第二代先进高强钢TWIP钢在车身典型零件上的应用
鱼与熊掌兼得的艺术：三代先进高强钢
鱼与熊掌兼得的艺术：三代先进高强钢材料人轻量化专栏里很多次提到过高强钢，但往往是作为与碳纤维、铝合金比较而提及，今天，我们就为大家介绍经常被提起的产品。
不夸张地说，先进高强钢的应用和发展是危机下的产物。
在20世纪70年代之前，当时的汽车用钢主要性能指标是硬度。
在这一方面，高强钢与软钢没有什么区别，所以在汽车上应用很少。
而到了80年代，汽车业开始讲究燃油效率，迫使制造商们开始采用传统高强钢。
但到了90年代，危机来了！汽车设计者们开始采用铝合金、镁合金、纤维复合材来为汽车减重。
虽然这些材料的成本比钢铁要高，但是燃效和环保的压力让汽车制造商们觉得还是值得发展。
而当时先进高强钢成本高、难以焊接，虽然比起传统高强钢的韧性高，但是还是难以让汽车制造商引起兴趣。
于是，世界钢铁协会联合18个国家、34家钢企，组成“21世纪超轻量型汽车开发企业集团”，并启动了一系列项目，试图通过在以钢铁为基本材料的前提下，从结构设计、制造技术、零部件形状等多方面减轻汽车重量。
这里可能就要问一句了，为什么钢铁如此紧张汽车业呢？谁叫它俩爱得如此深沉呢！中钢协有数据称，汽车用钢目前占国内钢产量的8%，而国外是15%。
在基建市场疲软的大环境下，钢企普遍亏损，唯独几个生产汽车板的企业还能赚些钱。
要是汽车这块阵地也丢了，后果可想而知……当然，结果还是很理想的。
项目认为，先进高强钢预计使用比例超过 60%，在不增加成本的前提下，可实现车身减重 35%的目标，同时满足五星级安全碰撞标准。
此后，钢铁企业和协会，时不时地论证一番：先进高强钢才是汽车业轻量化的真爱。
车用钢材，通常可以分成：软钢、传统高强钢和第一代、第二代、第三代先进高强钢。
他们各自的伸长率和抗拉强度范围如下图：从这个表里可以看到，软钢具有很好的伸长率，意味着加工性能非常好，但抗拉强度最高不过300Mpa以内。
软钢主要有2个类别：低碳钢(Mild steel)和无间隙原子钢（IF steel)。
23_8_MnTRIP_TWIP钢的组织性能及强化机制
第8卷第3期材 料 与 冶 金 学 报Vol 18No 13 收稿日期:2009205205. 基金项目:国家大学生创新性实验计划资助项目(070107). 作者简介:张淑娟(1984—),女,河北保定人,东北大学本科生;丁桦(1958—),女,安徽合肥人,东北大学教授,博士生导师.2009年9月Journal ofMaterials and MetallurgySep t .20092318%M n TR I P /T W I P 钢的组织性能及强化机制张淑娟,丁 桦,丁 昊,曾建敏,唐正友(东北大学材料与冶金学院,沈阳110004)摘 要:研究了锰含量(质量分数)为2318%的低碳高锰钢的力学行为和组织演变,并对其强化机制进行了探讨.结果表明:2318%M n TR I P /T W I P 钢的屈服强度约为300M Pa,抗拉强度可达610MPa,断裂延伸率可达到63%.实验钢拉伸变形呈连续屈服,其应变硬化指数n 值约为0148.该钢在变形初期的强化机制以应变诱发孪生为主,变形后期出现应变诱发马氏体相变.位错与形变孪晶、马氏体之间的相互作用也对强度的增加做出贡献.关键词:高锰TR I P /T W I P 钢;微观组织;力学行为;强化机制中图分类号:TG14211 文献标识码:A 文章编号:167126620(2009)0320198204M i crostructures,m echan i ca l properti es and strengthen i n gm echan is m s of a 2318%M n TR I P /T W I P steelZHAN G Shu 2juan,D IN G H ua,D IN G H ao,Z E N G Jian 2m in,TAN G Z heng 2you(Schoo l of M aterials and M etallu rgy,N o rtheastern U n iversity,Shenyang 110004,C h ina )Abstract:In the p resen t w o rk,m echan ical behavio r and m icrostructu ral evo lu tion of a TR IP /TW IP steel con tain ing2318%M n w as investigated and strengthen ing m echan is m s w ere analyzed .The resu lts show ed that the yield strength,tensile strength and elongation w ere 300M Pa,610M Pa and 63%res pectively .The steel exh ibited con tinuous yielding and the strain harden ing exponen t w as 0148.In the p ri m ary stage of defo r m ation,strain induced t w inn ing w as the m ajo r strengthen ing m echan is m ,w h ile strain induced transfo r m ation beca m e i m po rtan t as the strain increased .T he in teractions a m ong the t w ins,m artensite and dislocations also con tribu ted to the increase of strength of the experi m en tal steel .Key words:h igh m anganese TR IP /TW IP steel ;m icrostructu re;m echan ical p roperty;strengthen ing m echan is m 现代汽车结构、性能和技术的重要发展方向为减轻车体重量、节约能源、降低排放、提高汽车的安全性能.