汽车用TWIP钢强化方式研究进展

Research Progress on Strengthening Method of TWIP Steel for Automobile

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，受到人们广泛关注。但是TWIP钢屈服强度较低，限制了它的广泛应用。近年来，国内外科研工作者尝试通过各种手段来进一步提高TWIP钢的强度。本文介绍了冷轧结合回火、合金化、细晶强化等传统强大手段以及表面机械研磨(SMAT)等新式强化方式在TWIP钢中的应用以及取得的一系列研究成果。

Abstract: TWIP (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 application of TWIP steels largely. In this article, we introduced some conventional strengthening methods 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.

1. 引言

随着汽车工业的快速发展，对汽车轻量化设计、节能环保和安全性能等方面都提出了更高的要求，同时也对汽车用钢铁材料提出了新的挑战。在此背景下，高锰奥氏体孪晶诱发塑性(Twinning-Induced Plasticity, TWIP)钢应运而生 [1] [2] 。TWIP钢一经问世，便以其较高的强度(UTS ≥ 800 MPa)、出色的塑性(δ ≥ 60%)，良好的成型性和优良的撞击能量吸收能力受到人们广泛关注，并且被认为是新一代汽车用钢的有力竞争者 [3] [4] 。虽然TWIP钢综合力学性能出色，但是其屈服强度较低(~300 MPa)大大限制了TWIP钢的应用范围 [5] 。所以近年来，TWIP钢研究领域的一个主要研究方向，就是尝试通过各种手段，保持其塑性不变或者损失少量塑性的前提下，来进一步提高TWIP钢的强度。所应用的强化手段主要有冷轧结合回火、合金化、细化晶粒等传统手段以及扭转、表面机械研磨(SMAT)等新式的强化技术，并且获得了一系列研究成果。本文主要归纳了以上强化方式对TWIP钢力学性能的影响，分析各种手段的优缺点，希望通过以上总结对TWIP钢的实际生产及应用提供借鉴依据。

2. 冷轧 + 回火

在钢铁材料领域，对材料进行预变形处理，是提高其强度的一种有效方式 [6] 。由于TWIP钢拥有足够好的塑性，即使在经过一定量的变形处理后，获得更高强度的同时也能保留较好的成型性。TWIP钢经不同程度的轧制处理后屈服强度大幅度提高，但是这种强化手段也存在一些问题，比如会导致TWIP钢塑性降低，加工硬化能力减弱，材料中形成变形织构造成材料性能的各向异性等。这些问题可以通过冷轧后进一步的回火来进行改善。但是回火温度要严格控制，回火温度过高使材料发生再结晶时，冷变形带来的高强度将会消失。Dini [7] 和Kang等人 [8] 的研究结果表明，冷轧TWIP钢经550℃以下回火处理后材料屈服强度的牺牲较小，材料并没有发生再结晶现象，冷变形过程中产生的形变孪晶能够保留下来，这是其强度降低幅度较小的主要原因。Bouaziz等人 [9] 研究了Fe-22Mn-0.6C钢经过冷轧结合高温退火后的显微组织，将冷轧50%后的试样进行625℃-120 s保温处理并利用TEM进行观察发现，试样发生部分再结晶，在未再结晶部分依然保存了形变孪晶组织。说明在室温下通过冷轧获得的形变孪晶组织在达到再结晶温度以前都是稳定的。

Bouaziz等人 [9] 的研究中还对冷轧退火处理后的钢板从轧向和截面方向切取试样进行拉伸测试，结果发现两个方向切取的试样力学性能相近，说明通过退火处理明显改善了预变形试样各方向性能不同的缺点。同时，屈服强度从未退火时的1600 MPa下降到1200 MPa，均匀延伸率从2%上升到8%，可见TWIP钢在625℃以下进行退火处理时，能够在不大幅损失材料屈服强度的前提下获得一定的加工硬化能力。Scott等人 [10] 对Fe-22Mn-0.6C和Fe-17Mn-0.9C-0.3V钢进行了系统研究，以探寻轧制与回火处理工艺的最优匹配。对两种钢进行不同轧下量的轧制后，分别在350℃、400℃、500℃三种温度下保温1 min、30 min、60 min进行退火处理。将这些不同轧制退火处理后试样的拉伸性能整理在图1中，整体来看，随着退火温度升高屈服强度降低，延伸率升高。对于轧下量较小的试样，改变退火温度对其塑性影响不大。但是对于大轧下量试样而言，能够通过后续的退火处理恢复将近15%的塑性，同时保持屈服强度高于1000 MPa。

Figure 1. Tensile strength versus elongation of Fe-22Mn-0.6C and Fe-17Mn-0.9C-0.3V after various cold-rolling reductions followed by three recovery treatments [10]

图1. Fe-22Mn-0.6C和Fe-17Mn-0.9C-0.3V钢经不同程度冷轧回火处理后的拉伸性能 [10]

