相变诱导塑性汽车用钢的发展现状与趋势_汪淼

第２８卷第８期　２０１６年８月 钢　铁　研　究　学　报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．８，ｐ１－７Ａｕｇｕｓｔ　２０１６基金项目：武汉市国际科技合作计划资助项目（２０１４０３０７０９０２０３０７）作者简介：汪　淼（１９９１—），男，硕士生； Ｅ－ｍａｉｌ：９９３５６９０７１＠ｑｑ．ｃｏｍ； 收稿日期：２０１６－０３－０３通讯作者：吴开明（１９６６―），男，教授； Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｋａｉｍｉｎｇ＠ｗｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎＤＯＩ：１０．１３２２８／ｊ．ｂｏｙｕａｎ．ｉｓｓｎ１００１－０９６３．２０１６００５８相变诱导塑性汽车用钢的发展现状与趋势汪　淼１，２，　张　聪１，２，　胡　锋１，２，　吴开明１，２　伊琳娜·罗迪洛娃３（１．武汉科技大学耐火材料与冶金省部共建国家重点实验室，湖北武汉４３００８１；　２．武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉４３００８１；　３．俄罗斯巴尔金中央黑色冶金研究院，俄罗斯莫斯科１０５００５）摘　要：论述了相变诱导塑性（ＴＲＩＰ）钢的发展现状及其在汽车工业上的应用，重点讨论了ＴＲＩＰ效应的机理及ＴＲＩＰ钢性能的影响因素。

介绍了２种采用新型工艺（低温贝氏体转变和淬火－碳分配工艺）的ＴＲＩＰ钢，并且通过对ＴＲＩＰ钢研究的最新数据，对比了２种工艺下ＴＲＩＰ钢的高速拉伸性能；最后对汽车用ＴＲＩＰ钢的研究方向进行了展望。

关键词：相变诱导塑性；汽车用钢；低温贝氏体转变；淬火－碳分配；高速拉伸文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０９６３（２０１６）０８－０００１－０７Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ＴＲＩＰ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｓｔｅｅｌｓＷＡＮＧ　Ｍｉａｏ１，２，　ＺＨＡＮＧ　Ｃｏｎｇ１，２，　ＨＵ　Ｆｅｎｇ１，２，　ＷＵ　Ｋａｉ－ｍｉｎｇ１，２，　Ｉｒｉｎａ　Ｒｏｄｉｏｎｏｖａ３（１．Ｔｈｅ　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００８１，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００８１，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｉ．Ｐ．Ｂａｒｄｉｎ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　ＦｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｍｏｓｃｏｗ　１０５００５，Ｒｕｓｓｉａｎ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ（ＴＲＩＰ）ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｕｔｏｍｏ－ｔｉｖｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ＴＲＩＰ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ＴＲＩＰ　ｓｔｅｅｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｗｏ　ｎｅｗ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ－ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＴＲＩＰ　ｓｔｅｅｌｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＴＲＩＰ　ｓｔｅｅｌｓ　ｆｏｒ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｓｈｅｅｔ　ｓｔｅｅｌ；ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂａｉｎｉｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄ　ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｔｅｓｔ 近几年中国汽车工业有了突飞猛进的发展，目前已经成为中国最具前景的行业之一，对经济发展起了巨大的推动作用。

但是随着汽车工业的迅猛发展，随之而来的环境和能源问题也越来越突出，这让政府和国民都担忧不已。

因此现阶段汽车发展的主要方向是环境友好型汽车，而汽车轻量化则是实现这一目标的主要手段之一。

在保证汽车碰撞安全性的条件下，使车身的整体质量减轻，提升汽车的动力，从而达到节能环保的效果，是汽车轻量化发展的主要方向。

研究表明［１］：在不考虑其他因素的前提下，汽车的油耗会随着汽车质量的降低而减少，油耗减少量与汽车质量降低量接近（或持平），而且重量降低也会使汽车的生产成本减少。

汽车轻量化的主要方式是采用轻质材料来减轻质量，其中最有效的措施是利用高强度钢板来降低厚度，从而减轻车的整体质量。

目前人们对汽车轻量化的研究越来越多，主要成果有国际钢铁研究协会提出的超轻钢概念车项目［２］等，能够使汽车车身质量降低约一半，其成果主要归功于大量先进高强度钢如ＴＲＩＰ、ＤＰ、ＣＰ、ＨＳＬＡ等钢的采用，先进高强度钢在得到高强度的同时还具有很高的断后伸长率。

相对于传统的汽车用钢，先进高强度钢受到汽车制造商的大力关注，其中的ＴＲＩＰ钢同时具有优异的高速力学性能和疲劳性能，而且价格低廉，因此受到了现代汽车行业及其他制造行业的广泛关注。

钢　铁　研　究　学　报第２８卷通常情况下，钢在得到高强度的同时其塑性会降低，但ＴＲＩＰ钢在得到高强度的同时也会因为ＴＲＩＰ效应的发生而得到较高的塑性，所以现阶段广大的研究者们都把ＴＲＩＰ钢看作最有前途的新一代汽车用钢。

１　相变诱导塑性汽车用钢的发展概述 汽车用薄板钢已经发展到了第３代。

相对于第１代和第２代的汽车用薄板钢，第３代汽车用薄板钢的主要目标及优势是：成本较低（接近或低于第１代），性能较好（强度与塑性等性能接近或高于第２代），并且获得由面心立方和体心立方混合相组成的组织［３］。

