姜英花, 謝春乾, 鄺 霜

(1.首鋼技術研究院薄板研究所，北京 100043； 2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043)

單相組織TWIP鋼的擴孔性研究

姜英花1，2, 謝春乾1，2, 鄺 霜1，2

(1.首鋼技術研究院薄板研究所，北京 100043； 2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043)

超高強鋼的擴孔性能是沖壓成形的重要性質.為評價980 MPa TWIP鋼的擴孔性能，本文以單相鐵素體IF鋼和980 MPa雙相鋼作為參考材料，用掃描電鏡觀察了3個鋼種的微觀組織，并對3個鋼種進行了拉伸實驗和擴孔實驗，采用背散射電子衍射( EBSD)技術分析了拉伸后和擴孔實驗后TWIP鋼的微觀組織.實驗結果表明：拉伸前TWIP鋼呈現(xiàn)類似于IF鋼均勻的單相奧氏體組織，而拉伸后TWIP鋼呈現(xiàn)類似于DP鋼不均勻的硬質變形孿晶奧氏體和軟質奧氏體；擴孔后TWIP鋼的開裂位置集中在奧氏體和變形孿晶奧氏體界面；雖然TWIP鋼顯現(xiàn)出更大的均勻伸長率和加工硬化，但擴孔率明顯小于IF鋼.TWIP鋼擴孔率增加源于早期孿晶誘發(fā)塑性(TWIP效應)導致的均勻變形.同時，這種變形機制導致組織中的硬質變形孿晶奧氏體，硬質變形孿晶奧氏體與軟質奧氏體匹配(類似于雙相鋼中馬氏體鐵素體匹配)將惡化局部變形，阻礙擴孔性能進一步提升.

擴孔性；組織；局部變形；裂縫；變形孿晶

汽車減重對節(jié)能和環(huán)保意義重大，它的一個重要手段是采用高強度鋼.孿晶誘發(fā)塑性(Twinning induced plasticity，TWIP)鋼是現(xiàn)在研究較廣泛的超高強度鋼，它不僅具有高強度、高應變硬化率，還有非常優(yōu)良的塑性、韌性和成形性能.從現(xiàn)代汽車用鋼對高強度和高塑性的要求來看，TWIP鋼是最佳選擇.TWIP鋼顯示出極高的伸長率(45%～70%)、強度(800～1 200 MPa)和加工硬化指數(shù)(0.4～0.5)，其高強韌性是TRIP鋼的2倍[1-6].但在邊緣拉延成形時，TWIP鋼的變形能力較差，即擴孔性較差.一般高強度和多相組織間硬度偏差導致鋼的不良擴孔性[7-10].按常規(guī)認為，TWIP鋼奧氏體單相具有良好的塑性，且沒有多相復合的相界面存在，應該具有高的擴孔性，但是其擴孔率并不令人滿意.對TWIP鋼的擴孔性及擴孔性差的原因研究報道甚少.

本文選取同樣是單相組織的鐵素體IF鋼和同強度級別980 MPa雙相鋼作為參考材料，研究了組織和力學性能對TWIP鋼的擴孔性的影響.

1 實 驗

材料分別選取了實驗室制備的單相鐵素體IF鋼(0.002C-0.4Mn-0.04Ti-0.03Nb)、980 MPa雙相鋼(0.1C-2.4Mn-0.5Cr-0.3Mo-0.03Ti)及980 MPa TWIP鋼(0.6C-16.5Mn-1.5Al).

將3種實驗鋼的顯微組織用硝酸酒精腐蝕，然后采用S-3400N掃描電鏡觀察.利用附設于電子掃描顯微鏡的7100F背散射電子衍射(EBSD)設備對應變前后和擴孔實驗后TWIP鋼進行組織分析.

根據(jù)GB/T 228—2002加工拉伸試樣, 試樣的標距為80 mm，在MTS萬能試驗機上進行力學性能測試.采用 ISO/TC 164 SC2 標準的擴孔實驗檢測3種實驗鋼的擴孔率(λ)，每個鋼種重復測試5次.

2 結果和分析

圖1為IF鋼、TWIP鋼和DP鋼顯微組織照片.由圖1可見，IF鋼的組織為單相鐵素體，TWIP鋼的組織為單相奧氏體，DP鋼的組織為鐵素體和馬氏體混合組織.

圖1 IF鋼(a)、TWIP鋼(b)和DP鋼(c)組織照片

表1為IF鋼、TWIP鋼和DP鋼的力學性能，可以看出，TWIP鋼有最高的斷后延伸率和加工硬化值，IF鋼具有媲美TWIP鋼的較高的斷后延伸率，而DP鋼有最低的斷后延伸率和加工硬化指數(shù).

