課題名稱twip鋼的微合金知識分享

課題名稱TWIP鋼的微合金課題背景和意義在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，能源和環(huán)境問題已成為不可回避的重大社會課題。汽車的減重（輕型化）是降低油耗的重要途徑。為減輕車體重量，大量采用高強(qiáng)度鋼板已成為必然的趨勢。研究開發(fā)一系列替代現(xiàn)有產(chǎn)品的汽車用高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度、高塑性和高成形性的新鋼種，如DP（雙相）鋼、TRIP鋼、TWIP鋼和含B超強(qiáng)鋼等。其中的TWIP鋼以其優(yōu)良的性能被作為最有前途的品種之一。課題來源本課題是教育部博士點基金項目《新一代汽車用高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的研究與開發(fā)》的子項目。文獻(xiàn)綜述TWIP鋼概述TWIP鋼中合金元素的作用稀土元素在鋼中的應(yīng)用微合金化元素Nb、V、Ti在鋼中的應(yīng)用鋼中稀土與鈮、釩、鈦等微合金元素的作用TWIP鋼生產(chǎn)工藝國內(nèi)外TWIP鋼的研究發(fā)展?fàn)顩r

TWIP鋼—（TwiningInducedPlasticity）稱為孿晶誘發(fā)塑性鋼。TWIP鋼的成分以低碳高錳鋼為基體，并添加一定量的合金元素Al和Si。TWIP鋼在無外加載荷時，在室溫下的組織是穩(wěn)定的殘余奧氏體，在這些γ-奧氏體內(nèi)有少量的退火孿晶。當(dāng)處于外部載荷作用狀態(tài)時，由于形變誘導(dǎo)可以產(chǎn)生大量的形變孿晶。這種鋼具有極高的塑性指標(biāo)（最大延伸率可達(dá)95％）和高的強(qiáng)度（600-800MPa），高的應(yīng)變硬化率，對沖擊能量的吸收程度是現(xiàn)有高強(qiáng)鋼的兩倍。圖2力學(xué)性能與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線圖1力學(xué)性能與試驗溫度的關(guān)系曲線TWIP鋼的力學(xué)性能圖1力學(xué)性能與試驗溫度的關(guān)系曲線TWIP鋼中合金元素的作用通常層錯能比較低的fcc在變形過程中會出現(xiàn)形變孿晶。Mn

在高錳鋼中Mn是穩(wěn)定奧氏體的主要元素,可擴(kuò)大

γ相區(qū)。使鋼在室溫下仍為奧氏體組織。Al

加入Al會增加堆垛層錯能,而抑制γ→ε相變,有利于產(chǎn)生變形孿晶。Si

加入Si會降低堆垛層錯能，可穩(wěn)定γ→ε相變。

C、N元素以間隙原子的形態(tài)存在于鋼中，是釘扎位錯和阻礙位錯滑移的主要元素。由于C、N的間隙固溶作用，提高了高錳鋼形成層錯的可能性，使鋼的冷加工硬化性增強(qiáng)。微合金化鋼的概念“微合金化”是指這些元素在鋼中的含量較低，通常低于0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。與鋼中不需要的殘余元素不同，微合金化元素是為改善鋼材的性能有目的地加入鋼中的，合金化元素主要影響鋼的基體，而微合金化元素除了溶質(zhì)原子的拖曳作用外，幾乎總是通過第二相的析出而影響鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)。稀土在鋼中的作用

凈化作用稀土有脫氧、脫硫的作用。可以抑制磷、硫等低熔點雜質(zhì)在晶界上偏聚。變質(zhì)作用硫、氧等與稀土作用，生成球狀的稀土硫化物或硫氧化物,取代長條狀MnS夾雜，使夾雜變性。合金化作用脫氧、脫硫和變質(zhì)夾雜后富裕的稀土?xí)倘茉阡撝校鸬胶辖鸹饔?，有凈化晶界和固溶?qiáng)化的作用。稀土改善高錳鋼性能的機(jī)理細(xì)晶強(qiáng)化

稀土化合物在鋼液中充當(dāng)了結(jié)晶核心，稀土使高錳鋼晶粒粗化溫度提高大約100℃，可獲得較細(xì)晶粒度。晶界強(qiáng)化

稀土使鋼液得到凈化，減少了氧化物和硫化物在晶界上的析出，使晶界得以強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化

