单相组织TWIP钢的扩孔性研究

姜英花, 谢春乾, 邝 霜

(1.首钢技术研究院薄板研究所，北京 100043； 2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043)

单相组织TWIP钢的扩孔性研究

姜英花1，2, 谢春乾1，2, 邝 霜1，2

(1.首钢技术研究院薄板研究所，北京 100043； 2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043)

超高强钢的扩孔性能是冲压成形的重要性质.为评价980 MPa TWIP钢的扩孔性能，本文以单相铁素体IF钢和980 MPa双相钢作为参考材料，用扫描电镜观察了3个钢种的微观组织，并对3个钢种进行了拉伸实验和扩孔实验，采用背散射电子衍射( EBSD)技术分析了拉伸后和扩孔实验后TWIP钢的微观组织.实验结果表明：拉伸前TWIP钢呈现类似于IF钢均匀的单相奥氏体组织，而拉伸后TWIP钢呈现类似于DP钢不均匀的硬质变形孪晶奥氏体和软质奥氏体；扩孔后TWIP钢的开裂位置集中在奥氏体和变形孪晶奥氏体界面；虽然TWIP钢显现出更大的均匀伸长率和加工硬化，但扩孔率明显小于IF钢.TWIP钢扩孔率增加源于早期孪晶诱发塑性(TWIP效应)导致的均匀变形.同时，这种变形机制导致组织中的硬质变形孪晶奥氏体，硬质变形孪晶奥氏体与软质奥氏体匹配(类似于双相钢中马氏体铁素体匹配)将恶化局部变形，阻碍扩孔性能进一步提升.

扩孔性；组织；局部变形；裂缝；变形孪晶

汽车减重对节能和环保意义重大，它的一个重要手段是采用高强度钢.孪晶诱发塑性(Twinning induced plasticity，TWIP)钢是现在研究较广泛的超高强度钢，它不仅具有高强度、高应变硬化率，还有非常优良的塑性、韧性和成形性能.从现代汽车用钢对高强度和高塑性的要求来看，TWIP钢是最佳选择.TWIP钢显示出极高的伸长率(45%～70%)、强度(800～1 200 MPa)和加工硬化指数(0.4～0.5)，其高强韧性是TRIP钢的2倍[1-6].但在边缘拉延成形时，TWIP钢的变形能力较差，即扩孔性较差.一般高强度和多相组织间硬度偏差导致钢的不良扩孔性[7-10].按常规认为，TWIP钢奥氏体单相具有良好的塑性，且没有多相复合的相界面存在，应该具有高的扩孔性，但是其扩孔率并不令人满意.对TWIP钢的扩孔性及扩孔性差的原因研究报道甚少.

本文选取同样是单相组织的铁素体IF钢和同强度级别980 MPa双相钢作为参考材料，研究了组织和力学性能对TWIP钢的扩孔性的影响.

1 实 验

材料分别选取了实验室制备的单相铁素体IF钢(0.002C-0.4Mn-0.04Ti-0.03Nb)、980 MPa双相钢(0.1C-2.4Mn-0.5Cr-0.3Mo-0.03Ti)及980 MPa TWIP钢(0.6C-16.5Mn-1.5Al).

将3种实验钢的显微组织用硝酸酒精腐蚀，然后采用S-3400N扫描电镜观察.利用附设于电子扫描显微镜的7100F背散射电子衍射(EBSD)设备对应变前后和扩孔实验后TWIP钢进行组织分析.

根据GB/T 228—2002加工拉伸试样, 试样的标距为80 mm，在MTS万能试验机上进行力学性能测试.采用 ISO/TC 164 SC2 标准的扩孔实验检测3种实验钢的扩孔率(λ)，每个钢种重复测试5次.

2 结果和分析

图1为IF钢、TWIP钢和DP钢显微组织照片.由图1可见，IF钢的组织为单相铁素体，TWIP钢的组织为单相奥氏体，DP钢的组织为铁素体和马氏体混合组织.

图1 IF钢(a)、TWIP钢(b)和DP钢(c)组织照片

表1为IF钢、TWIP钢和DP钢的力学性能，可以看出，TWIP钢有最高的断后延伸率和加工硬化值，IF钢具有媲美TWIP钢的较高的断后延伸率，而DP钢有最低的断后延伸率和加工硬化指数.