汽车零部件中,钢占有很大比重,在不降低其他各项性能指标的前提下,减少汽车用钢能在很大程度上减少车体的重量.高锰T R I P (transfor mati on induced p lasticity )/T W I P (t w inning induced p lasticity )钢正是国外为满足超轻钢汽车车身(ULS AB ,ultra -light steel aut omobile body )计划而研发的新一代钢.高锰TR I P /T W I P 钢的特点是有较高的强度和延伸率,较低的屈强比及良好的成形性能,并具有很强的能量吸收能力.Grassel 和Fr o mmeyer 等研究者发表了Fe -(15-30)Mn-3A l -3Si 系统的研究结果[1,2].近年来,国内外的其他一些研究者也在高锰T R I P 和T W I P 钢的组织性能及成分设计方面进行了研究[3～7].虽然对高锰TR I P /T W I P 钢已经进行了较为广泛的研究,但当高锰钢中T R I P 和T W I P 两种效应同时存在时,对其变形行为和组织演变的分析还不多,尤其是对不同变形阶段高锰钢组织性能之间关系的研究更为有限.本文研究锰质量分数为2318%的T R I P /T W I P 钢在单轴拉伸下的变形特性,通过对其应力应变曲线的分析以及在不同变形量时微观组织的观察,得出其组织性能之间的关系及强化机制.1 实验材料及方法实验钢采用50kg 真空中频感应炉熔炼,化学成分为:w (C )=0106%,w (Mn )=2318%,w (Si )=310%,w (A l )=217%,余量为铁.铸锭经锻造加工成40mm 厚的锻坯,然后加热至1150℃保温2h,热轧成315mm 厚的板材,经线切割加工成拉伸试样,再加热到1100℃保温1h 后水淬.在C MT5105型微机控制电子万能实验机上对试样进行不同变形量的拉伸实验,应变速率为10-3/s .分别将实验钢拉伸到变形量为4%,10%,20%,50%及拉断.将拉伸试样用砂纸打磨,经抛光、腐蚀后利用OLY MP US GX51光学显微镜观察分析试样的金相组织,采用透射电境(TE M )对试样显微组织进行观察,结合X 射线衍射分析晶体结构.2 实验结果211 实验钢的力学行为试样进行拉伸得到的应力应变曲线如图1所示.由图可以看出,该实验钢的屈服强度约为300MPa,抗拉强度可达610MPa .断裂延伸率可达到63%.屈强比为0149.从图中可以看出实验钢没有明显的屈服点,呈连续屈服.应变硬化指数n 值较高,达到0148.图1 实验钢的工程应力-应变曲线F i g 11 S tre s s -stra i n re l a ti o n sh i p o fthe e xp e ri m en ta l s te e l212 实验钢变形过程中的组织演变实验钢经过固溶处理后,奥氏体晶粒比较粗大,组织中存在着大量退火孪晶(图2(a )).变形程度较小时,微观组织变化不大(图2(b )).随着变形量的增加,晶粒内出现形变孪晶,且所占比例不断增加(图2(c )和(d )).当试样拉断时,实验钢的原始奥氏体晶界已较模糊(图2(e )).图3为试样拉伸不同变形量的X 射线衍射图.通过X 衍射分析结果可知,实验钢在拉伸前主要为奥氏体组织和极少量密排六方马氏体组织.拉伸变形初期组织基本不发生变化;而在变形后期,除了基体奥氏体相之外,还出现了一定量体图2 实验钢不同变形量的光学显微组织(OM )F i g 12 M i c r o s truc tu re s o f the exp e ri m e n ta l s te e lde f o r m e d t o d i ffe re n t exte n t(a )—0;(b )—4%;(c )—20%;(d )—50%;(e )—拉断991第3期 张淑娟等:2318%Mn T R I P /T W I P 钢的组织性能及强化机制图3 实验钢拉伸前及不同变形程度组织的X 射线衍射图F i g 13 X -ray sp ec tra o f the e xp e ri m en ta l stee l p ri o r t o and a fte r te n s il e te s ti ng(a )—0;(b )—10%;(c )—50%;(d )—拉断心立方马氏体相.这说明在拉伸过程中发生了TR I P 效应,即部分面心立方的奥氏体转变为体心立方的马氏体.因此,结合金相显微分析和X 射线衍射结果可以得出实验钢在拉伸过程中同时发生了T W I P 效应和T R I P 效应.且实验钢在变形初期以T W I P 效应为主,而随着变形过程的进行,T R I P 效应逐渐明显.图4 实验钢拉伸后的微观组织(TE M )F i g 14 M i c r o struc tu re s o f the e xp e ri m en ta lstee l a fte r te n s il e te sti ng (a )—20%;(b )—拉断图4为实验钢拉伸后的透射电镜照片,从中可以看到有形变孪晶的存在,也说明实验钢在拉伸过程中发生了T W I P 效应.