3. 合金化

在钢铁材料中添加合金元素产生固溶强化以及析出强化，是一种有效的提高材料强度的强化手段。在TWIP钢中加入Al、Cu、Si等合金元素以及V、Ti、Nb等微合金元素来改善TWIP钢的性能是现阶段一个主要的研究方向。向TWIP钢中加入Al元素可以明显降低材料的密度 [11] ，这在汽车工业中非常重要。同时Fe-Mn-C系TWIP钢存在非常明显的氢脆现象，Park等人 [12] 的研究表明，向TWIP钢中添加A1元素能够在材料表面形成致密的A1₂O₃层，从而抑制H向TWIP钢中扩散，从而提高TWIP钢抵抗氢致延迟断裂的能力。更多的研究集中在Al元素对TWIP钢层错能以及拉伸变形行为的影响上。Park等人 [13] 研究了向Fe-22Mn-0.6C钢中添加Al元素对层错能以及变形组织演化的影响，结果显示，随着Al元素的添加，层错能明显提高，导致孪晶临界应力升高，TWIP钢中形变孪晶的生成受到抑制，位错滑移逐渐成为主要变形机制。Jin等人 [14] 系统研究了Al元素对TWIP钢拉伸变形行为的影响，结果发现：随着Al元素的添加，在固溶强化的作用下TWIP钢的屈服强度升高，同时Al能显著抑制碳化物的析出使得含Al钢的延伸率升高(图2(a))；但是含Al钢的抗拉强度和加工硬化能力降低(图2(b))，通过微观组织观察发现TWIP钢拉伸过程中产生的形变孪晶随着Al含量增加而减少(图2(c))，这是其抗拉强度和加工硬化能力降低的主要原因。

Cu元素加入到铁基合金中，对各种力学性能指标均有明显提升。Takaki等人 [15] 的研究表明，在马氏体钢中添加Cu元素可以获得更好的强度–塑性匹配。Gonzalez等 [16] 研究了Cu对奥氏体不锈钢成型性的影响，通过添加Cu元素抑制了马氏体的生成，提升了均匀延伸率和总延伸率。然而关于Cu对TWIP力学性能影响的研究还很少。最近，Lee等人 [17] 研究了Cu对Fe-12Mn-0.7C-1.0Al TWIP钢拉伸变形行为的影响。结果表明，Cu元素的添加可以改变流变曲线上的锯齿形态，并且小幅提高奥氏体层错能延迟了形变孪晶的产生，使延伸率升高。Peng等人 [18] 研究了不同Cu含量对Fe-20Mn-1.3C钢的影响。研究发现，随着Cu元素的添加，层错能逐渐升高，TWIP钢的屈服强度和延伸率明显升高，但是抗拉强度小幅下降。

(a) (b) (c)

Figure 2. (a) Stress-strain curves, (b) strain hardening rate curves and (c) deformation twins of Fe-22Mn-0.6C steel with different Al content [14]

图2. 不同Al含量Fe-22Mn-0.6C钢拉伸的(a)应力-应变曲线、(b)加工硬化率曲线和(c)相同应变下孪晶组织照片 [14]

V、Ti、Nb微合金元素被广泛应用于HSLA、DP、TRIP等钢中，对这些高强钢的成分优化、组织控制、提高性能以及控制成本等方面都做出了重大的贡献。大量研究证明，添加微量的V、Ti、Nb元素就可以细化材料的组织以此达到显著提高强度的目的。能否通过V、Nb、Ti微合金化，提高TWIP钢的综合力学性能这一问题值得关注。张志波等人 [19] 对Fe-22Mn-0.6C-0.19V轧制再结晶处理后的拉伸变形行为的研究表明，V可以明显抑制晶粒长大，同时在固溶强化和析出强化的共同作用下明显提高TWIP钢的屈服强度。但是加工硬化曲线分析以及显微组织观察结果发现，TWIP钢中的VC第二相颗粒，在高应变阶段阻碍孪晶生长导致加工硬化能力降低。Huang等人 [20] 研究了微量Nb对Fe-20Mn-2Si-2Al钢性能的影响发现，Nb能够提高TWIP钢的层错能，抑制马氏体相变，同时起到细化晶粒的作用，由于微量Nb的加入，合金的低温力学性能明显优于传统成分的TWIP钢。Scott等人 [21] 对V、Ti、Nb等元素对TWIP钢拉伸性能的影响进行系统的研究，结果表明：随着V、Ti、Nb含量的增加，能够显著提高TWIP钢的屈服强度和流变应力；在低应变阶段(ε < 0.25)，微合金化带来的纳米析出物对TWIP钢的加工硬化行为没有明显影响，在高应变阶段(ε > 0.3)，析出物会导致TWIP钢加工硬化能力降低，同步X-射线衍射分析发现，形变孪晶的生成受到抑制；Ti在三种元素中具有最高的强化系数，在TWIP钢中当Ti含量小于0.1 wt.%时，Ti的强化系数为1380 MPa/wt.%，但是当Ti含量超过0.1 wt.%时，Ti的强化作用达到饱和。

