课题名称twip钢的微合金知识分享

课题名称TWIP钢的微合金课题背景和意义在现代工业发展中，能源和环境问题已成为不可回避的重大社会课题。汽车的减重（轻型化）是降低油耗的重要途径。为减轻车体重量，大量采用高强度钢板已成为必然的趋势。研究开发一系列替代现有产品的汽车用高强度、超高强度、高塑性和高成形性的新钢种，如DP（双相）钢、TRIP钢、TWIP钢和含B超强钢等。其中的TWIP钢以其优良的性能被作为最有前途的品种之一。课题来源本课题是教育部博士点基金项目《新一代汽车用高强度高塑性TWIP钢的研究与开发》的子项目。文献综述TWIP钢概述TWIP钢中合金元素的作用稀土元素在钢中的应用微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的应用钢中稀土与铌、钒、钛等微合金元素的作用TWIP钢生产工艺国内外TWIP钢的研究发展状况

TWIP钢—（TwiningInducedPlasticity）称为孪晶诱发塑性钢。TWIP钢的成分以低碳高锰钢为基体，并添加一定量的合金元素Al和Si。TWIP钢在无外加载荷时，在室温下的组织是稳定的残余奥氏体，在这些γ-奥氏体内有少量的退火孪晶。当处于外部载荷作用状态时，由于形变诱导可以产生大量的形变孪晶。这种钢具有极高的塑性指标（最大延伸率可达95％）和高的强度（600-800MPa），高的应变硬化率，对冲击能量的吸收程度是现有高强钢的两倍。图2力学性能与应变速率的关系曲线图1力学性能与试验温度的关系曲线TWIP钢的力学性能图1力学性能与试验温度的关系曲线TWIP钢中合金元素的作用通常层错能比较低的fcc在变形过程中会出现形变孪晶。Mn

在高锰钢中Mn是稳定奥氏体的主要元素,可扩大

γ相区。使钢在室温下仍为奥氏体组织。Al

加入Al会增加堆垛层错能,而抑制γ→ε相变,有利于产生变形孪晶。Si

加入Si会降低堆垛层错能，可稳定γ→ε相变。

C、N元素以间隙原子的形态存在于钢中，是钉扎位错和阻碍位错滑移的主要元素。由于C、N的间隙固溶作用，提高了高锰钢形成层错的可能性，使钢的冷加工硬化性增强。微合金化钢的概念“微合金化”是指这些元素在钢中的含量较低，通常低于0.1%（质量分数）。与钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是为改善钢材的性能有目的地加入钢中的，合金化元素主要影响钢的基体，而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。稀土在钢中的作用

净化作用稀土有脱氧、脱硫的作用。可以抑制磷、硫等低熔点杂质在晶界上偏聚。变质作用硫、氧等与稀土作用，生成球状的稀土硫化物或硫氧化物,取代长条状MnS夹杂，使夹杂变性。合金化作用脱氧、脱硫和变质夹杂后富裕的稀土会固溶在钢中，起到合金化作用，有净化晶界和固溶强化的作用。稀土改善高锰钢性能的机理细晶强化

稀土化合物在钢液中充当了结晶核心，稀土使高锰钢晶粒粗化温度提高大约100℃，可获得较细晶粒度。晶界强化

稀土使钢液得到净化，减少了氧化物和硫化物在晶界上的析出，使晶界得以强化。固溶强化

稀土在高锰钢中的固溶产生晶格畸变，提高对位错运动的阻力而达到强化。质点强化

稀土夹杂物颗粒细小、坚硬，对高锰钢有质点强化作用。稀土的最佳加入量稀土在钢液中的溶解度不大，必须严格控制其在钢液中的含量。若稀土元素加入量超过了与氧、硫反应所必需的数量，则剩余的稀土将在晶界上析出，形成熔点低于轧制温度的低熔点共晶体，热加工时容易产生裂纹，加入量少了又达不到硫化物变性的作用。Nb、V、Ti在钢中的作用阻止晶粒长大微合金钢在锻造或轧制前加热时，未溶解的微合金碳氮化物质点通过质点钉扎晶界机制，阻止晶粒长大。阻止奥氏体形变再结晶在锻造和轧制过程中，析出的碳氮化物沉淀在晶界和位错上起钉扎作用，抑制再结晶过程的进行。改变钢的显微组织微合金元素会固定钢中一部分C、N，影响钢中组织的相对量，并改变组织的分布和形态。Nb、V、Ti在钢中的强化机制晶粒细化Nb、V、Ti可以有效控制钢在加热和变形中晶粒的长大，从而细化晶粒。对钢起到强化和韧化的作用。沉淀强化Nb、V、Ti的碳、氮化物微粒通过过饱和固溶体而沉淀析出细小的弥散微粒分布于基体相中产生沉淀强化作用。微合金化元素Nb在高温奥氏体区，Nb以固溶原子的拖曳作用为主，在较低温度的奥氏体区，以应变诱导析出和未溶的Nb(CN)粒子对晶界的钉扎作用为主。Nb产生晶粒细化的效果最显著。