从图中可以看到不同方向的孪晶,说明在一个奥氏体晶粒中不只开动一个孪生系统.文献[8]也给出了的类似结果.另外,在透射电镜照片中还可观察到大量位错的存在,说明在变形过程中位错滑移也起着重要的作用.3分析与讨论对Fe -(15～30)Mn -3A l -3Si 系统的研究中发现[1,2],当w (Mn )<15%时,TR I P 效应占主导地位;当w (Mn )≥25%时,只有T W I P 效应发生.而当w (Mn )在15%～25%之间时,两种效应同时存在.本文研究的w (Mn )=2318%高锰钢应以T W I P 效应更为显著.02材料与冶金学报 第8卷在所研究的高Mn钢中,退火孪晶的宽度与晶粒尺寸相近,因此只能提供有限的孪晶界面,退火孪晶对实验钢力学性能的贡献仅仅是细化基体晶粒的作用.由于实验钢原始奥氏体晶粒尺寸较大,退火孪晶的宽度也较宽,实验钢的屈服强度并不很高.且退火孪晶界面在变形过程中是稳定的,不能再生.在变形过程中,变形诱发了大量的形变孪晶,形变孪晶均匀分布于整个试样中,其宽度远远小于退火孪晶,为高应变区提供了足够的界面,对位错的进一步运动构成了障碍,极大地提高了塑性形变的阻力,使流变应力增加.同时,多个孪晶系统的开动,进一步提高了对位错运动的阻力.在高锰钢的变形过程中,形变孪晶的形成是一个连续的过程,因此会不断形成新的界面,阻碍位错的运动,使流变应力不断增加.同时,T W I P效应的发生也延迟了缩颈的发生,提高了实验钢的塑性.与此同时,在所研究的实验钢中,还发生应变诱发马氏体相变(T R I P效应),对材料的强度和塑性的提高也起到一定的作用.实验结果表明应变诱发马氏体在变形初期不明显,随着变形过程的进行,应力集中逐渐增强,满足了诱发马氏体的应力条件,马氏体的增加使实验钢变形后期的强度增加.此外,位错也会与形变孪晶和马氏体相互作用,对实验钢强度的提高做出贡献.形变孪晶、马氏体的形成、位错滑移及其它们三者之间的相互作用使实验钢具有较高的抗拉强度.从实验结果中可以发现,在高锰钢中,T W I P效应、T R I P效应以及它们与位错的相互作用是主要的强化机制,Mn的固溶强化作用已退居其次.已有研究者对不同合金元素含量的高锰TR I P和T W I P钢拉伸时的力学行为进行了研究,表明这些钢在变形过程中可分为不同的阶段,各阶段的应变硬化机制不同[9,10].也有研究者定量测定了变形前后的组织分量[2].在本研究中,根据应力应变曲线的特征和组织分析,可将实验钢的拉伸变形过程分为3个阶段:弹性变形、T W I P 效应为主和TR I P效应为主的阶段.本文所研究实验钢的塑性明显优于一般的汽车用钢,且其屈服强度低,抗拉强度高,即具有较低的屈强比和高的应变硬化指数,同时变形呈连续屈服行为.这些优异的性能均有利于板料成形.可见,高锰T R I P/T W I P钢作为新一代汽车材料具有良好的应用前景.4 结 论(1)Mn含量为2318%的TR I P/T W I P钢的屈服强度约为300MPa,抗拉强度可达610MPa.最大延伸率可达到63%.实验钢拉伸变形时没有明显的屈服点,呈连续屈服.具有较高的应变硬化指数,n值约为0148.(2)在所研究实验钢中,同时存在TR I P和T W I P效应.其拉伸变形过程可分为3个阶段:弹性变形,T W I P效应为主和T R I P效应为主的阶段.在变形初期,主要强化机制为应变诱发孪生.应变诱发马氏体主要在变形后期出现.同时,形变孪晶、马氏体及与位错的相互作用也对强度做出贡献.致谢:本文作者感谢国家大学生创新性实验计划的资助.参考文献:[1]G rassel O,Kruger L,Fromm eyer G,el at.H igh strength Fe-M n-(A l,Si)TR IP/TW IP steels developm ent-p roperties-app lication[J].International Journal of Plasticity,2000,16:1391-1409.[2]Fromm eyer G,B rux U.M icrostructu res and m echan icalp roperties of h igh-strength Fe-M n-A l-C light-w eigh tTR IPLEX steels[J].Steel research in t,2006,77(9-10):627-633.[3]R intaro U eji,Ken ji H arada,N oriyuki Tsuch ida,et al.H ighs 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罗扬-河钢集团汽车用钢轻量化及特殊钢定制化产品应用
目录CONTENTS汽车用钢概述1车身轻量化解决方案24展望特殊钢定制化产品应用3目录CONTENTS汽车用钢概述1车身轻量化解决方案24展望特殊钢定制化产品应用3承德唐山石家庄邯郸生产基地及产线u 河钢集团总部位于河北省石家庄市，拥有20余家子分公司，具备5000万吨世界先进水平的优质钢铁产能，集团连续八年跻身世界500强u 集团拥有唐山、邯郸、承德、宣化和石家庄5大汽车用钢生产基地，生产线30余条，国内外研发平台20余个，主供的客户遍布全球100余家主机厂及零配件厂。
