课题名称twip钢的微合金知识分享.ppt

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1、课题名称TWIP钢的微合金课题背景和意义n n在现代工业发展中，能源和环境问题已成为不可在现代工业发展中，能源和环境问题已成为不可在现代工业发展中，能源和环境问题已成为不可在现代工业发展中，能源和环境问题已成为不可回避的重大社会课题。汽车的减重（轻型化）是回避的重大社会课题。汽车的减重（轻型化）是回避的重大社会课题。汽车的减重（轻型化）是回避的重大社会课题。汽车的减重（轻型化）是降低油耗的重要途径。为减轻车体重量，大量采降低油耗的重要途径。为减轻车体重量，大量采降低油耗的重要途径。为减轻车体重量，大量采降低油耗的重要途径。为减轻车体重量，大量采用高强度钢板已成为必然的趋势。用高强度钢板已成为必

2、然的趋势。用高强度钢板已成为必然的趋势。用高强度钢板已成为必然的趋势。n n研究开发一系列替代现有产品的汽车用高强度、研究开发一系列替代现有产品的汽车用高强度、研究开发一系列替代现有产品的汽车用高强度、研究开发一系列替代现有产品的汽车用高强度、超高强度、高塑性和高成形性的新钢种，如超高强度、高塑性和高成形性的新钢种，如超高强度、高塑性和高成形性的新钢种，如超高强度、高塑性和高成形性的新钢种，如DPDP（双相）钢、（双相）钢、（双相）钢、（双相）钢、TRIPTRIP钢、钢、钢、钢、TWIPTWIP钢和含钢和含钢和含钢和含B B超强钢等。超强钢等。超强钢等。超强钢等。其中的其中的其中的其中的TWI

3、PTWIP钢以其优良的性能被作为最有前途的钢以其优良的性能被作为最有前途的钢以其优良的性能被作为最有前途的钢以其优良的性能被作为最有前途的品种之一。品种之一。品种之一。品种之一。课题来源n n 本课题是教育部博士点基金项目新一代汽车用高强度高塑性TWIP钢的研究与开发的子项目。文献综述n n TWIP钢概述 n nTWIP钢中合金元素的作用 n n稀土元素在钢中的应用 n n微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的应用 n n钢中稀土与铌、钒、钛等微合金元素的作用 n nTWIP钢生产工艺n n国内外TWIP钢的研究发展状况 TWIPTWIP钢钢钢钢 （Twining Induced Plastic

4、ityTwining Induced Plasticity）称为孪晶诱发塑性钢。称为孪晶诱发塑性钢。称为孪晶诱发塑性钢。称为孪晶诱发塑性钢。TWIP TWIP钢的成分以低碳高锰钢为基体，并添加一定量钢的成分以低碳高锰钢为基体，并添加一定量钢的成分以低碳高锰钢为基体，并添加一定量钢的成分以低碳高锰钢为基体，并添加一定量的合金元素的合金元素的合金元素的合金元素AlAl和和和和SiSi。TWIP TWIP钢在无外加载荷时，在室温下的组织是稳定的钢在无外加载荷时，在室温下的组织是稳定的钢在无外加载荷时，在室温下的组织是稳定的钢在无外加载荷时，在室温下的组织是稳定的残余奥氏体，在这些残余奥氏体，在这些残

5、余奥氏体，在这些残余奥氏体，在这些-奥氏体内有少量的退火孪晶。当处奥氏体内有少量的退火孪晶。当处奥氏体内有少量的退火孪晶。当处奥氏体内有少量的退火孪晶。当处于外部载荷作用状态时，由于形变诱导可以产生大量的形于外部载荷作用状态时，由于形变诱导可以产生大量的形于外部载荷作用状态时，由于形变诱导可以产生大量的形于外部载荷作用状态时，由于形变诱导可以产生大量的形变孪晶。变孪晶。变孪晶。变孪晶。这种钢具有极高的塑性指标（最大延伸率可达这种钢具有极高的塑性指标（最大延伸率可达这种钢具有极高的塑性指标（最大延伸率可达这种钢具有极高的塑性指标（最大延伸率可达9595）和高的强度（和高的强度（和高的强度（和高的