汽车工业对新一代汽车用薄板钢的要求主要体现在高强塑积（抗拉强度与延伸率的乘积）方面。

第１代汽车用薄板钢有传统的ＩＦ钢［４］、ＤＰ钢［５］和马氏体钢［６］，它们的强塑积主要在１０～１５ＧＰａ·％范围，钢中奥氏体体积分数较少；而后继续发展到具有一定奥氏体体积分数（５％～１５％）的ＴＲＩＰ钢［７］，其抗拉强度在２００～１　０００ＭＰａ，强塑积在１５～２５ＧＰａ·％。

第２代汽车用薄板钢主要包括奥氏体钢［８］和ＴＷＩＰ钢［９］，其抗拉强度达到８００～１　０００ＭＰａ，而且具有很高的奥氏体体积分数（约１００％），其强塑积达到５０～７０ＧＰａ·％。

第３代汽车用薄板钢有近几年来研发的Ｑ＆Ｐ（淬火－碳分配）马氏钢和Ｑ－Ｐ－Ｔ（淬火－碳分配－回火）钢，其奥氏体体积分数（５％～２０％）相对于ＴＲＩＰ钢有一定的提高，其强塑积也有了一定的提高，达到了２５～３５ＧＰａ·％；还有强塑积达到３０～４５ＧＰａ·％的超级贝氏体钢，其奥氏体体积分数达到２０％～３５％。

由此可发现：当钢中奥氏体体积分数增加时，其强塑积一般也会随之增长。

因此要想获得良好的塑性使钢的强塑积得到提高，首先要使其组织中奥氏体体积分数增加。

此外，要使钢材达到高的抗拉强度（不小于１　５００ＭＰａ）和３０～４０ＧＰａ·％的强塑积，实现节能减重，必须研究出合适比例的硬相与残留奥氏体软相组织。

因此，新一代汽车用ＴＲＩＰ钢应该是具有纳米／亚微米级马氏体或者纳米贝氏体（ＢＣＣ）板条，同时含有大量残留奥氏体（ＦＣＣ）的双相组织，而且这两种组织基本能达到第３代汽车用薄板钢的目标，但对于如何获得适当比例的残留奥氏体（块状和薄膜状）和纳米级的马氏体或贝氏体还需要进一步深入研究。

对于ＴＲＩＰ钢的大量研究始于２０世纪８０年代，德国早已研制并成功投入生产了几类ＴＲＩＰ钢，如热镀锌ＴＲＩＰ钢、ＴＲＩＰ６００、ＴＲＩＰ８００等钢材；韩国在此基础上也已经成功生产了ＴＲＩＰ１２００级别的冷轧钢板；日本生产了６００～８００ＭＰａ级别的ＴＲＩＰ钢，这些ＴＲＩＰ钢的生产及投入使用都代表了ＴＲＩＰ钢的潜在发展价值。

中国学者对于ＴＲＩＰ钢的研究虽起步较晚，但近些年也有了很大进展，越来越多的钢铁企业陆续研发生产了ＴＲＩＰ钢，如国内的宝钢、武钢、鞍钢等钢厂研发的ＴＲＩＰ钢已经投入使用，强度达到了６００、８００ＭＰａ级，而且１　０００ＭＰａ级及其以上强度级别的ＴＲＩＰ钢也在研究之中。

１．１　钢的ＴＲＩＰ效应 ２０世纪中叶，在研究高合金奥氏体不锈钢时，Ｚａｃｋａｙ等人［１０］第一次揭示了相变诱导塑性（ＴＲＩＰ）效应。

相变诱导塑性效应是指在一定外部载荷作用下，应力会诱导马氏体的形核并使组织中的一部分残留奥氏体发生相变转变为马氏体，由于发生转变区域组织的硬度得到提高，使应力作用下继续变形的难度增大，这时变形会向周围的组织发生转移，推迟颈缩，随着变形的进行，最后可得到很高的塑性。

这种经相变后强度和塑性都得到显著提高的现象称为相变诱导塑性效应，也就是人们简称的ＴＲＩＰ效应［１１－１２］。

图１为ＴＲＩＰ效应示意图［１１］。

当外界载荷以一定的应变速率作用在钢板上时，随着载荷的持续作用，应变会在缺陷比较多的地方聚集，同时应变会诱发马氏体形核，当应变集中到一定程度时，附近残留奥氏体将缓慢地转变为马氏体，发生ＴＲＩＰ效应。

ＴＲＩＰ效应在使强度得到提高的同时也会显著提高其塑性，使最终得到的强塑积较高。

图１　ＴＲＩＰ效应示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＴＲＩＰ　ｅｆｆｅｃｔ１．２　ＴＲＩＰ钢的组织特点 ＴＲＩＰ钢的显微组织一般是由软相铁素体、硬相·２·第８期汪　淼等：相变诱导塑性汽车用钢的发展现状与趋势贝氏体和亚稳态的残留奥氏体组成，是一种多相组织，其力学性能主要是由各组织的合理配比和组织中的亚稳态残留奥氏体的稳定性等因素决定的。

铁素体作为基体组织，其体积分数一般都在５０％以上。

铁素体对ＴＲＩＰ钢组织和性能都有很大影响。

铁素体本身硬度较低但其塑性很好，而且铁素体量的多少会直接影响残留奥氏体体积分数，所以控制好铁素体量的多少是获得更多稳定残留奥氏体和得到较好ＴＲＩＰ效应的主要影响因素之一。