稀土在高錳鋼中的固溶產(chǎn)生晶格畸變，提高對位錯運(yùn)動的阻力而達(dá)到強(qiáng)化。質(zhì)點強(qiáng)化

稀土夾雜物顆粒細(xì)小、堅硬，對高錳鋼有質(zhì)點強(qiáng)化作用。稀土的最佳加入量稀土在鋼液中的溶解度不大，必須嚴(yán)格控制其在鋼液中的含量。若稀土元素加入量超過了與氧、硫反應(yīng)所必需的數(shù)量，則剩余的稀土將在晶界上析出，形成熔點低于軋制溫度的低熔點共晶體，熱加工時容易產(chǎn)生裂紋，加入量少了又達(dá)不到硫化物變性的作用。Nb、V、Ti在鋼中的作用阻止晶粒長大微合金鋼在鍛造或軋制前加熱時，未溶解的微合金碳氮化物質(zhì)點通過質(zhì)點釘扎晶界機(jī)制，阻止晶粒長大。阻止奧氏體形變再結(jié)晶在鍛造和軋制過程中，析出的碳氮化物沉淀在晶界和位錯上起釘扎作用，抑制再結(jié)晶過程的進(jìn)行。改變鋼的顯微組織微合金元素會固定鋼中一部分C、N，影響鋼中組織的相對量，并改變組織的分布和形態(tài)。Nb、V、Ti在鋼中的強(qiáng)化機(jī)制晶粒細(xì)化Nb、V、Ti可以有效控制鋼在加熱和變形中晶粒的長大，從而細(xì)化晶粒。對鋼起到強(qiáng)化和韌化的作用。沉淀強(qiáng)化Nb、V、Ti的碳、氮化物微粒通過過飽和固溶體而沉淀析出細(xì)小的彌散微粒分布于基體相中產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用。微合金化元素Nb在高溫奧氏體區(qū)，Nb以固溶原子的拖曳作用為主，在較低溫度的奧氏體區(qū)，以應(yīng)變誘導(dǎo)析出和未溶的Nb(CN)粒子對晶界的釘扎作用為主。Nb產(chǎn)生晶粒細(xì)化的效果最顯著。

鋼中加入0.005～0.05%的Nb能提高鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度。這是Nb細(xì)化晶粒以及沉淀強(qiáng)化的結(jié)果。

微合金化元素Ti

Ti的氮化物是在較高溫度下形成的，這種化合物只是在高溫下起控制晶粒長大作用。

含Ti量較高，在提高強(qiáng)度的同時，塑性和韌性急劇下降。當(dāng)鋼中含有微量的Ti(0.03～0.1%)并避免在TiC較多溶于奧氏體的溫度過多停留，其屈服點和屈強(qiáng)比將有所提高，同時不影響韌性和塑性。微合金元素VV的氮化物和碳化物在奧氏體區(qū)內(nèi)幾乎完全溶解，因此對控制奧氏體晶粒不起作用，但是V的化合物在γ/α轉(zhuǎn)變過程中或之后析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化。由于V具有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果，所以可提高鋼的強(qiáng)度，特別是屈服點和屈強(qiáng)比，還改善鋼的韌性?？捎肰的沉淀強(qiáng)化和Nb的晶粒細(xì)化結(jié)合使用。使鋼得到強(qiáng)化。微合金元素P磷作為殘余元素存在于鋼中，當(dāng)磷原子取代鐵原子形成置換固溶體時，則鋼得到強(qiáng)化。在諸多置換固溶體形成元素中，磷的強(qiáng)化能力最大。磷含量通常限制在0.10%以下時.磷對鋼的強(qiáng)化使延性很少惡化，對塑性應(yīng)變值r影響較小。當(dāng)鋼中P≤.06%時，它具有穩(wěn)定的小晶粒特征，稀土與微合金的相互作用合金元素會影響鋼中固溶稀土量鋼中鈮、釩、鈦均有利于提高鋼中稀土固溶量，其中以鈮作用最為顯著稀土，可以使含鈮、釩鋼中的鈮沉淀相析出數(shù)量增多，尺寸減小，彌散分布于鋼的基體中，增加微合金元素的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用TWIP鋼生產(chǎn)工藝對性能的影響