表1IF鋼、TWIP鋼和DP鋼力學性能

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

鋼種Rp0.2/MPaRm/MPaA80mm/%nIF鋼14529551.50.24TWIP鋼50098558.00.42DP鋼650102014.00.11

圖2(a)為單軸狀態(tài)的常規(guī)應力-應變曲線.薄板單軸拉伸狀況下的應變貢獻分為兩方面：一方面為均勻變形階段，材料的硬化導致應變的擴展作為主要貢獻，一般用均勻延伸率或加工硬化指數(shù)表示；另一方面是材料的頸縮貢獻，挽救應變不擴展的最終斷裂提升局部成形性能，一般用局部延伸率表示.在局部變形中，材料以最終開裂為失效判斷，因此應變擴展和頸縮兩階段對材料的局部變形都具有重要影響.圖2(b)為IF鋼、TWIP鋼和DP鋼的應力-應變曲線.由圖2(b)可以看出:IF鋼的均勻應變和頸縮應變都很明顯，即均勻延伸率(或加工硬化指數(shù))和局部延伸率都很高;TWIP鋼的均勻應變很明顯，但頸縮應變幾乎沒有，即具有高的均勻延伸率(或加工硬化指數(shù))和較低的局部延伸率;DP鋼的均勻應變和頸縮應變都存在但不明顯，即具有低的均勻延伸率(或加工硬化指數(shù))和局部延伸率.相比IF鋼和DP鋼，TWIP鋼具有更高的均勻延伸率和低的局部延伸率.

圖2單軸狀態(tài)的應力-應變曲線(a)和IF鋼、TWIP鋼和DP鋼應力-應變曲線(b)

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

圖3為3種實驗鋼的擴孔實驗結果.由圖3可以直觀地看出，TWIP鋼和DP鋼的擴孔開裂時的孔徑遠小于IF鋼的擴孔開裂孔徑.對比TWIP鋼與IF鋼可以看出，雖然TWIP鋼的斷后延伸率超過IF鋼，但是擴孔率明顯低于IF鋼.對比TWIP鋼和DP鋼，TWIP鋼的斷后延伸率是DP鋼斷后延伸率的3倍，但TWIP鋼的擴孔率沒有顯著提高.

從圖 4可見，變形前的TWIP鋼由單相奧氏體組成，經過變形后奧氏體晶粒出現(xiàn)了不均衡的變化.部分奧氏體晶粒內出現(xiàn)了非常明顯的變形孿晶，部分奧氏體還保持未發(fā)生孿晶變形的狀態(tài).在外加應力作用下，按照奧氏體穩(wěn)定性劃分，其變形機制分別為：位錯及剪切帶、孿晶、馬氏體相變[11-13].但實際上奧氏體發(fā)生位錯及剪切帶變形的機制只有在奧氏體極其穩(wěn)定的情況下可以發(fā)生[14-15].在外加變形情況下，穩(wěn)定性差的奧氏體晶粒將發(fā)生孿晶變形或者馬氏體相變.圖 4中暫時未發(fā)生孿晶變形的奧氏體，如果在進一步變形中仍然會進行孿晶轉變.正如圖 4中，一旦部分奧氏體晶粒發(fā)生了孿晶變形，這個晶粒將處于高硬度狀態(tài)，此時組織實際上和DP鋼(軟質鐵素體+硬質馬氏體)類似，這種機制將導致局部成形能力變差.

圖3 IF鋼、TWIP鋼和DP鋼擴孔實驗結果照片

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%

圖4 TWIP鋼變形前后組織照片

結合力學性能分析可知，TWIP鋼室溫奧氏體是非穩(wěn)態(tài)相，在外加應力下發(fā)生了應變誘發(fā)的孿晶或者馬氏體相變，使得硬化過程逐步釋放，導致硬化得到維持與補充，提供較好的均勻變形能力.同時，這種變形機制使得組織中出現(xiàn)硬質變形孿晶奧氏體，這種硬質變形孿晶奧氏體，類似于DP鋼，與軟質奧氏體匹配將嚴重惡化局部成形能力.實際TWIP鋼顯示高的均勻延伸率和低的局部延伸率.因此，即使TWIP鋼具有較好的延展性，實際TWIP鋼組織變形不均勻性導致應變分配不均勻性，其擴孔率也不高.對于IF鋼，組織就是單一的鐵素體組織，導致高的均勻延伸率和局部延伸率.因此，IF鋼擴孔性明顯高于TWIP鋼.但是與雙相鋼相比，因為TWIP鋼的奧氏體孿晶變形機制，會具有一個早期硬化和應變擴散作用，即高的均勻延伸率(加工硬化指數(shù))，可以有效改善擴孔性，顯示更高的擴孔率.

圖5為擴孔后TWIP鋼裂紋處微觀組織分析.

圖5TWIP鋼裂紋在AlN夾雜物(a)和奧氏體與形變孿晶奧氏體相界面(b)

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

由圖5可見，TWIP鋼開裂位置在AlN夾雜物以外，開裂位置還集中在奧氏體和變形孿晶奧氏體界面并延界面擴展.這種軟硬相之間的強度差異雖然有利于降低材料的屈強比，但是在局部成形應變不可擴展的客觀情況下，相界面容易引起開裂導致材料失效.

