体、贝氏体和残余奥氏体的多相组织。在两步热 处理的过程中，残余奥氏体中的碳含量得到提高，使其能抵御随后的空冷， 不是转变成马氏体而是得以在室温下稳定的存在。双相区退火时，发生的 奥氏体转变使奥氏体中的碳含量升高，接下来的贝氏体等温中，由于添加 的硅、铝等元素不易在渗碳体中溶解，碳化物的形成被抑制，碳元素进一 t 一 图1 i 热轧t r i p 钢及d p 铜示意图m f i g 1 1s k e t c hm a ps h o w st h eh o t - r o l l e dt r i p s t e e la n dd u a l p h a s es t e e l t r l 山东大学博士学位论文 图1 2 冷轧t r i p 钢两步法热处理示意图 f i g 1 , 2 s k e t c h m a ps h o w s t h e t w o - s t e p h e a t l t c a t m e i t o f c o l d - r o l l e d t r i ps i 步向奥氏体中富集，奥氏体中的碳含量继续增加，提高了奥氏体的稳定性。 若等温处理时仅有少量的贝氏体形成则奥氏体中的碳含量较少，使其稳 定性降低，在冷却到室温的过程中会转变为马氏体，t r i p 效应受到影响。 通过控制双相区退火和贝氏体等温处理的工艺参数，可得到不同含量的显 微组织和不同的力学性能。实际工业生产中，连续退火生产线和热镀锌生 产线都有应用，随着热镀锌板需求的增加，热镀锌生产t r i p 钢板的产能 有待得到更深层次的挖掘。冷轧t r i p 钢双相区退火和贝氏体等温两步热 处理法如图1 2 所示。 两种生产t r i p 钢的方法各有优缺点。热轧t r i p 钢得到奥氏体相的过 程相对较容易。将相变和形变热处理融合在一起，可以通过控制卷取温度 和卷取时间来获取不同的相的组成含量和钢板的力学性能。缺点是温度偏 差对相变行为和性能的影响强烈，只有钢板宽度和长度上同时使温度均匀 才能达到组织的均匀和减少钢板不同部位力学性能的差异；同时由于受工 厂设备的限制，快速升温在实际生产中有一定困难，必须采用卷取装置等 相对热轧生产，冷轧热处理t r i p 铜板的轧制力相对较小，可以通过调节 两步热处理法的工艺参数来控制钢板的显微组织和力学性能生产工艺过 程相对较容易控制：缺点是生产线较为复杂，以达到组织中所需要的残余 奥氏体，冷轧产品表面覆镀需求使合金成分受到限制等 1 2 2t r i p 钢的合金元素和性能特点 ( 1 ) t r l p 钢中的合金元素 5 第1 章绪论 合金元素是生产t r i p 钢板的基础，t r i p 钢板的各项优良性能和进一 步的潜能提高都和钢板中的合金元素有关，研究各种合金元素的含量和作 用也是研究相变诱发塑性钢的热点之一。t r i p 钢中的合金成分对显微组织 和力学性能有着十分重要的影响合金元素的差异使