表1IF钢、TWIP钢和DP钢力学性能

Table 1 Mechanical properties for IF steel, TWIP steel and DP steel

钢种Rp0.2/MPaRm/MPaA80mm/%nIF钢14529551.50.24TWIP钢50098558.00.42DP钢650102014.00.11

图2(a)为单轴状态的常规应力-应变曲线.薄板单轴拉伸状况下的应变贡献分为两方面：一方面为均匀变形阶段，材料的硬化导致应变的扩展作为主要贡献，一般用均匀延伸率或加工硬化指数表示；另一方面是材料的颈缩贡献，挽救应变不扩展的最终断裂提升局部成形性能，一般用局部延伸率表示.在局部变形中，材料以最终开裂为失效判断，因此应变扩展和颈缩两阶段对材料的局部变形都具有重要影响.图2(b)为IF钢、TWIP钢和DP钢的应力-应变曲线.由图2(b)可以看出:IF钢的均匀应变和颈缩应变都很明显，即均匀延伸率(或加工硬化指数)和局部延伸率都很高;TWIP钢的均匀应变很明显，但颈缩应变几乎没有，即具有高的均匀延伸率(或加工硬化指数)和较低的局部延伸率;DP钢的均匀应变和颈缩应变都存在但不明显，即具有低的均匀延伸率(或加工硬化指数)和局部延伸率.相比IF钢和DP钢，TWIP钢具有更高的均匀延伸率和低的局部延伸率.

图2单轴状态的应力-应变曲线(a)和IF钢、TWIP钢和DP钢应力-应变曲线(b)

Fig.2 Stress-strain curves in uniaxial state (a) and stress-strain curves for IF steel，TWIP steel and DP steel (b)

图3为3种实验钢的扩孔实验结果.由图3可以直观地看出，TWIP钢和DP钢的扩孔开裂时的孔径远小于IF钢的扩孔开裂孔径.对比TWIP钢与IF钢可以看出，虽然TWIP钢的断后延伸率超过IF钢，但是扩孔率明显低于IF钢.对比TWIP钢和DP钢，TWIP钢的断后延伸率是DP钢断后延伸率的3倍，但TWIP钢的扩孔率没有显著提高.

从图 4可见，变形前的TWIP钢由单相奥氏体组成，经过变形后奥氏体晶粒出现了不均衡的变化.部分奥氏体晶粒内出现了非常明显的变形孪晶，部分奥氏体还保持未发生孪晶变形的状态.在外加应力作用下，按照奥氏体稳定性划分，其变形机制分别为：位错及剪切带、孪晶、马氏体相变[11-13].但实际上奥氏体发生位错及剪切带变形的机制只有在奥氏体极其稳定的情况下可以发生[14-15].在外加变形情况下，稳定性差的奥氏体晶粒将发生孪晶变形或者马氏体相变.图 4中暂时未发生孪晶变形的奥氏体，如果在进一步变形中仍然会进行孪晶转变.正如图 4中，一旦部分奥氏体晶粒发生了孪晶变形，这个晶粒将处于高硬度状态，此时组织实际上和DP钢(软质铁素体+硬质马氏体)类似，这种机制将导致局部成形能力变差.

图3 IF钢、TWIP钢和DP钢扩孔实验结果照片

Fig.3 The results of hole expansion for IF steel，TWIP steel and DP steel： (a) IF steel，λ=260%； (b) TWIP steel，λ=38%； (c) DP steel，λ=26%

图4 TWIP钢变形前后组织照片

结合力学性能分析可知，TWIP钢室温奥氏体是非稳态相，在外加应力下发生了应变诱发的孪晶或者马氏体相变，使得硬化过程逐步释放，导致硬化得到维持与补充，提供较好的均匀变形能力.同时，这种变形机制使得组织中出现硬质变形孪晶奥氏体，这种硬质变形孪晶奥氏体，类似于DP钢，与软质奥氏体匹配将严重恶化局部成形能力.实际TWIP钢显示高的均匀延伸率和低的局部延伸率.因此，即使TWIP钢具有较好的延展性，实际TWIP钢组织变形不均匀性导致应变分配不均匀性，其扩孔率也不高.对于IF钢，组织就是单一的铁素体组织，导致高的均匀延伸率和局部延伸率.因此，IF钢扩孔性明显高于TWIP钢.但是与双相钢相比，因为TWIP钢的奥氏体孪晶变形机制，会具有一个早期硬化和应变扩散作用，即高的均匀延伸率(加工硬化指数)，可以有效改善扩孔性，显示更高的扩孔率.