綜上可以得出，導致TWIP鋼擴孔率增加的原因來自于早期孿晶誘發(fā)塑性(TWIP效應)的持續(xù)硬化導致的應變擴散.雖然TWIP效應的瞬時硬化可以促成應變擴展從而緩解邊部開裂問題，但應變誘發(fā)后的硬質點是微孔產生的核心點，所以不會獲得更好的局部成形性能，即更高的擴孔性.

3 結 論

1)單相奧氏體TWIP鋼相比單相鐵素體IF鋼，具有高的均勻延伸率、低的局部延伸率及擴孔率.

2)TWIP鋼擴孔率增加的原因來自于早期孿晶誘發(fā)塑性(TWIP效應).TWIP鋼中亞穩(wěn)定殘余奧氏體在外加應力作用下形成孿晶可以顯著提高硬化，從而提高應變擴展能力，對擴孔性有積極作用.但是孿晶導致的硬質點也增加了裂紋萌生風險，因此不能進一步提升擴孔性.

3)擴孔后TWIP鋼開裂位置集中在AlN夾雜物以外，還集中在奧氏體和變形孿晶奧氏體界面，這種相界面容易引起開裂導致材料失效.

[1] KIM S K, CHOI J, KANG S C, et al. The development of TWIP steel for automotive application[R]. Posco Technical Report, 2006, 10(1):106-114.

[2] JUNG Y S, KANG S, LEE Y K. High Mn TWIP steel with high strength and ductility[J]. Trends in Metals & Materials Engineering, 2009, 22(5):22-27.

[3] CHEN Liqing, ZHAO Yang, QIN Xiaomei. Some aspects of high manganese twinning-induced plasticity (TWIP) steel, a review[J]. Acta Metall Sin, 2013, 26(1):1-15.

[4] CHUNG K, AHN K, YOO D H, et al. Formability of TWIP (twinning induced plasticity) automotive sheets[J]. International Journal of Plasticity, 2011, 27(1):52-81.

[5] 曾敬山，熊杰，史文，等. 層錯能對Fe-Mn-C系TRIP/TWIP鋼變形機制影響[J]. 材料科學與工藝, 2013, 21(2): 72-76.

ZENG Jingshan, XIONG Jie, SHI Wen, et al. Influence of stacking fault energy on deformation mechanism of Fe-Mn-C TRIP/TWIP steels[J]. Materials Science and Technology, 2013, 21(2):72-76.

[6] 黎倩, 熊榮剛，陳佳榮，等. TWIP鋼的顯微組織與變形機制研究[J]. 材料熱處理學報, 2008, 29(2): 52-55. DOI：10.13289/j.issn.1009-6264.2008.02.038.

LI Qian, XIONG Ronggang, CHEN Jiarong, et al. Microstructure and deformation mechanism of TWIP steels[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2008, 29(2): 52-55. DOI：10.13289/j.issn.1009-6264.2008.02.038.

[7] ZHOU L, ZHANG D, LIU Y. Influence of silicon on the microstructures, mechanical properties and stretch-flangeability of dual phase steels[J]. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2014, 21(8): 755-758.

[8] CHO Y R, CHUANG J H, SEOL K S, et al. Effect of microstructures on the stretch-flangeability and tensile properties of hot rolled high strength steel sheets[J]. Korean Journal of Metals and Materials, 1999, 37(12):1494-1497.

[9] NALLASIVAM V, MISRA S. Effect of microstructure on the hole expansion properties of advanced high-strength steels[C]//Iron and Steel Technology Conference Proceedings.USA：AIST, 2016, 10:2703-2709.

[10] YOON J I, JUNG J, LEE H H, et al. Factors governing hole expansion ratio of steel sheets with smooth sheared edge[J]. Metals and Materials International, 2016, 22(6):1009-1014.

[11] KIM J K, COOMAN B C D. Stacking fault energy and deformation mechanisms in Fe-xMn-0.6C-yAl TWIP steel [J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 676: 216-231.

[12] HU Jun, CAO Wenquan, HUANG Chongxiang, et al. Characterization of microstructures and mechanical properties of cold-rolled medium-Mn steels with different annealing processes[J]. ISIJ International, 2015, 55(10): 2229-2236.

[13] ABEDI H R, HANZAKI A Z, HAGHDADI N, et al. Substructure induced twinning in low density steel[J]. Scripta Materialia, 2017, 128:69-73.

[14] BLECK W. New methods in steel design[C]//The METEC and 2nd European Steel Technology and Application Days (ESTAD) conference. Dusseldorf:[s.n.], 2015.

[15] CHIN K G，CHO W T, KIM S K, et al. Development of TWIP steel in POSCO[C]//The METEC and 2nd European Steel Technology and Application Days (ESTAD) conference. Dusseldorf:[s.n.], 2015.

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">網(wǎng)絡出版時間

時間: 2017-07-25.

姜英花(1980—)，女，博士，高級工程師.

姜英花，E-mail：yinghuajiang@163.com.

10.11951/j.issn.1005-0299.20170002

TG142.1

A

1005-0299(2017)06-0061-05

(編輯程利冬)