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Nb微合金化TRIP钢的热处理工艺、组织和性能关系

克劳斯胡卡（KlausHulka）

关键词：双相钢，TRIP钢，残余奥氏体，贝氏体相变，晶粒细化，Nb微合金化，拉伸强度乘均匀延伸

RelationshipbetweenHeatTreatmentConditions,MicrostructuralandPropertiesofNiobiumMicroalloyedTRIPSteel

引言

石油能源的压力和汽车运行安全性的需求使汽车用高强度钢板的用量稳步增加。高强度钢与其它材料，诸如轻金属铝、镁和塑料等相比除具有减重作用外，还具有与普通碳素钢相似的生产工艺等优势。因此，使用高强度钢板可使汽车减重，综合制造成本几乎不变，这种优势是其它材料难以实现的。

目前已开发了大量的高强度钢板和钢带并广泛应用于不同强度和成形性需求的汽车部件。例如对深冲性能有严格要求的部件可使用具有优异成形性能的高强IF钢和低碳含P钢或烘烤硬化钢板。钢的强度可以达到400MPa级水平。如果深冲性能要求不是很高，钢板的r值为1左右便可满足要求，那么还可以使用更高强度级别的钢板。目前，人们广泛使用微合金化钢板和钢带，双相组织钢是普遍使用的重要品种之一，几种钢的典型性能特征见图1。对相同抗拉强度的钢来说，双相钢具有更高的延性，但是，对于相同的屈服强度的钢来说，这样的优势便消失了[1]。

图11mm厚冷轧退火高强度钢板的机械性能

双相钢

特征

双相钢的组织特征是第二相组织（通常体积分数为5-30%的马氏体）在铁素体基体中均匀分布。双相组织特征对钢的应力-应变曲线有显著的影响。马氏体相变导致软相铁素体中产生大量可动位错，软相铁素体塑性流变开动使双相钢的屈服强度较低。另外，铁素体相内产生的内部拉应力较小，使双相钢屈服强度的增量也较小，而此时硬相却一直处于弹性变形状态。

根据两相混合物定律，双相钢在高应力状态下具有良好的加工硬化性能。应变在两相中的分布是不同的。在软相中的应变和在硬相中的应力分别高于平均应力、应变值，见图2。

图2两相组织中的应力-应变分布曲线

在双相钢中α代表软相铁素体；β代表硬相马氏体

对于细化的双相组织钢（更细的铁素体晶粒和更细小的马氏体岛）来说，如图3所示[2]，它的强度和塑性均可被改善。

对显微组织进一步详尽分析表明，一些双相钢中含有一定数量的残余奥氏体[3]。

商用双相钢

双相钢于二十世纪70年代开始在美国商业化应用。那时的双相钢以V微合金化的贫珠光体带钢为基础，采用临界区退火工艺生产[4]。该钢的抗拉强度可达到650MPa，但其屈服强度仅为350MPa，总延伸率可达到27%以上，它的主要用途是生产汽车保险杠，同时也可应用于汽车车轮等构件。

为免除钢带进行临界热处理的首要合金化概念是应在钢中填加Mn、Si、Cr和Mo[5]。然而，填加大量的合金化元素使这种钢的成本较高，目前，几种不同级别的不含Mo的双相

钢已被开发[6]。这类钢的主要用途是应用于车轮制造，典型钢的强度级别为抗拉强度大于550MPa。该钢生产的主要工艺特点是于Ms点以下低温卷取[7]。

研究发现，在双相钢的铁素体和马氏体晶界有较强的应力集中存在，如果组织中含有一定数量的贝氏体可使应力集中得到缓解[8]。生产这样的复相组织钢从技术性到经济性与双相钢相比均有优势，因为生产双相钢带必须采用较低的卷取温度，而生产复相组织钢对卷取温度没有如此苛刻的要求。目前，日本在进行这方面的研究开发工作，一些研究总结见图4[910]。

图3双相钢晶粒尺寸与性能间的关系

在图4所列四种类型钢中，卷取温度对机械性能的影响是十分相似的。采用常规的大约650℃卷取温度卷取，钢的第二相组织通常为珠光体，这种钢的抗拉强度相对最低。具有典型双相组织的第二相为马氏体的钢其抗拉强度最高，同时该钢仍具有较好的延性。采用大约450℃中等温度进行卷取可获得铁素体+马氏体+贝氏体复相组织，该钢具有最好的延性和适中的强度水平。

在这些钢中填加微合金元素Nb可使组织细化，从而使材料的强度和延性得到进一步改善。Nb微合金钢具有较高的TS*λ值，并且该值可超过计算值60,000N/mm2*%。一种已被

广泛应用于汽车制造，特别是轿车车轮制造的复相组织钢的抗拉强度可达到600MPa以上，该钢的化学成分如下[9]：

0.08%C，1.40%Mn和0.035%Nb

近年来，连续退火工艺在冷轧钢板生产中得到广泛应用，连续退火设备十分适合于采用临界区退火工艺生产双相钢板。为保证获得较细的组织可以在这些钢中填加微合金元素Nb。该钢的