6、强度（600-800MPa600-800MPa），高的应变硬化率，对冲击），高的应变硬化率，对冲击），高的应变硬化率，对冲击），高的应变硬化率，对冲击能量的吸收程度是现有高强钢的两倍。能量的吸收程度是现有高强钢的两倍。能量的吸收程度是现有高强钢的两倍。能量的吸收程度是现有高强钢的两倍。图2 力学性能与应变速率的关系曲线 图1 力学性能与试验温度的关系曲线TWIP钢的力学性能 图1 力学性能与试验温度的关系曲线TWIP钢钢中合金元素的作用中合金元素的作用通常层错能比较低的通常层错能比较低的通常层错能比较低的通常层错能比较低的fccfcc在变形过程中会出现形变孪在变形过程中会出现形变孪在变形过程中

7、会出现形变孪在变形过程中会出现形变孪晶。晶。晶。晶。MnMn 在高在高锰钢锰钢中中MnMn是是稳稳定奥氏体的主要元定奥氏体的主要元素素,可扩大可扩大 相相区区。使钢在室温下仍为奥氏体组织。使钢在室温下仍为奥氏体组织。Al Al 加入加入AlAl会增加堆垛层错能会增加堆垛层错能,而抑制而抑制相变相变,有有 利于产生变形孪晶。利于产生变形孪晶。Si Si 加入加入SiSi会降低堆垛层错能，可稳定会降低堆垛层错能，可稳定相变。相变。n nC、N元素以间隙原子的形态存在于钢中，元素以间隙原子的形态存在于钢中，是钉扎位错和阻碍位错滑移的主要元素。是钉扎位错和阻碍位错滑移的主要元素。由于由于C、N的间隙固

8、溶作用，提高了高锰钢的间隙固溶作用，提高了高锰钢形成层错的可能性，使钢的冷加工硬化性形成层错的可能性，使钢的冷加工硬化性增强。增强。微合金化钢的概念微合金化钢的概念“微合金化”是指这些元素在钢中的含量较低，通常低于0.1%（质量分数）。与钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是为改善钢材的性能有目的地加入钢中的，合金化元素主要影响钢的基体，而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。稀土在钢中的作用稀土在钢中的作用净化作用净化作用 稀土有脱氧、脱硫的作用。可以抑制磷、硫等低稀土有脱氧、脱硫的作用。可以抑制磷、硫等低 熔点杂质在晶界上偏聚。熔点杂质在晶

9、界上偏聚。变质作用变质作用 硫硫、氧氧等等与与稀稀土土作作用用，生生成成球球状状的的稀稀土土硫硫化化物物或或硫氧化物硫氧化物,取代长条状取代长条状MnSMnS夹杂，使夹杂变性。夹杂，使夹杂变性。合金化作用合金化作用 脱脱氧氧、脱脱硫硫和和变变质质夹夹杂杂后后富富裕裕的的稀稀土土会会固固溶溶在在钢钢中中，起起到到合合金金化化作作用用，有有净净化化晶晶界界和和固固溶溶强强化化的的作用。作用。稀土改善高锰钢性能的机理稀土改善高锰钢性能的机理细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化 稀稀土土化化合合物物在在钢钢液液中中充充当当了了结结晶晶核核心心，稀稀土土使使高高锰锰钢钢晶晶粒粒粗粗化化温温度度提提高大约高大

10、约100100，可获得较细晶粒度。，可获得较细晶粒度。晶界强化晶界强化晶界强化晶界强化 稀稀土土使使钢钢液液得得到到净净化化，减减少少了了氧氧化化物物和和硫硫化化物物在在晶晶界界上上的的析析出出，使使晶晶界得以强化。界得以强化。固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化 稀稀土土在在高高锰锰钢钢中中的的固固溶溶产产生生晶晶格格畸畸变变，提提高高对对位位错错运运动动的的阻阻力力而而达达到到强化。强化。质点强化质点强化质点强化质点强化 稀土夹杂物颗粒细小、坚硬，对高锰钢有质点强化作用。稀土夹杂物颗粒细小、坚硬，对高锰钢有质点强化作用。稀土的最佳加入量n n稀土在钢液中的溶解度不大，必须严格控制其在钢液中的含

