刘敬广，景财年，甘洋洋，于承雪

(山东建筑大学材料科学与工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

汽车轻量化是指在保证汽车强度和安全性的前提下，尽可能的降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低污染。汽车轻量化的途径很多，其中最有效的方法就是采用高强度钢板来减薄车身的厚度[1]。研究表明[2]，在其他条件不变的情况下，汽车质量每减轻10%，则油耗可下降8% ～10%，并且制造成本降低9%左右。要想在降低油耗的同时提高安全性就必须采用高强塑积的钢材，如 DP、CP、TRIP(Transformation induced Plasticity)、HSLA等钢种。与常规的软钢和高强度钢相比较，TRIP、DP、CP、HSLA等高强度钢不仅具有高强度而且还有高断后伸长率，所以不断受到汽车制造商的关注。特别是TRIP钢更是以低廉的价格，优良的高速力学性能和疲劳性能而受到现代汽车制造业的青睐[3，4]。

国外对TRIP钢的研究起始于20世纪80年代，特别是德国、日本、韩国等都已走在了世界的前列。德国已研制出热镀锌TRIP钢，并且已经批量生产TRIP600、TRIP800等级别的钢板;韩国浦项已经研制出TRIP800、TRIP1000和TRIP1200级别的冷轧钢板;日本的钢铁公司也开发出了600～800MPa级别的TRIP钢并且实现了批量生产[3]。我国对TRIP钢的研究相对要晚一些，但近年来取得了极大的进步，目前宝钢、鞍钢等大型钢铁企业已具备了批量生产某几种型号的TRIP钢的能力。但关于合金元素对TRIP效应的影响的研究还亟需完善。结合国内外最新研究进展，本文详细的论述了合金元素对TRIP效应的影响。

1 TRIP效应的机理及影响因素

1.1 TRIP效应的机理

Sauveur[5]在 1924 年就报道，铁在相变时会出现软化，即对流变的抗力减少的现象。上世纪60年代，Zackey等[6]在研究高镍高铬钢中的奥氏体向马氏体转变时发现钢中存在TRIP效应，并开发了可供实际应用的TRIP钢。

TRIP效应就是含有一定量比较稳定的残余奥氏体，在外部载荷的作用下，诱发马氏体形核产生相变而转变为马氏体，使局部的硬度得到提高，继续变形比较困难，同时变形向周围的组织发生转移，颈缩的产生被推迟，随着相变的不断发展，材料获得了很高的塑性。残余奥氏体相变时体积增大，引起位错密度的增加，产生位错强化，材料的强度得到提高。钢板经相变后塑性和强度都提高的现象称为相变诱发塑性，简称 TRIP效应[2－7]。低碳 TRIP钢的相变诱发塑性机理如图1所示[8]。

图1 低碳TRIP钢的相变诱发塑性机理图[8]

1.2 影响TRIP效应的因素

影响TRIP效应的因素很多，包括显微组织、合金元素、生产工艺等。其中，含有一定量的稳定的残余奥氏体，是TRIP钢具有良好力学性能的关键[9];铁素体易吸收残余奥氏体转变为马氏体引起的体积膨胀，并且直接影响最终组织中残余奥氏体的成分、含量及形貌[10];贝氏体主要是提高钢的强度，对提高残余奥氏体的数量和稳定性都有积极的作用[11]。而影响残余奥氏体、铁素体和贝氏体的因素中，除了加热温度、等温时间、冷却速度等工艺参数外，化学成分是最重要的影响因素，所以研究合金元素对TRIP效应的影响意义重大。

2 合金元素对TRIP效应的影响

2.1 碳元素的影响

碳固溶于奥氏体中，可以扩大γ区，增加残余奥氏体的数量，提高其稳定性，使铁素体和贝氏体转变的C曲线右移，推迟了铁素体和贝氏体的转变，降低了Ms[12]。在奥氏体中碳的含量决定了残余奥氏体的量和稳定程度，残余奥氏体含碳量越高残余奥氏体的稳定性越好[13，14]。图2为试样在450℃保温60s时三种不同含碳量的钢的显微组织，图中灰色或亮灰色的为铁素体，呈白色的为残余奥氏体，由图可见随碳含量的增加，残余奥氏体的含量也增加。但是含碳量过高会降低钢的焊接性能，而如果含碳量太低则使残余奥氏体的稳定性大大降低，甚至没有TRIP效应出现[3]。研究表明，对于Rm=600～800MPa的TRIP钢，碳含量在0.10% ～0.20%最合适[15]。