钢中加入0.005～0.05%的Nb能提高钢的屈服强度和冲击韧性，降低其脆性转变温度。这是Nb细化晶粒以及沉淀强化的结果。

微合金化元素Ti

Ti的氮化物是在较高温度下形成的，这种化合物只是在高温下起控制晶粒长大作用。

含Ti量较高，在提高强度的同时，塑性和韧性急剧下降。当钢中含有微量的Ti(0.03～0.1%)并避免在TiC较多溶于奥氏体的温度过多停留，其屈服点和屈强比将有所提高，同时不影响韧性和塑性。微合金元素VV的氮化物和碳化物在奥氏体区内几乎完全溶解，因此对控制奥氏体晶粒不起作用，但是V的化合物在γ/α转变过程中或之后析出，产生析出强化。由于V具有较强的沉淀强化效果，所以可提高钢的强度，特别是屈服点和屈强比，还改善钢的韧性。可用V的沉淀强化和Nb的晶粒细化结合使用。使钢得到强化。微合金元素P磷作为残余元素存在于钢中，当磷原子取代铁原子形成置换固溶体时，则钢得到强化。在诸多置换固溶体形成元素中，磷的强化能力最大。磷含量通常限制在0.10%以下时.磷对钢的强化使延性很少恶化，对塑性应变值r影响较小。当钢中P≤.06%时，它具有稳定的小晶粒特征，稀土与微合金的相互作用合金元素会影响钢中固溶稀土量钢中铌、钒、钛均有利于提高钢中稀土固溶量，其中以铌作用最为显著稀土，可以使含铌、钒钢中的铌沉淀相析出数量增多，尺寸减小，弥散分布于钢的基体中，增加微合金元素的细晶强化和弥散强化作用TWIP钢生产工艺对性能的影响

热轧：锰奥氏体钢的变形阻力较大，柱状晶发达，锻轧时易开裂。宜低温浇注；压下率也尽可能的小；锰钢的导热率小而线膨胀大，应缓慢加热和冷却。

水韧处理将钢加热到Acm以上保温一段时间，，消除铸态组织的偏析，奥氏体均匀化，快冷得到过冷奥氏体组织，获得细晶，提高钢的强度、塑性、韧性。

冷轧冷轧压下率为70％作用可以获得良好的综合性能，屈服强度，拉伸强度，和R值达到最高奥氏体高锰钢的强化机理

高密度位错缠结理论形变孪晶机制国内外TWIP钢的研究发展状况多晶高锰奥氏体钢中TWIP作用的结构模型模拟TWIP机制对加工硬化的影响3.研究内容（1）研究稀土，Nb，V，Ti和P对TWIP钢性能的影响规律。（2）研究TWIP钢中加入P来提高强度，保证塑性不降低的可能性。(3）由于采用不同的合金元素,从而研究各种成分的钢的加工工艺参数（加热温度、终轧温度、变形量、冷却速度及冷却方式等）的合适的方式。(4)在此基础上研究TWIP钢高强度，高塑性的机理化学成分/wt%C/ppmSiMnAlVNbTiReP、SN/ppmFeO/ppm1-130032530.060.04~0.06≤0.020≤30bal≤301-20.082-130032530.020.04~0.06≤0.020≤30bal≤302-20.043-130032530.020.04~0.06≤0.020≤30bal≤303-20.04

430032530.01~0.030.01~0.030.04~0.06≤0.020≤30bal≤30化学成分/wt%C/ppmSiMnAlpReSN/ppmFeO/ppm1#20032530.120.04~0.06≤0.020≤30bal≤302#20032530.100.04~0.06≤0.020≤30bal≤303#20032530.080.04~0.06≤0.020≤30bal≤304#20032530.060.04~0.06≤0.020≤30bal≤305#20032530.040.04~0.06≤0.020≤30bal≤30TWIP钢的微合金设计与优化钢的冶炼、铸造TWIP钢轧制、热处理及工艺参数的优化奥氏体再结晶动力学特性的研究力学性能实验，测σb、σs、、、、及杯突性使用光学显微镜、SEM、TEM进行微观组织分析合金变化与性能变化的关系6.课题研究的重点与难点重点：（1）研究化学成分对组织状态的影响，探讨微合金化元素在TWIP钢中的作用，分析其组织强化机理。（2）进行加工工艺及其参数（变形温度、变形速率及冷却方式等）对孪晶形成机制与力学机械性能的影响。难点：1）由于TWIP钢的研究开发在国内仍属空白，国外研究工作也处于刚刚起步阶段，微合金的研究更是几乎没有，所以可参考的文献极少；（2）TWIP钢的形成，强化机理比较复杂，基础的理论还不完善，微合金化元素稀土、铌、钒、钛、磷对TWIP钢能否起到作用，起到多大作用，起作用的成分点还是未知。8.课题展开的进度与安排时间内容2004.5～2004.9查阅文献；2004.10～2004.11制订实验方案及开题；2004.11～2005.1进行TWIP钢的成分设计，经过冶炼、热处理及轧制的工艺，进行实验钢的试制；2005.2～2005.9采用金相、TEM、SEM等显微分析技术进行组织结构的研究，分析各微合金元素对钢材综合力学性能的影响情况；提出TWIP钢的优化成分；2005.10～2005.11分析、总结实验结果，得到钢的优化成分；2005.12～2006.3撰写论文并准备答辩。

7.课题研究的预期目标通过对钢的成分优化，使钢的性能指标达到国外样品水平:强度600－800MPa塑性90%－95%8.课题展开的进度与安排

时间内容2005.09～2004.10查阅文献；2005.10～2005.11制订实验方案及开题；2005.11～2006.01初步制定各个合金成