宣化2010汽车用钢产量得到用户初步认可，总产量30万吨获得用户肯定，总产量达到50万吨2012汽车用钢产量产量突飞猛进，总产量达到200万吨2014汽车用钢产量新产线建成稳定生产，总产量达到450万吨2016汽车用钢产量2018汽车用钢产量市场拓展，总产量达到725万吨汽车用钢产量情况19923445257072501002003004005006007008002014年2015年2016年2017年2018年河钢集团2010-2018年汽车用钢产销量趋势量比例研发平台——开发、合作、共赢国内技术合作平台国际技术合作平台集团研发平台•2个省级产业技术研究院•9个CNAS认可理化实验室•3个国家认定企业技术中心•5个省级认定企业技术中心已运营5个客户研发中心•河钢—国能汽车•河钢—海尔等•正在建立3个客户研发中心•河钢—山桥轨道用钢•河钢—河北先进金属材料等客户研发中心河钢产品•汽车钢生产装备技术•汽车钢产品质量技术•汽车钢应用技术研究河钢市场•计算机模拟仿真技术•轻量化用户服务技术•零件/整车性能评价技术支撑技术服务冷轧及涂镀汽车板进展汽车板产品包括7个系列，牌号全覆盖7/10071020304050HFHF IF 钢BH 钢DQ C-Mn C-Mn HSLA HSLAHSLA DP DP DPDPDPTRIP TRIPDPMs Ms Ms Ms Q&PQ&PTWIP中MnFB FB 第二代汽车用钢第三代汽车用钢TWIP伸长率/%抗拉强度/MPa8特殊钢包括10个系列，1000余个牌号特殊用产品进展10/10009汽车用钢认证及市场情况9Ø汽车板材Ø汽车特殊钢目录CONTENTS汽车用钢概述1车身轻量化解决方案24展望特殊钢定制化产品应用3车身轻量化实施路线车身轻量化路径材料轻量化工艺轻量化结构轻量化框架轻量化边界轻量化高强钢铝合金镁合金复合材料拼焊冷/热成形辊压链模截面优化形状优化零件数量传力路径环状结构接头优化车型尺寸车型配置车型性能轻量化服务合作机制轻量化要求与原则成本性能重量l 节能、环保、安全、法规l 合适的材料用到合适的地方l 平衡重量、成本与整车性能白车身轻量化材料-河钢超高强钢方案上车体下车体高强热轧酸洗系列热冲压成形系列冷弯成形系列冷冲压成形系列l DP450-DP1180l TRIP600-1180l MS980、MS1180l第三代汽车钢l HSLA（CR340-800LA）l 高屈服DP780-DP1180l MS980-1500l 第三代汽车钢l 22MnB5l 30MnB5l 27MnCrB5l Al-Si镀层l 扩孔钢HB590-780l 大梁钢420-710Ll 结构钢QSTE340-690白车身轻量化材料-河钢深冲钢方案覆盖件烘烤硬化钢高强IF钢l CR180BH、HC180BD+Zl CR220BH、HC220BD+Zl CR260BH、HC260BD+Zl CR300BH、HC300BD+Zl CR180IF、HC180YD+Zl CR220IF、HC220YD+Zl CR260IF、HC260YD+Zl CR300IF、HC300YD+Z深冲钢系列l DC01、DX51D+Zl DC03、DX52D+Zl DC04、DX53D+Zl DC05、DX54D+Zl DC06、DX55D+Zl DC07、DX56D+Z替换轻量化轻量化思路高表面质量板l表面质量控制技术l精细涂层控制技术l现场质量管理体系双相钢l CR250/450DPl HC250/450DPD+Z开发应用白车身轻量化材料-铝硅热冲压镀层方案轻量化部位：防撞梁、A/B柱、上边梁等•抗高温氧化：950℃保持5min •冷/热成形镀层不开裂•耐高温与热成形性有机统一•具有较好的耐腐蚀性自主专利技术材料方案牌号轻量化目标优势铝硅镀层产品TS1500HS+AS10-30%•回弹小•尺寸精度高•表面质量好被替代用材1GPa DP/MS钢l T1500HS+AS l T1800HS+AS l T2000HS+AS白车身轻量化材料-高耐蚀镀层钢板方案汽车用Zn-Al-Mg产品技术•Al%≤3%,Mg%≤2%，适合成形与焊接•耐蚀性能是热镀锌板的5倍以上•切口保护性•良好焊接性能•成形性能优于GI、GA推广应用的零部件：面板、结构件等DC51D+ZM DC52D+ZM DC53D+ZM深冲系列S250GD+ZMS350GD+ZMS450GD+ZM S550GD+ZMHC260LAD+ZM HC300LAD+ZM HC340LAD+ZM高强度低合金HCT450X+ZM HCT500X+ZM HCT590X+ZM双相钢方案汽车面板汽车内板结构件优势锌铝镁DC51D+ZM ～DC53D+ZM HC180YD+ZM ～HC260YD+ZM S250GD+ZM ～S550GD+ZMHC260LAD+ZM ～HC340LAD+ZM HCT450X+ZM ～HCT590X+ZM •耐蚀性提高5倍以上•降低封蜡、涂漆要求被替换材料DC51D+Z ～DC53D+Z HC180YD+Z ～HC260YD+ZS250GD+Z ～S550GD+ZHC260LAD+Z ～HC340LAD+Z HCT450X+Z ～HC590X+Z高强IF钢结构钢HC180YD+ZM HC220YD+ZM HC260YD+ZMl 轻量化选材依据l 结构轻量化支撑l 框架轻量化支撑l边界轻量化支撑轻量化应用技术-材料数据库方案轻量化设计工艺轻量化模具开发轻量化评估l 成形性能评估l 成形方案选择l 成形设备选型l成形工艺优化l 模具截面设计l 模具校核l 模具试模l 碰撞l 压溃l 疲劳l 轻量化系数l减排效果基本性能力学性能、大生产数据使用性能成形极限、焊接、涂装服役性能动态力学、疲劳Ø河钢唐钢仿真实验室Ø河钢邯钢仿真实验室Ø河钢钢研仿真实验室仿真实验室Ø中国汽车技术研究中心Ø天津国家超算中心Ø燕山大学Ø昆士兰大学Ø伍伦贡大学仿真平台建设合作单位逆向重构冲压仿真轻量化应用技术-仿真平台建设轻量化应用技术-材料连接技术方案目标：优化超高强钢、异种材料、镀层钢板的连接工艺，满足连接接口、零件以及整车性能要求。
TWIP钢简介
延迟断裂
TWIP钢
加工硬化高, 极限深冲比约为 2.1 对于氢的高溶 & 低扩散
残余应力 应力上升 深冲