11、量。若稀土元素加入量超过了与氧、硫反应所必需的数量，则剩余的稀土将在晶界上析出，形成熔点低于轧制温度的低熔点共晶体，热加工时容易产生裂纹，加入量少了又达不到硫化物变性的作用。NbNb、V V、TiTi在钢中的作用在钢中的作用阻止晶粒长大阻止晶粒长大阻止晶粒长大阻止晶粒长大 微微合合金金钢钢在在锻锻造造或或轧轧制制前前加加热热时时，未未溶溶解解的的微微合合金金碳碳氮氮化化物质点通过质点钉扎晶界机制，阻止晶粒长大。物质点通过质点钉扎晶界机制，阻止晶粒长大。阻止奥氏体形变再结晶阻止奥氏体形变再结晶阻止奥氏体形变再结晶阻止奥氏体形变再结晶 在在锻锻造造和和轧轧制制过过程程中中，析析出出的的碳碳氮氮化化

12、物物沉沉淀淀在在晶晶界界和和位位错错上起钉扎作用，抑制再结晶过程的进行。上起钉扎作用，抑制再结晶过程的进行。改变钢的显微组织改变钢的显微组织改变钢的显微组织改变钢的显微组织 微微合合金金元元素素会会固固定定钢钢中中一一部部分分C C、N N，影影响响钢钢中中组组织织的的相相对对量，并改变组织的分布和形态。量，并改变组织的分布和形态。NbNb、V V、TiTi在钢中的强化机制在钢中的强化机制晶粒细化晶粒细化 Nb、V、Ti可以有效控制钢在加热和变形中晶粒的长大，从而细化晶粒。对钢起到强化和韧化的作用。沉淀强化沉淀强化 Nb、V、Ti的碳、氮化物微粒通过过饱和固溶体而沉淀析出细小的弥散微粒分布于基

13、体相中产生沉淀强化作用。微合金化元素微合金化元素Nb 在在高高温温奥奥氏氏体体区区，NbNb以以固固溶溶原原子子的的拖拖曳曳作作用用为为主主，在在较较低低温温度度的的奥奥氏氏体体区区，以以应应变变诱诱导导析析出出和和未未溶溶的的Nb(CN)Nb(CN)粒粒子子对对晶晶界界的的钉钉扎扎作作用用为为主主。NbNb产产生生晶晶粒细化的效果最显著。粒细化的效果最显著。钢中加入钢中加入0.0050.0050.05%0.05%的的NbNb能提高钢的屈服能提高钢的屈服强度和冲击韧性，降低其脆性转变温度。强度和冲击韧性，降低其脆性转变温度。这这是是NbNb细细化晶粒以及沉淀化晶粒以及沉淀强强化的化的结结果。果

14、。微合金化元素微合金化元素TiTi的氮化物是在较高温度下形成的，这种化合物只是在高温下起控制晶粒长大作用。含Ti量较高，在提高强度的同时，塑性和韧性急剧下降。当钢中含有微量的Ti(0.030.1%)并避免在TiC较多溶于奥氏体的温度过多停留，其屈服点和屈强比将有所提高，同时不影响韧性和塑性。微合金元素微合金元素V V V的氮化物和碳化物在奥氏体区内几乎完全溶解，的氮化物和碳化物在奥氏体区内几乎完全溶解，因此对控制奥氏体晶粒不起作用，但是因此对控制奥氏体晶粒不起作用，但是V V的化合物的化合物在在/转变过程中或之后析出，产生析出强化。转变过程中或之后析出，产生析出强化。由由于于V V具具有有较较

15、强强的的沉沉淀淀强强化化效效果果，所所以以可可提提高高钢钢的的强强度度，特特别别是是屈屈服服点点和和屈屈强强比比，还还改改善善钢钢的的韧性。韧性。可可用用V V的的沉沉淀淀强强化化和和NbNb的的晶晶粒粒细细化化结结合合使使用用。使钢得到强化。使钢得到强化。微合金元素Pn n磷作为残余元素存在于钢中，当磷原子取代铁原磷作为残余元素存在于钢中，当磷原子取代铁原子形成置换固溶体时，则钢得到强化。在诸多置子形成置换固溶体时，则钢得到强化。在诸多置换固溶体形成元素中，磷的强化能力最大。换固溶体形成元素中，磷的强化能力最大。n n磷含量通常限制在磷含量通常限制在0.10%0.10%以下时以下时.磷对钢的