图5为扩孔后TWIP钢裂纹处微观组织分析.

图5TWIP钢裂纹在AlN夹杂物(a)和奥氏体与形变孪晶奥氏体相界面(b)

Fig.5 Cracks associated with AlN inclusions (a) and austenite and deformation twin austenite interface of TWIP steel

由图5可见，TWIP钢开裂位置在AlN夹杂物以外，开裂位置还集中在奥氏体和变形孪晶奥氏体界面并延界面扩展.这种软硬相之间的强度差异虽然有利于降低材料的屈强比，但是在局部成形应变不可扩展的客观情况下，相界面容易引起开裂导致材料失效.

综上可以得出，导致TWIP钢扩孔率增加的原因来自于早期孪晶诱发塑性(TWIP效应)的持续硬化导致的应变扩散.虽然TWIP效应的瞬时硬化可以促成应变扩展从而缓解边部开裂问题，但应变诱发后的硬质点是微孔产生的核心点，所以不会获得更好的局部成形性能，即更高的扩孔性.

3 结 论

1)单相奥氏体TWIP钢相比单相铁素体IF钢，具有高的均匀延伸率、低的局部延伸率及扩孔率.

2)TWIP钢扩孔率增加的原因来自于早期孪晶诱发塑性(TWIP效应).TWIP钢中亚稳定残余奥氏体在外加应力作用下形成孪晶可以显著提高硬化，从而提高应变扩展能力，对扩孔性有积极作用.但是孪晶导致的硬质点也增加了裂纹萌生风险，因此不能进一步提升扩孔性.

3)扩孔后TWIP钢开裂位置集中在AlN夹杂物以外，还集中在奥氏体和变形孪晶奥氏体界面，这种相界面容易引起开裂导致材料失效.

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HoleexpansionpropertyofTWIPsteelwithsingle-phasemicrostructure

JIANG Yinghua1,2，XIE Chunqian1,2，KUANG Shuang1,2

(1.Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China; 2.Beijing Key Laboratory of Green Recyclable Process for Iron & steel Production Technology, Beijing 100043, China)

Hole expansion property is an important property for ultra high strength steel (UHSS) sheets for press forming. To evaluate the hole expansion property of 980 MPa TWIP steel, a fully ferritic IF steel and a 980 MPa DP steel were used as model materials in the present study. The microstructures of the three steels were observed by scanning electron microscopy (SEM) and electron back-scatter diffraction (EBSD) before and after tensile tests and hole expansion tests, respectively. After tensile tests and hole expansion tests. The as-

TWIP steel exhibits a structure of homogeneous single austenite, identical to IF steel, whereas shows a mixed structure of.hard austenite with deformation twins and soft austenite after tensile deformation, similar to DP steel. The cracks in TWIP steel after hole expansion tests locate atthe interface between austenite and twin austenite. Although TWIP steel showed a larger elongation and work hardening capacity, its hole expansion rate was less than IF steel. The enhanced hole expansion rate of TWIP steel can be attributed to the uniform deformation caused by early twinning induced plasticity (TWIP effect). Meanwhile, this deformation mechanism leads to the formation of hard austenite with deformation twins in the steel. The hard austenite with deformation twins and soft austenite will deteriorate the local deformation, hindering the further enhancement in the hole expansion property.

hole expansion property; microstructure; local deformation; crack; deformation twin

2017-01-06. < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间: 2017-07-25.

姜英花(1980—)，女，博士，高级工程师.

姜英花，E-mail：yinghuajiang@163.com.

10.11951/j.issn.1005-0299.20170002

TG142.1

A

1005-0299(2017)06-0061-05

(编辑程利冬)