TWIP相比同等强度级别的AHSS 具有更好的抗氢致延迟断裂
氢 CR & GI 大量的 合金
材料 铁素体/马氏体 (BCC) 残留奥氏体 奥氏体 (FCC)
延迟断裂
测试方法对照
40%
14
16
590DP
60%
• 与同等级的传统AHSS钢比较，具有更优秀的扩孔性
浦项孪晶诱导塑性(TWIP)钢的特性
高速拉伸性能
试样 : CR TWIP, GA 590DP
1600
True Stress (MPa)
TWIP 1.4t CRCR 980TWIP 1.4t
True Stress (MPa)
GA 590DP 1.6t
800 600 400 200 0 0.00
1400 1200 1000 800 600 400 0.0 1000/s : Extrapolation 0.1 0.2 True Strain 0.3 1000/s 500/s 100/s 10/s 1/s 0.1/s 0.001/s 0.4
• 恒压(2.268 V / 120 hrs) 0.2M 硫酸盐方案
Thermal Desorption Rate
4.0.E-08 3.5.E-08 3.0.E-08 2.5.E-08 2.0.E-08 1.5.E-08 1.0.E-08 5.0.E-09 0.0.E+00
0 100 200 300
10 -30 0 -20 -10 0 次应变(%)
• 高延伸率使材料具有优秀的成形性
9.高强度高塑性TWIP钢的组织和性能
之间关系式：
γ→ε
γＳＦ ＝２ ρＡ ∆Ｇ Ｍ
+2σ
γ →ε
《热处理》 ２ ０ ０ ６ 年第 ２ １ 卷第 ３ 期
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Ｒａｇｈｖａｎ的观察和分析结论认为高锰钢在低塑变时沿 ｛１１１｝的四个等效面演化成孪晶片， 这些孪晶片把原 奥氏体晶粒分割成越来越小的亚结构区， 他认为这 种亚结构所产生的 “晶粒碎化” 现象是高锰钢硬化 的原因。 Ａｄｌｅｒ指出硬化与变形孪晶的出现相对应， 是由于孪晶形成所对应的塑变过程使高锰钢表现出 软化效应， 而孪晶形成后则产生硬化效应， 因此高 锰钢拉伸的应力应变曲线呈锯齿状。 Ｄａｓｔｕｒ提出了 动态应变时效（ＤＳＡ）的观点， 认为Ｃ通过位错芯扩散 并在位错芯附近形成有序的Ｃ－Ｍｎ对， 应变产生时这 些有序的Ｃ－Ｍｎ对成为位错滑移从而导致硬化， 这一 观点还没有得到证实。 自Ｇｒａｓｓｅｌ和Ｆｒｏｍｍｅｙｅｒ于１９９８年正式提出ＴＷＩＰ 效应以来， 国内在这方面的研究还不是很多。 根据 公开发表的论文， 该钢的Ｍ ｎ 含量在１ ５ ％ ￣ ３ ０ ％ 之 间， Ａ ｌ 含量与Ｓ ｉ 含量在２ ％ ￣ ４ ％ 之间， Ｃ 含量极少， 在０ ． ０ １ ％ 以下。 关于最佳的成分配比， 目前还没有 达成共识， 需要进一步研究。 Ｇｒａｓｓｅｌ等人［３］ 在所研 究的Ｆｅ－Ｍｎ－Ａｌ－Ｓｉ系合金中发现， 在Ｍｎ含量大于２５％ 时， 随着Ｍ ｎ 含量的升高材料的塑性会有轻微的下 降， 他认为Ｆｅ－２５Ｍｎ－３Ａｌ－３Ｓｉ合金具有最佳的ＴＷＩＰ 效应。 通过热力学计算和Ｘ 衍射峰测定， 该合金的 ２［５］ 层错能大概为４０ｍＪ／ｍ 。 大量研究表明， Ｔ Ｗ Ｉ Ｐ钢 具有优异的力学性能， 它的强度可以达到 ６００￣１１００ＭＰａ， 断后伸长率可达６０％￣９５％， ２０℃时 ３［２］ 吸收能能够达到０．５Ｊ／ｍｍ 。 ２ ＴＷＩＰ 钢的强化机理 ２．１ ＴＷＩＰ效应的微观机理 ＴＷＩＰ（Ｔｗｉｎｉｎｇ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）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（图５ａ）。 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
课题名称TWIP钢的微合金
时间 2004. 5 ～ 2004.9 2004.10 ～ 2004.11 2004.11 ～ 2005.1
2005.2 ～ 2005.9
2005.10 ～ 2005.11 2005.12 ～ 2006.3
内容 查阅文献； 制订实验方案及开题； 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； 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；
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V
2-1 300 3 25 3 2-2
0.02
0.04~ ≤0.020 ≤30 bal ≤30
0.06
0.04
3-1 300 3 25 3 3-2
0.02 0.04~ ≤0.020 0.06
0.04
≤30 bal ≤30
300 3 25 3 4
0.01~ 0.01~ 0.04~ ≤0.020 0.03 0.03 0.06
3 25 3 0.08 0.04~ ≤0.020
≤30
0.06
bal ≤30
4# 200
3 25 3 0.06 0.04~ ≤0.020
≤30
0.06
bal ≤30
5# 200
3 25 3 0.04 0.04~ ≤0.020
≤30
0.06
汽车用TWIP钢强化方式研究进展