16、强化磷对钢的强化使延性很少恶化，对塑性应变值使延性很少恶化，对塑性应变值r r影响较小。影响较小。n n当钢中当钢中P.06%P.06%时，它具有稳定的小晶粒特征，时，它具有稳定的小晶粒特征，稀土与微合金的相互作用n n合金元素会影响钢中固溶稀土量钢中铌、钒、钛均有利于提高钢中稀土固溶量，其中以铌作用最为显著 n n稀土，可以使含铌、钒钢中的铌沉淀相析出数量增多，尺寸减小，弥散分布于钢的基体中，增加微合金元素的细晶强化和弥散强化作用 TWIPTWIP钢生产工艺对性能的影响钢生产工艺对性能的影响 热热轧轧：锰锰锰锰奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体钢钢钢钢的的的的变变变变形形形形阻阻阻阻力力力力较较较较大

17、大大大，柱柱柱柱状状状状晶晶晶晶发发发发达达达达，锻锻锻锻轧轧轧轧时时时时易易易易开开开开裂裂裂裂。宜宜宜宜低低低低温温温温浇浇浇浇注注注注；压压压压下下下下率率率率也也也也尽尽尽尽可可可可能能能能的的的的小小小小；锰锰锰锰钢钢钢钢的的的的导导导导热热热热率率率率小小小小而而而而线线线线膨膨膨膨胀胀胀胀大大大大，应应应应缓缓缓缓慢慢慢慢加加加加热热热热和和和和冷却。冷却。冷却。冷却。水水韧韧处处理理 将将将将钢钢钢钢加加加加热热热热到到到到AcmAcm以以以以上上上上保保保保温温温温一一一一段段段段时时时时间间间间，消消消消除除除除铸铸铸铸态态态态组组组组织织织织的的的的偏偏偏偏析析析析，奥奥

18、奥奥氏氏氏氏体体体体均均均均匀匀匀匀化化化化，快快快快冷冷冷冷得得得得到到到到过过过过冷冷冷冷奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体组组组组织织织织，获获获获得得得得细细细细晶晶晶晶，提提提提高高高高钢钢钢钢的的的的强强强强度度度度、塑塑塑塑性、韧性。性、韧性。性、韧性。性、韧性。冷轧冷轧 冷轧压下率为冷轧压下率为冷轧压下率为冷轧压下率为70707070作用可以获得良好的综作用可以获得良好的综作用可以获得良好的综作用可以获得良好的综合性能，屈服强度，拉伸强度，和合性能，屈服强度，拉伸强度，和合性能，屈服强度，拉伸强度，和合性能，屈服强度，拉伸强度，和R R R R值达到最高值达到最高值达到最高值达到最高奥氏

19、体高锰钢的强化机理奥氏体高锰钢的强化机理n n高密度位错缠结理论n n 形变孪晶机制 国内外TWIP钢的研究发展状况 多晶高锰奥氏体钢中TWIP作用的结构模型模拟TWIP机制对加工硬化的影响 3.研究内容n n（1 1）研究稀土，研究稀土，NbNb，V V，TiTi和和P P对对TWIPTWIP钢性能的钢性能的影响规律。影响规律。n n（2 2）研究研究TWIPTWIP钢中加入钢中加入P P来提高强度，保证塑来提高强度，保证塑性不降低的可能性。性不降低的可能性。n n(3(3）由于采用不同的合金元素由于采用不同的合金元素,从而研究各种成从而研究各种成分的钢的加工工艺参数（加热温度、终轧温度、分

20、的钢的加工工艺参数（加热温度、终轧温度、变形量、冷却速度及冷却方式等）的合适的方式。变形量、冷却速度及冷却方式等）的合适的方式。n n(4)(4)在此基础上研究在此基础上研究TWIPTWIP钢高强度，高塑性的机钢高强度，高塑性的机理理化学成分/wt%C/ppmSiMnAlVNbTiReP、SN/ppmFeO/ppm1-130032530.060.040.060.020 30bal301-20.082-130032530.020.040.060.02030bal302-20.043-130032530.020.040.060.02030bal303-20.04 430032530.010.030

21、.010.030.040.060.02030bal30 化学成分/wt%C/ppmSiMnAlpRe SN/ppmFeO/ppm1#20032530.120.040.060.020 30bal302#20032530.100.040.060.02030bal303#20032530.080.040.060.02030bal304#20032530.060.040.060.02030bal305#20032530.040.040.060.02030bal30TWIP钢的微合金设计与优化钢的冶炼、铸造TWIP钢轧制、热处理及工艺参数的优化奥氏体再结晶动力学特性的研究力学性能实验，测b、s、及杯突性