2.2 铝元素的影响

Al元素有明显提高贝氏体相变后残余奥氏体中碳含量的作用，文献[16]指出在钢中加入质量分数为0.3% ～1.8%Al可导致t0温度向碳含量增高的方向移动，使钢中残余奥氏体的碳含量和奥氏体的稳定性得到明显的提高。大量文献表明[17－19]，Al是一种强烈的铁素体稳定元素，能够使铁素体区扩大，A3线上升，A4线下降，增加过冷奥氏体动态相变时的过冷度，有利于较小应变下动态相变的发生，还能够增加贝氏体体积分数并细化TRIP钢中的贝氏体组织。王艾青等[20]对 0.23C1.7Mn1.24Al钢进行了研究，结果表明，试验TRIP钢中Al元素的加入改变了合金相图的相区分布，随之影响了合金在加热与冷却过程中组织转变和力学性能。研究发现[21]，用Al取代部分或全部Si的TRIP钢同样能获得相变诱发塑性效应，而且具有良好的热浸镀锌性能，Al元素能抑制碳化物析出，替代Si后可以改善钢板的润湿性，提高表面质量。用Al代替Si后组织中铁素体晶粒间残余奥氏体的尺寸更加细小，分布更加弥散，使得力学性能更加优良，但由于铝的固溶强化能力很弱，完全替代硅后，材料的抗拉强度降低。图3是两种钢残余奥氏体随真实应变的变化关系[22]。由图可以看出，用Al部分代替Si后残余奥氏体的稳定性明显提高。

图3 1.50Al钢和 1.50Si钢残余奥氏体随应变的变化[22]

2.3 Si元素的影响

Si是铁素体形成元素，可以提高残余奥氏体的稳定性同时也起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度。对于(0.10% ～0.20%)C－Si－Mn系 TRIP钢，硅、锰质量分数应在1% ～2%范围内，当Si的含量低于1%的时候不能获得稳定的令人满意的TRIP效应，而超过1.5%时会给产品带来诸如铸造、焊接、热镀锌等多种缺陷，所以Si含量以1.5%为最佳[23]。另外，Si元素有缩小γ相区、提高C在铁素体中的活度的作用[11]。较高的硅含量有利于获得较多的残余奥氏体[24]，但是高的Si含量会使钢产生诸如坚硬的氧化层、差的表面性能，降低热轧钢板的湿润性、表面质量和冷轧钢板的涂层性能，使得热镀锌和电镀锌等产生困难[25，26]。

2.4 Mn元素的影响

Mn在钢中起固溶强化和降低Ms点的作用，进而提高残余奥氏体的稳定性，但是含量过高会降低残余奥氏体的稳定性[15]，目前应用和研究最广泛的TRIP钢主要是锰的质量分数小于2%的低锰钢。但是高Mn TRIP钢有较高的强度和延伸率，良好的成形性能及较低的比重，增加固溶处理的保温时间，可以提高高锰 TRIP 钢的强塑积[27]。李卫等[28]对高锰奥氏体钢的性能进行了研究，指出在1×10－3s－1的初始应变速率条件下，锰的质量分数为23.8%的实验钢可达到666MPa的抗拉强度和67%的伸长率，而锰的质量分数为33%的实验钢可达到540MPa的抗拉强度和97%的伸长率，随着锰的含量提高钢的抗拉强度略有降低，而伸长率则有明显的提高。文献[28，29]表明，当钢中同时存在 Si、Mn 两种元素时，Si元素会加剧Mn元素的偏聚程度，加强了Mn对C原子的拖拽作用，推迟了贝氏体的形成。而硅与锰相比较，硅对残留奥氏体的影响是主要的，并且认为随Si/Mn的比增大，残留奥氏体量增加。

2.5 其他元素的影响

硼元素能够阻碍碳化物的生成。张宇光等[29]对合金元素对TRIP钢连续冷却固态相变和硬度的影响进行了研究，结果表明，当钢中硼的含量达到0.14%时，能显著将CCT曲线图中的珠光体区与贝氏体区右移，硼对先共析铁素体相变和马氏体相变没有显著的影响。硼可以提高钢的淬透性，提高残余奥氏体的生成数量[30]。Cu能够提高残余奥氏体的含量及其含碳量，并且铝和铜共同作用时这种影响更明显[31，32]。文献[33]指出，Cu，Ni是奥氏体稳定元素，添加了Cu或者Cu+Ni的合金残余奥氏体的含量大大增加，伸长率可以达到34% －38%。Nb有利于TRIP钢获得优良的力学性能，还可以改善一定的延展性。江海涛等[34]对Nb的影响作用进行了研究，结果表明，在连续退火工艺条件下，Nb的存在细化了TRIP钢的微观组织，并且可以提高TRIP钢中残余奥氏体含量和残余奥氏体碳含量。Mo是一种铁素体形成元素，并降低贝氏体转变起始温度[24]。

近年来，随着人们对合金元素研究的不断深入，合金元素对TRIP的影响机理也不断的得以完善。今后我们的工作重点可以放在以下两个方面:(1)高锰TRIP钢的组织和性能的研究。高锰TRIP钢不需要添加贵重合金元素即可达到超强的韧性，比低合金TRIP钢具有更好的强度－塑性关系，并且高锰TRIP钢还具有较低的比重和较高的成形性能，所以研究锰含量对TRIP钢的影响具有非常大的现实意义和市场前景[27];(2)研究Mo、Nb等微合金元素对TRIP效应的影响。Mo主要起固溶强化的作用，可以弥补Al代替Si所导致的TRIP钢强度的损失[3]。另外，Mo是强烈稳定奥氏体的元素，还能够推迟铁素体的形成和延迟碳化物的析出。研究表明[36]，加入Mo和Nb的钢的强度和塑性均高于不含Mo或者Nb的钢，并且Nb和Mo复合加入时其强度和塑性更高。