熱軋：錳奧氏體鋼的變形阻力較大，柱狀晶發(fā)達(dá)，鍛軋時易開裂。宜低溫澆注；壓下率也盡可能的?。诲i鋼的導(dǎo)熱率小而線膨脹大，應(yīng)緩慢加熱和冷卻。

水韌處理將鋼加熱到Acm以上保溫一段時間，，消除鑄態(tài)組織的偏析，奧氏體均勻化，快冷得到過冷奧氏體組織，獲得細(xì)晶，提高鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性。

冷軋冷軋壓下率為70％作用可以獲得良好的綜合性能，屈服強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，和R值達(dá)到最高奧氏體高錳鋼的強(qiáng)化機(jī)理

高密度位錯纏結(jié)理論形變孿晶機(jī)制國內(nèi)外TWIP鋼的研究發(fā)展?fàn)顩r多晶高錳奧氏體鋼中TWIP作用的結(jié)構(gòu)模型模擬TWIP機(jī)制對加工硬化的影響3.研究內(nèi)容（1）研究稀土，Nb，V，Ti和P對TWIP鋼性能的影響規(guī)律。（2）研究TWIP鋼中加入P來提高強(qiáng)度，保證塑性不降低的可能性。(3）由于采用不同的合金元素,從而研究各種成分的鋼的加工工藝參數(shù)（加熱溫度、終軋溫度、變形量、冷卻速度及冷卻方式等）的合適的方式。(4)在此基礎(chǔ)上研究TWIP鋼高強(qiáng)度，高塑性的機(jī)理化學(xué)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化學(xué)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鋼的微合金設(shè)計與優(yōu)化鋼的冶煉、鑄造TWIP鋼軋制、熱處理及工藝參數(shù)的優(yōu)化奧氏體再結(jié)晶動力學(xué)特性的研究力學(xué)性能實驗，測σb、σs、、、、及杯突性使用光學(xué)顯微鏡、SEM、TEM進(jìn)行微觀組織分析合金變化與性能變化的關(guān)系6.課題研究的重點與難點重點：（1）研究化學(xué)成分對組織狀態(tài)的影響，探討微合金化元素在TWIP鋼中的作用，分析其組織強(qiáng)化機(jī)理。（2）進(jìn)行加工工藝及其參數(shù)（變形溫度、變形速率及冷卻方式等）對孿晶形成機(jī)制與力學(xué)機(jī)械性能的影響。難點：1）由于TWIP鋼的研究開發(fā)在國內(nèi)仍屬空白，國外研究工作也處于剛剛起步階段，微合金的研究更是幾乎沒有，所以可參考的文獻(xiàn)極少；（2）TWIP鋼的形成，強(qiáng)化機(jī)理比較復(fù)雜，基礎(chǔ)的理論還不完善，微合金化元素稀土、鈮、釩、鈦、磷對TWIP鋼能否起到作用，起到多大作用，起作用的成分點還是未知。8.課題展開的進(jìn)度與安排時間內(nèi)容2004.5～2004.9查閱文獻(xiàn)；2004.10～2004.11制訂實驗方案及開題；2004.11～2005.1進(jìn)行TWIP鋼的成分設(shè)計，經(jīng)過冶煉、熱處理及軋制的工藝，進(jìn)行實驗鋼的試制；2005.2～2005.9采用金相、TEM、SEM等顯微分析技術(shù)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)的研究，分析各微合金元素對鋼材綜合力學(xué)性能的影響情況；提出TWIP鋼的優(yōu)化成分；2005.10～2005.11分析、總結(jié)實驗結(jié)果，得到鋼的優(yōu)化成分；2005.12～2006.3撰寫論文并準(zhǔn)備答辯。

7.課題研究的預(yù)期目標(biāo)通過對鋼的成分優(yōu)化，使鋼的性能指標(biāo)達(dá)到國外樣品水平:強(qiáng)度600－800MPa塑性90%－95%8.課題展開的進(jìn)度與安排

時間內(nèi)容2005.09～2004.10查閱文獻(xiàn)；2005.10～2005.11制訂實驗方案及開題；2005.11～2006.01初步制定各個合金成