22、使用光学显微镜、SEM、TEM进行微观组织分析合金变化与性能变化的关系6.课题研究的重点与难点课题研究的重点与难点n n 重点：（重点：（1 1）研究化学成分对组织状态的影响，探讨微合金）研究化学成分对组织状态的影响，探讨微合金 化化元素在元素在TWIPTWIP钢中的作用，分析其组织强化机理。钢中的作用，分析其组织强化机理。n n（2 2）进行加工工艺及其参数（变形温度、变形速率及冷却方式等）进行加工工艺及其参数（变形温度、变形速率及冷却方式等）对孪晶形成机制与力学机械性能的影响。对孪晶形成机制与力学机械性能的影响。n n难点：难点：1 1）由于）由于TWIPTWIP钢的研究开发在国内仍属空白

23、，国外研究钢的研究开发在国内仍属空白，国外研究 工作也处于刚刚起步阶段，微合金的研究更是几乎没有，所以可参工作也处于刚刚起步阶段，微合金的研究更是几乎没有，所以可参考的文献极少；考的文献极少；n n（2 2）TWIPTWIP钢的形成，强化机理比较复杂，基础的理论还不完善，钢的形成，强化机理比较复杂，基础的理论还不完善，微合金化元素稀土、铌、钒、钛、磷对微合金化元素稀土、铌、钒、钛、磷对TWIPTWIP钢能否起到作用，起钢能否起到作用，起到多大作用，起作用的成分点还是未知。到多大作用，起作用的成分点还是未知。8.课题展开的进度与安排课题展开的进度与安排时时 间间 内内 容容 2004.5 200

24、4.5 2004.9 2004.9 查阅文献；查阅文献；2004.10 2004.10 2004.11 2004.11 制订实验方案及开题；制订实验方案及开题；2004.11 2004.11 2005.1 2005.1 进行进行TWIPTWIP钢的成分设计，经过钢的成分设计，经过 冶炼、热处理及轧制的工艺，冶炼、热处理及轧制的工艺，进行实验钢的试制；进行实验钢的试制；2005.2 2005.2 2005.9 2005.9 采用金相、采用金相、TEMTEM、SEMSEM等显微等显微 分析技术进行组织结构的研究，分析技术进行组织结构的研究，分析各微合金元素对钢材综合力分析各微合金元素对钢材综合力

25、学性能的影响情况；提出学性能的影响情况；提出TWIPTWIP钢钢 的优化成分；的优化成分；2005.10 2005.10 2005.11 2005.11 分析、总结实验结果，得到钢分析、总结实验结果，得到钢 的优化成分；的优化成分；2005.12 2005.12 2006.3 2006.3 撰写论文并准备答辩。撰写论文并准备答辩。7.课题研究的预期目标课题研究的预期目标 通过对钢的成分优化，使钢的性能指标达到 国外样品水平:强度600800MPa 塑性90%95%8.课题展开的进度与安排课题展开的进度与安排n n时时 间间 内内 容容n n2005.09 2005.09 2004.10 200

26、4.10 查阅文献；查阅文献；n n2005.10 2005.10 2005.11 2005.11 制订实验方案及开题；制订实验方案及开题；n n2005.11 2005.11 2006.01 2006.01 初步制定各个合金成分初步制定各个合金成分 冶炼、冶炼、热处理及轧制的工艺方案，进行实验钢的试制；热处理及轧制的工艺方案，进行实验钢的试制；TWIPTWIP钢再结晶动力学特性研究钢再结晶动力学特性研究n n2006.02 2006.02 2006.09 2006.09 进行组织结构的研究，分析进行组织结构的研究，分析合金成分、工艺对组织结构的影响以及对钢材综合力学合金成分、工艺对组织结构的影响以及对钢材综合力学性能的影响情况；性能的影响情况；提出合金元素对提出合金元素对TWIP TWIP 钢各项性能作钢各项性能作用的规律，从而找出用的规律，从而找出TWIPTWIP钢的最优化成分钢的最优化成分n n2006.10 2006.10 2006.11 2006.11 分析、总结实验结果，完善分析、总结实验结果，完善 钢的成分；钢的成分；n n2006.12 2006.12 2007.03 2007.03 撰写论文并准备答辩撰写论文并准备答辩 此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