150 新型铝系新型铝系 TRIP 钢的组织和性能分析钢的组织和性能分析 陈宇 武钢技术中心，武汉，430080 摘摘 要要:通过以铝部分代硅，对比分析了 0.10%C-0.5%Si-1.0%Al 钢和 0.16%C-0.5%Si-1.0%Al 钢的组织结构和拉伸性能特性 金相观察结果显示， 两种材料的金相组织存在明显差异， 与具有明显网状铁素体+数量较多的贝 氏体的 0.1%C 钢比，0.16%C 钢的金相组织为铁素体+马氏体，铁素体呈均 匀等轴分布，马氏体数量适中，对应的抗拉强度也达到了 700MPa，屈服强 度只有 335MPa，相应的屈强比只有 0.48；同时，0.16%C 钢获得体积分数 为 2.9%的残余奥氏体，因此，随着抗拉强度由 635MPa 增加到 700MPa 时， 材料的延伸率不仅没有降低，反而由 23%小幅增加到 25% 关键词：关键词：热轧 TRIP 钢，铝代硅，碳，屈强比 1、前言、前言 与传统低合金高强度钢相比，相变诱导塑性（Transformation Induced Plasticity）TRIP 钢具有更好的强度和塑性等综合性能[1-5]，而且无需添加铌钛等 微合金化元素就可以获得 600-800MPa 的强度和 20-30%的延伸率指标。
通常， TRIP 钢含有体积分数为 5-10%的残余奥氏体，在材料成型过程中，残余奥氏体 发生马氏体相变，吸收外界能量，缓解裂纹尖端应力、减缓裂纹扩展，从而提高 材料的塑性，可用于强度要求较高的汽车安全部件的冲压成型制造，提高汽车的 安全性能，减轻汽车的重量现行 TRIP 钢中大多添加 1.5%左右的硅来稳定残余 奥氏体，但这种相对高的硅含量容易在材料表面形成严重氧化硅，损害材料的表 面质量，不利于材料的冲压成型，也不利于材料的镀锌等保护处理铝元素与硅 元素的物理性质相近，都能起到净化铁素体、稳定残余奥氏体的作用，因此，本 研究根据“以铝代硅”原理，在材料中添加了 1.0%左右的铝含量，以部分代替 硅元素，同时保留 0.5%的硅含量，并选用了 0.1%C 和 1.5%C 两种碳含量，以便 优化材料的组织和性能 “以铝代硅”理论和实践，得益于现代冶炼技术的进步， 因为，含铝高的钢水粘度高，流动性差，连铸生产过程中容易堵塞水口 2、试验条件、试验条件 材料的实物化学成分如表 1 所示表中设计了 A、B 两种材料的化学成分， A、B 钢的碳含量分别为 0.10%和 0.15%；其铝含量均设定为 1.0%，拟代替等量 的硅含量，同时，钢中继续保留 0.5%的硅含量，使铝硅总量仍保持在 1.5%的水 平。
151 表 1 材料的实物化学成分（wt%） 序号 C Si Mn Als P S Cu A 0.098 0.54 1.500.99 0.0060.0041 0.006 B 0.157 0.53 1.541.05 0.0090.0045 0.009 材料在 50kg 真空冶炼炉中进行熔炼，加热温度和处理时间为 1700℃30 分钟，在真空浇铸成直径为 200～260mm 钢锭后，在 800mm 的两辊可逆轧机上 开坯轧制成 30mm 厚的钢板，随后在 450mm 的轧机上轧成 4mm 厚的热轧薄板， 其中，最大轧制力为 180 吨，终轧温度为 880℃，冷却方式为水冷+空冷 材料的拉伸性能试验在 60 吨拉伸试验机上完成，材料的拉伸试样平行步宽 度为 20mm，标距为 50mm，材料的残余奥氏体百分数在 Rigaku D/Max-2500PC 型 X 射线衍射仪上测量，采用 Mo 靶辐射 3、试验结果、试验结果 3.1 金相组织和残余奥氏体金相组织和残余奥氏体 金相观察结果显示，材料 A 的金相组织为贝氏体+网状铁素体，材料 B 的组 织为铁素体+岛状马氏体，组织中均没有发现珠光体组织，这一结果与组织设计 相符合，因为珠光体的渗碳体消耗大量的碳原子，降低残余奥氏体的稳定性。