Material Sciences 材料科学, 2019, 9(5), 511-517Published Online May 2019 in Hans. /journal/mshttps:///10.12677/ms.2019.95065Research Progress on Strengthening Method of TWIP Steel for AutomobileQingwen Li1, Shuai Liu1*, Yifan Geng1, Zebo Yuan21College of Metallurgy and Energy, North China University and technology, Tangshan Hebei2Shougang Jingtang Iron & Steel Company, Tangshan HebeiReceived: May 6th, 2019; accepted: May 21st, 2019; published: May 28th, 2019AbstractTWIP (Twinning-induced plasticity) steels, which possess high strength and excellent ductility, have received extensive attentions as a promising candidate for next generation of automotive steel. One of the limitations of TWIP steels is their low yield strength (YS), which limits the appli-cation of TWIP steels largely. In this article, we introduced some conventional strengthening me-thods such as cold-rolling and tempering, alloying and grain refinement, which have been used in TWIP steels. Meanwhile, a few unconventional techniques, such as surface mechanical attrition treatment (SMAT) also have been developed to strength TWIP steels, and the research results are analyzed in this article.KeywordsTWIP Steel, Cold-Rolling and Tempering, Alloying, Grain Refinement汽车用TWIP钢强化方式研究进展李清稳1，刘帅1*，耿一帆1，袁泽博21华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山2首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山收稿日期：2019年5月6日；录用日期：2019年5月21日；发布日期：2019年5月28日摘要高锰奥氏体孪晶诱发塑性(TWIP)钢具有出色的强度和优越的塑性，是新一代汽车用钢的有力竞争者，受*通讯作者。
Fe_Mn_C系TWIP钢的组织和性能
132第29卷第5期2007年9月上 海 金 属SHAN GHA I M ETAL SVol.29No.5September,2007 Fe2Mn2C系TWIP钢的组织和性能代永娟 米振莉 唐 荻 江海涛 李慎升(北京科技大学高效轧制国家工程中心,北京100083) [摘要] 研究了Fe2Mn2C系TWIP钢的组织和性能,结果表明钢板经热轧-冷轧-热处理后,钢板可达到有57.3%的延伸率,480MPa的屈服强度和1140MPa的抗拉强度。
其室温组织为单相奥氏体基体并伴有退火孪晶,拉伸变形后通过XRD检测和TEM观察发生了少量的γ→α和γ→ε→α相变同时内部有大量的滑移带和变形孪晶共存。
即Fe2Mn2C系TWIP钢变形时同时有TRIP效应、TWIP效应,使钢板具有优良的力学性能。
[关键词] TWIP效应 形变孪晶 层错能 TRIP效应MICROSTRUCTURE AN D MECHANICAL PROPERTIES OFTHE Fe2Mn2C TWIP STEE LDai Y ongjuan Mi Zhenli Tang Di Jiang Haitao Li Shensheng (N ational Engineering Research Center f or A dvanced Rolling technolog y Universit y ofScience and Technology B ei j ing,B ei j ing100083,China) [Abstract] The present paper investigated microstructure and mechanical properties of the Twinning In2 duced Plasticity(TWIP)Fe2Mn2C steel.The results showed that after hot2rolling2cold rolling2heat treatment, the steel had excellent mechanical properties:the tensile strength of the steel is about1140MPa and the yield strength is higher than480Mpa,while the elongation is above57.3%.The microstructure is composed of aus2 tenitic matrix and annealed twins at room temperature.After deformed,the phase transformation ofγ→αand γ→ε→αwere checked by XRD.At the same time,a amount of glide band and deformed twins were observed by TEM.That is to say the TRIP and the TWIP deform mechanisms play a role during deformation and result in excellent mechanical properties.