4. 晶粒细化

晶粒细化是一种提高材料强度的有效手段。根据Hall-Petch关系，晶粒尺寸减小，材料的强度将大幅度的提高，有利于材料综合力学性能的改善 [22] [23] 。对于TWIP钢而言，除了变形过程中逐渐生成的形变孪晶(孪晶界)能够起到细化晶粒的作用(动态Hall-Petch作用)，通过改变制备工艺细化初始奥氏体晶粒也是提高TWIP钢强度(尤其屈服强度)的一种有效方法。Ueji和Dini等 [24] [25] 采用冷轧结合再结晶退火处理的方法，制备出具有一系列不同晶粒尺寸的Fe-31Mn-3Al-3Si钢并进行拉伸性能测试。实验结果显示，随着晶粒尺寸的减小，尽管TWIP钢的塑性有所下降，但是其屈服强度明显提升如图3所示。这种制备方法得到的最小晶粒尺寸为2.1 μm，在此晶粒尺寸下进行拉伸时，TWIP效应不再是主要的变形方式，但是组织观察中发现仍然存在少量形变孪晶。Bouaziz等人 [26] 对典型Fe-Mn-C系TWIP钢Fe-22Mn-0.6C的研究表明，当晶粒尺寸下降到3 μm以下时，TWIP钢的屈服强度可达到400 MPa以上，如图3所示。Lee等人 [27] 对比研究了Fe-17Mn-0.6C和Fe-31Mn-3Al-3Si两种钢晶粒细化对拉伸性能的影响，发现Fe-17Mn-0.6C细晶粒钢具高强度的同时具有比Fe-31Mn-3Al-3Si细晶粒钢更好的塑性。Gutierrez-Urrutia等人 [28] 对Fe-22Mn-0.6C钢大、小晶粒试样拉伸过程中的组织演化进行了研究，发现细晶粒Fe-22Mn-0.6C钢拉伸变形过程中依然能够产生大量形变孪晶是其具有较高塑性的主要原因。此外，经验分析认为，晶粒尺寸降低，对材料的层错能也会产生影响，进而影响TWIP钢的TWIP效应 [29] 。同类型TWIP钢发生TWIP效应的最小晶粒尺寸存在的差异，可能与合金成分的影响有关。

Figure 3. True stress-strain curves of Fe-31Mn-3Al-3Si steel at various grain size [25]

图3. Fe-31Mn-3Al-3Si钢不同晶粒尺寸的应力–应变曲线 [25]

5. 表面机械研磨(SMAT)

近年来，通过不同制备手段，得到显微组织梯度式分布的材料成为一个新的研究热点。卢珂等人在金属Ni中通过表面机械研磨(SMAT)方法，制备出由表层到心部应变量逐渐减小的梯度式分布的材料 [30] ，通过力学性能测试发现，这种并且最终获得出色的力学性能。这一强化方式也被应用到TWIP钢研究领域。Rajib等人 [31] 对Fe-10Mn-0.5C-3Ni TWIP钢进行SMAT处理，处理后的试样经组织观察发现，试样表层产生大量的形变孪晶组织和高密度位错，随着距表层的深度增加试样的变形程度减小孪晶以及位错的数量逐渐减少，如图4所示。TWIP钢经SMAT处理后试样表层形成变形较大的硬化层，这对材的强度产生很大贡献，同时心部变形较小的区域依然保持了较好的塑性，所以经过SMAT处理后的TWIP钢表现出更加优良的强度塑性匹配。

6. 结论

1) 对TWIP钢冷轧后进行回火处理能够在一定程度上消除变形织构造成的各向异性，同时提高材料加工硬化的能力，使冷轧钢板的塑性得到提升，但是由于TWIP钢中含有一定量的碳元素，所以在选择

Figure 4. Schematic figure displays the variation of twin and dislocation from surface to centre [31]

图4. 试样表层到心部的孪晶和位错分布示意图 [31]

回火温度和回火时间时一定要严格控制防止碳化物析出对材料性能产生严重影响；

2) 在TWIP钢中加入Al、Cu等改变层错能的合金元素往往会对TWIP钢中形变孪晶的产生造成影响，提高层错能将抑制形变孪晶产生，加入V、Ti、Nb等微合金元素能够在固溶强化和析出强化的作用下显著提高TWIP钢强度，但是这种析出物一定程度上会影响形变孪晶的增殖；

3) 晶粒细化能够显著提高TWIP钢的屈服强度，但是晶粒细化后在一定程度上抑制形变孪晶的产生造成塑性降低；

4) SMAT等先进的制备加工手段能够使TWIP钢由表层到心部产生梯度式分布的孪晶及位错组织，这种梯度式分布的材料同时具有较高的强度和较好的塑性，但是这种制备材料的方法还停留在实验室阶段，并不能应用于大型的工程构建，如何扩宽这种方法的应用范围，增大加工试样的尺寸是今后发展的一个主要方向。

基金项目

国家自然科学基金项目(51801063)；河北省高等学校科学技术研究项目(BJ2019018)；唐山市科技局计划项目(18130217a)。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。