终 轧后采用较快的冷却速度，可避免珠光体形成，因此，材料轧制后要求较快的冷 却速度另外，材料 A 的铁素体晶粒度为 12 级，B 的晶粒度为 12.5 级，两种晶 粒尺寸基本相当，这种细小的晶粒尺寸有利于提高材料的强度和韧性不同放大 倍率下的金相组织观察结果如图 1（a）～（d）所示 材料中的残余奥氏体在 金相显微镜下无法分辨，可通过 X 射线衍射仪测试 a b 40μm40μm 152 图 1 材料 A、B 的金相组织 （a） 、 （c）:材料 A； （b） 、 （d） ：材料 B 采用 X 射线衍射对残余奥氏体的数量进行了测试，定量计算如公式（1）所 示[6]，式中，Vc 表示碳化物体积分数，G 表示积分因子，Iα为(200)α和 (211) α的积分强度，Iγ为(200)γ、(220)γ和 (311)γ的积分强度 Vγ(%) = (1-Vc) / ( 1 + GIα/ Iγ) （1） 分析结果显示，材料的 A 的残余奥氏体的体积百分数仅为 0.6%，材料 B 的 数量为 2.9%，材料 B 的残余奥氏体数量明显高于材料 A 3.2 化学成分显微偏聚化学成分显微偏聚 利用电子探针对材料 B 的碳、硅、铝等元素进行了显微成分面分析，其测 试结果如图 2 所示。
图 2 中的 4 张图片 SE、CKa、AlKa、SiKa 从左到右依次为材料 B 的二次电 子像、碳、铝、硅元素聚集程度，其中，从图 2-CKa 中可以看到明显的细小亮 点颗粒聚集，显示了碳原子在材料 B 中存在明显的聚集，同时，从在图 2-AlKa 和 SiKa 可以看到明显的阴影浮凸线，显示了铝、硅原子在晶界处存在明显的负 偏析 图 2 电子探针的碳、铝、硅原子显微偏析测试结果 c d 10μm10μm 153 3.3 拉伸性能拉伸性能 材料的拉伸性能测试结果如表 2 所示，拉伸性能主要包括屈服强度、抗拉 强度和延伸率等指标从表中数据可知，与材料 A 相比，材料 B 的屈服强度低 了 85MPa，抗拉强度高出 65MPa，延伸率绝对值略微高出 2%，屈强比绝对值低 0.18，也就是说，材料 B 的强度、塑性和成型性能均优于材料 A，其原因与两种 材料的金相组织结构和残余奥氏体数量差异有关 表 2 材料的拉伸性能测试结果 试样 ReL（MPa）Rm（MPa）A50mm（%）ReL/Rm A 420 635 23 0.66 B 335 700 25 0.48 4、分析讨论、分析讨论 4.1 化学成分对组织结构的影响化学成分对组织结构的影响 图 1 的金相组织观察结果显示，材料 A 和 B 设计的化学成分获得了 TRIP 钢所需的金相组织，即铁素体+贝氏体或马氏体，组织中不含珠光体。
由于珠光 体中渗碳体消耗了大量碳原子，钢中有效碳原子明显减少，因此，TRIP 钢中应 尽量避免珠光体对比图 1（a）～（b）中 A、B 两种材料的金相组织可以发现， 材料 A 的铁素体呈明显的网状分布，而材料 B 的铁素体呈均匀等轴态分布，这 一结果说明， 含 0.1%C 的 0.5%Si-1.0%Al 钢形成铁素体网状的敏感性较大， 且数 量比例偏低，含 0.15%C 的 0.5%Si-1.0%Al 钢可形成正常的等轴状铁素体，且数 量比例适中显然，网状铁素体在材料变形过程中易于萌生裂纹，不利于材料冲 压成型比较图 1（c）～（d）的金相组织可以看出，材料 A 中含有贝氏体组织， 且数量多于铁素体，而材料 B 中含有马氏体，且数量明显少于铁素体显然， 马氏体的强度高于贝氏体，相应地，材料 B 的抗拉强度也高于材料 A 从 3.2 节的 X 射线测试结果可知，材料 A 的残余奥氏体数量仅为 0.6%，其 相变诱导塑性效果显然不明显，而材料 B 的残余奥氏体的数量为 2.9%，在材料 的变形过程中，对材料的塑性可以起到一点作用残余奥氏体测试结果表明，以 铝部分代硅的 0.5%Si-1.0%Al 材料要想获得一定数量的残余奥氏体， 添加的碳含 量应该保持在 0.15%以上。