[K ey Words] TWIP Mechanism,Deformed Twin,Fault Energy,TRIP Mechanism1前言TWIP钢是国外最近几年为满足UL SAB计划需求开发的高强度、高塑性新型钢种,TWIP 钢的成分通常主要是Fe,添加质量分数为15%～30%的Mn,并加入一定量的Al和Si,也有再加入少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti、Nb等。
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第二代先进高强钢TWIP钢在车身典型零件上的应用1. 绪论- 引言- 研究背景- 目的和意义2. TWIP钢的特点- TWIP钢的组织结构- TWIP钢的力学性能- TWIP钢的腐蚀性能3. TWIP钢在车身零件上的应用- 车身安全性能需求- TWIP钢在车门、车顶和车身横梁等零件上的应用案例- TWIP钢在节油减排中的应用4. TWIP钢的制备技术- TWIP钢的加工方法- TWIP钢的合金化- 熔炼、轧制和热处理工艺5. TWIP钢的未来发展- TWIP钢应用的前景- TWIP钢与其他先进高强钢的比较- TWIP钢的发展趋势及面临的挑战6. 结论- TWIP钢的优点和局限性- TWIP钢在车身零件上的应用前景- TWIP钢的未来发展趋势第一章：绪论1.1 引言近年来，随着车辆行驶速度和市场竞争的不断提高，汽车工业对材料性能和质量的要求也越来越高。
汽车零件的材料性能直接影响着汽车制造和使用过程中的安全性、可靠性和寿命等方面。
高强钢材料因其优异的力学性能、强大的耐久性和良好的加工性能成为汽车行业的研究和应用热点之一。
第二代先进高强钢TWIP钢（Twinning-Induced Plasticity steel）因其具有优异的强度、韧性和塑性等特点，成为汽车行业的一种理想材料。
本文将以TWIP钢在车身典型零件上的应用为例，归纳总结TWIP钢的特点、应用和未来发展方向。
1.2 研究背景随着汽车行业快速发展，车辆重量的不断增加成为了一大难题。
车辆重量增加不仅对燃油经济性、排放限制产生负面影响，而且还影响了车辆的性能和安全性。
为了满足节能减排和安全性要求，汽车制造商需要寻找新型材料以替代传统的低强度、低密度金属材料。
第二代先进高强钢TWIP钢是一种在日本于上世纪90年代中期发明的新型钢材。
该材料由于其特殊的微观组织结构和塑性变形机制，成为汽车工业和材料科学研究领域的研究热点。
TWIP钢能够在保持高强度的同时具备较好的韧性和塑性，满足了汽车行业对轻量化、强度和安全等多方面的需求。
1.3 目的和意义本文旨在探讨TWIP钢的特点、应用和未来发展，以期为汽车行业和材料科学研究提供参考和指导。
本文主要从以下几个方面进行深入分析和讨论：- TWIP钢的特点：通过归纳总结TWIP钢的组织结构、力学性能和腐蚀性能等特点，为后续分析TWIP钢在车身零件上应用的基础。
- TWIP钢在车身零件上的应用：围绕车身安全性能需求，总结TWIP钢在车门、车顶、车身横梁等零件上的应用案例，并分析TWIP钢在节油减排中的应用。
- TWIP钢的制备技术：介绍TWIP钢的加工方法、合金化、熔炼、轧制和热处理工艺等制备技术。
- TWIP钢的未来发展：探讨TWIP钢应用的前景、与其他先进高强钢的比较、发展趋势及面临的挑战等。
第二章：TWIP钢的特点2.1 TWIP钢的组织结构TWIP钢是一种由铁、碳、锰、硅等元素组成的合金钢。
TWIP钢的组织结构是一个由固溶体和高密度堆垛薄晶体相混合的复合结构。
高密度堆垛晶体能够在TWIP钢的形变过程中形成孪晶带，提高了TWIP钢的塑性。
同时，高密度堆垛晶体与固溶体的复合结构具有良好的强度和韧性，使得TWIP钢的力学性能得到了优化。
2.2 TWIP钢的力学性能TWIP钢的力学性能显著优于传统的高强度低合金钢。
TWIP钢具有良好的屈服强度、断裂强度和塑性。
且在低应变速率下，TWIP钢的塑性远远高于传统的高强度低合金钢。
例如，机械和疲劳实验都表明，TWIP钢的极限拉伸强度比同类高强度钢提高30％以上，极限延伸率也比同类高强度钢提高了2至3倍。
2.3 TWIP钢的腐蚀性能TWIP钢还具有良好的抗腐蚀性能。
在氯化物或硫酸盐溶液中，TWIP钢的腐蚀性能比其他高强度钢材料更好。
TWIP钢也能够在海水环境下表现出优异的防腐性能，这是其在船舶和海上结构中应用的一个潜力领域。
第三章：TWIP钢在车身零件上的应用3.1 车身安全性能需求随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，社会对汽车安全性的要求越来越高。
因此，要求汽车行业在车身零件设计和制造方面精益求精。
同时，为了满足能源保护和环境要求，车辆减重又成为了当前汽车制造业的重点方向。
在这种背景下，降低车身零部件自重和提高其强度是开发轻量化车身零件的重要途径。