154 如图 2 的显微成分面分布测试结果所示，碳原子在组织中存在明显的聚集， 铝、硅原子在晶界处存在明显的负偏析，铝硅原子的这种负偏析与碳原子的聚集 显示了良好的对应关系， 这一现象与铝、 硅原子对铁素体具有的净化作用相符合， 这就是说，铝、硅原子将铁素体中的碳原子排斥到未转变的残余奥氏体中，促进 碳原子在残余奥氏体内的聚集，进而增加残余奥氏体的稳定性 4.2 组织结构对拉伸性能的影响组织结构对拉伸性能的影响 与材料 A 和 B 的组织结构和形态差异相对应， 材料 A 和 B 的拉伸性能也表 现出明显的差别如前所述，材料 A 的硬相组织为贝氏体，其对应的抗拉强度 也低于材料 B，后者的硬相组织为马氏体，但材料 A 中的贝氏体比例较高，甚 至超过了铁素体的比例，所以，其对应的抗拉强度也达到了 635MPa 的级别同 时，材料 B 中的马氏体比例也较高，约占组织比例的 20%以上，因此，材料 B 的抗拉强度达到了 700MPa 的水平此外，两种材料的铁素体晶粒度均达到了 12 级，也是材料 A、B 的抗拉强度超过 600MPa 的主要原因另外，材料 B 的 铁素体晶粒度为 12.5 级，略高于材料 A 的 12 级，这种晶粒尺寸的差异也对材料 的抗拉强度有一定的影响。
从铁素体的数量和形态上看，材料 A 的铁素体呈明显的网状分布，相应数 量比例还低于贝氏体， 因此， 其对应的屈服强度也比材料 B 高， 达到了 420MPa， 而材料 B 的铁素体呈等轴状均匀分布，其数量也明显高于硬相组织马氏体，所 以相应的屈服强度也明显低于材料 A，只有 335MPa.这样，与材料 A 相比，材 料 B 的抗拉强度更低更高、屈服强度更低，最后的屈强比也更低，只有 0.48， 比材料 A 的 0.66 还要低 0.18显然，屈强比越低，材料的冲压成型性能越好 因此，材料 B 不仅强度高，而且冲压成型性能也好 从残余奥氏体的测试结果上，材料 A 的残余奥氏体数量只有 0.6%，在拉伸 过程中对塑性的贡献也很小，其延伸率为 23%而材料 B 的残余奥氏体数量也 不高，只有 2.9%，但仍然可以起到一定的相变诱导塑性作用，与材料 A 相比， 随抗拉强度大幅增加，延伸率不仅没有降低，反而小幅增加，保持在 25%，这也 就是残余奥氏体在拉伸变形过程中转变成马氏体、有效吸收裂纹尖端的应力、延 缓裂纹扩展进而改善塑性的相变诱导塑性效应 155 5、结论、结论 （1）研制开发了新型以铝部分代硅的 0.15%C-0.5%Si-1.0%Al 热轧 TRIP 钢，材 料的组织由铁素体+马氏体+残余奥氏体组成，残余奥氏体的体积百分数为 2.9%，材料的抗拉强度达到 700MPa，50mm 标距的延伸率保持在 25%，屈 强比只有 0.48。
（ 2 ） 金 相 组 织 观 察 结 果 显 示 ， 与 0.10%C-0.5%Si-1.0%Al 钢 相 比 ， 0.16%C-0.5%Si-1.0%Al 钢的硬相组织为马氏体，材料的抗拉强度也达到了 700MPa；同时，组织中铁素体数量较多，屈服强度为 335MPa，相应的屈 强比只有 0.48，有利于材料的冲压成型 （3）残余奥氏体测试结果表明，以铝部分代硅的 0.16%C-0.5%Si-1.0%Al 钢中可 以获得体积分数为 2.9%的残余奥氏体，但是添加的碳含量应该保持在 0.15%以上，与 0.1%C-0.5%Si-1.0%Al 钢相比，随抗拉强度大幅增加，材料 延伸率不仅没有降低，反而由 23%小幅增加到 25% 参考文献参考文献 [1] Patrick Van Hecke and Jan Penning, Steel 。