3.2 TWIP钢在车门、车顶和车身横梁等零件上的应用案例在现代汽车生产中，车门、车顶、车身横梁等车身结构件显得非常重要，这些零件对车辆的安全性能有着决定性影响。
TWIP钢由于其高强度、高延展性、高韧性和良好的冲压性，成为车门、车顶和车身横梁等零件上的理想材料。
TWIP钢的高强度和韧性使得在不同类型的碰撞中，车身吸收撞击能量的能力更强，从而保护乘客。
这减小了因碰撞而造成的车辆结构损伤面积，从而为车辆的维修和修复提供了更大的空间和余地。
3.3 TWIP钢在节油减排中的应用TWIP钢的应用还能通过降低汽车车身总重量，帮助减少油耗并降低车辆排放。
车身重量的降低将使发动机在驱动车辆时所需的动力减少，从而减少燃料消耗和排放。
TWIP钢的高强度和延展性允许使用更薄的钢板来替代传统的钢板，从而降低了车身重量，并降低了零部件的成本。
TWIP 钢的轻量化特性还有助于提高车辆的操控性和驾驶品质，为消费者带来更好的驾驶体验。
总之，TWIP钢的应用可以提高车身结构的强度和耐用性，从而提高车辆的安全性能，降低汽车重量和油耗，减少CO2排放，有着广泛的应用前景，受到了汽车制造商和材料科学研究者的高度关注。
参考文献：1. J. Shang，D. W. Brown， and D. R. Watts. An Assessment of High Performance Steels for Automotive Applications. SAE International Journal of Materials and Manufacturing, 6(3):423-432(2013).2. C. Huang, F. Wang, and X. Xue. Application on Automobile Forging Parts of Twinning-Induced Plasticity Steel. Applied Mechanics and Materials, 508:50-53(2014).3. D. Zhang, L. Gao, and W. Ke. Mechanical behavior, deformation mechanism and strengthening strategy of high-entropy alloys: A review. Materials Science and Engineering: R: Reports, 139:100-131(2019).第四章：TWIP钢的制备技术4.1 加工方法TWIP钢加工时的残余塑性高于一般的高强度钢材料，因此，可以采用更为轻松和简便的加工方式。
那么，TWIP钢的加工方法有哪些呢？首先，TWIP钢可以采用常规的钢材加工方法，如精密切割、钻孔、铣削、磨削、车削等。
需要注意的是，加工速率要适当，避免高应变速率引起的变形和裂纹。
其次，TWIP钢的挤压加工可以使其成形的纹理性能得到改善，提高其力学性能。
挤压加工可分为冷挤压和热挤压两种方式。
尽管两种方法都可用于TWIP钢材料的加工，但热加工通常用于较厚的铸件和板材，而冷挤压加工用于薄材料和精密零部件的制造。
还可以采用冲压加工，制造车身和底盘零部件的预制件。
其常用的模具设计包括单击、复合和深冲等。
冲压加工需要考虑TWIP钢材料的硬度较高和耐磨性较好的特点，可以选择采用先进的切削工具或特殊的表面喷涂材料。
最后，TWIP钢还可以采用热成形技术，如热轧、热挤压和热冲压等方式。
这些方法需要对TWIP钢材料进行加热处理，以改善其塑性和参与形变的能力，同时形态恢复力比它硬度更大。
由于极高的成本，这些技术通常用于特殊目的，例如制造高强度低密度材料或较大厚度板材。
4.2 合金化TWIP钢的重要特点之一是其特殊的组织结构，其中的高密度堆垛薄晶体是其组织结构形成的关键。
而TWIP钢的合金化是通过加入铁之外的其他元素来实现的。
常见的元素包括锰、硅、铬、钨和钼等。
锰是一种重要的合金元素，可以与TWIP钢中的铁形成MnFeC的固溶体或MnS薄层组分。
与TWIP钢中其他元素相比，锰是最主要的元素，对TWIP钢的强度和韧性贡献最大。
硅和铬也常用于TWIP钢的合金化，使TWIP钢具有更好的防锈和耐腐蚀性能。
钨和钼等元素可以改变TWIP钢中的孪晶结构，影响TWIP钢的延展性和塑性。
这些元素对TWIP钢的机械性能的影响不如锰显著，但可以通过选择适当的合金元素组合，来调节TWIP钢的力学性能和腐蚀性能。
4.3 熔炼TWIP钢的熔炼工艺决定了其物理和化学性质，它是制备TWIP钢的重要环节。
TWIP钢通常是通过电渣重熔、真空炉熔炼或无氧气炉熔炼等方法制备的。
电弧重熔是一种传统的钢材制备方法，非常适合于钢的合金化。
在这种方法中，弧光产生高温，在具有合适组成的熔化剂的作用下，钢材已经开始合成、清炼和液化。
同时，也可以引入合适的气体混合物以保持特定的熔体成分。
真空熔炼技术可以降低钢材制备过程中的气体和杂质含量，更适用于制备高品质的TWIP钢制作，其原理是加热将钢材熔化，在真空中进行维持某个压力的冷却，从而得到纯净的TWIP钢。
最近，无氧气炉熔炼成为TWIP钢的制备方法之一。
无氧气炉比传统的炉子熔炼更优越，可以得到更纯净、组织更加均匀的TWIP钢。
无氧气炉的原理是将煤粉、空气等物质从炉子中排出，以防止生成氧气的反应，它能够使原材料的纯度增加，从而制造出高质量的TWIP钢产品。
4.4 轧制TWIP钢的轧制方法包括常规钢轧制和热轧，其中常规轧制用于许多加工工序中，而热轧是将加热后的钢板通过轧辊传动来形成薄板的过程。
在TWIP钢轧制过程中，其中的高密度堆垛晶体对于材料的变形和应力分配起到了关键作用。
轧制过程实际上是一种塑性加工，可以通过一定的材料试验来确定最佳的轧制参数。
TWIP钢材料在常规轧制中的流变行为和材料的加工硬化规律与常规低合金钢材料。