3 展望

随着汽车产量的逐年增多以及人们对汽车安全性、舒适性、节能性等要求的不断提高，汽车轻量化是汽车产业发展的趋势。汽车轻量化的途径很多，其中最有效、最可行的方法就是采用高强度钢板代替普通钢板来减薄车身的厚度。尤其是先进高强度钢中的TRIP钢，凭借其优良的综合性能而成为科学界和工业界关注的热点。国内外对合金元素在TRIP效应中的作用的研究已开始了几十年且成果显著，但是对微量元素对TRIP效应的影响，以及各合金元素之间的相互作用等方面的研究还有待深入，我们应加强这方面的研究，掌握它们的变形机理，使其更好的为国民经济发展服务。

[1]冯齐，范军锋，王斌，等.汽车的轻量化技术与节能环保[J].汽车工艺与材料，2010(2):4－6.

[2]景财年，王作成，韩福涛.相变诱发塑性的影响因素研究进展[J].金属热处理，2005，30(2):26 －30.

[3]王晓东，王利，戎咏华.TRIP钢研究的现状与发展[J].热处理，2008，23(6):6 －18.

[4]郝晓东，张启富.相变诱导塑性钢热镀锌的研究进展[J].材料保护，2007，40(1):46 －49.

[5]Sauveur A.，What is a steel another answer[J].Iron Age，1924(113):581－583.

[6]Zackay V.F.，Parker E.R.，Fahr D.，et al.The enhancement of ductility on high strength steels[J].ASM Trans Quart，1967，60(2):252－259.

[7]刘永前，陈宇.相变诱导塑性钢生产现状与发展趋势[J].武汉工程职业技术学院学报，2010，22(3):23－25.

[8]王晓东.TRIP钢微结构—性能的表征与设计[D].上海:上海交通大学博士学位论文，2007.

[9]李壮，吴迪.TRIP钢热变形中奥氏体未结晶温度的研究[J].塑性工程学报，2007，14(2):20 －23.

[10]张迎晖，赵鸿金，康永林.TRIP钢热变形后冷却工艺的优化[J].钢铁，2007，42(3):52 －55.

[11]朱丽娟，吕义.TRIP钢相变诱发塑性的影响因素研究[J].汽车工艺与材料，2008(12):46－48.

[12]闫翠，李麟，符任钰，等.TRIP钢的研究进展[J].上海金属，2008，30(4):40 －44.

[13]Zaefferer S.，Ohlert J.and Bleck W.，A study of microstructure，transformation mechanisms and correlation between microstructure and mechanical properties of a low alloyed TRIP steel[J].Acta Materialia，2004，52(9):2765－2778.

[14]唐代明.TRIP钢TMP和热处理过程中的组织演变[J].特殊钢，2007，28(2):36 －38.

[15]唐代明.TRIP钢中合金元素的作用和处理工艺的研究进展[J].钢铁研究学报，2008，20(1):1 －5.

[16]李麟，刘仁东，张梅.相变诱发塑性钢研究开发的进展[J].鞍钢技术，2007(2):7－12.

[17]龚志华，赵莉萍，赵鸣，等.部分A1替代Si后TRIP钢的贝氏体转变[J].金属热处理，2011，36(7):32 －35.

[18]赵爱民，张宇光，赵征志，等.A1与P对TRIP钢固态相变的影响[J].材料热处理学报，2011，32(4):82 －85.

[19]肖鸿飞，李壮，李平瑞.以Al代Si对TRIP钢力学性能的影响[J].热加工工艺，2009，38(10):18 －21.

[20]王艾青，王建，张宇光，等.Al对TRIP钢两相区退火组织性能的影响[J].金属热处理，2010，35(9):56 －59.

[21]何方，孙新军，刘清友，等.高铝TRIP钢的微观组织与残余奥氏体稳定性研究[J].钢铁，2009，44(12):87 －90.

[22]景财年.CMnAl－TRIP钢组织性能研究[D].山东:山东大学，2007:35－50.

[23]朱丽娟，吴迪，赵宪明，等.TRIP钢在连续冷却过程中的相变行为[J].东北大学学报，2008，29(5):685 －689.

[24]张迎晖，赵鸿金，康永林.相变诱导塑性TRIP钢的研究进展[J].热加工工艺，2006，35(6):60 －65.

[25]尹云洋，杨王玥，李龙飞，等.Al部分替代Si对基于动态相变热轧TRIP钢组织控制的影响[J].金属学报，2008，44(11):1292－1298.

[26]De Cooman B.C.，Structure-properties relationship in TRIP steels containing carbide-free bainite[J].Current Opinion in Solid State and Materials Science.2004，8(3):285 －303.

[27]张维娜，刘振宇，王国栋.高锰TRIP钢的形变诱导马氏体相变及加工硬化行为[J].金属学报，2010，46(10):1230 －1236.

[28]李卫，唐正友，王玫，等.高锰奥氏体TRIP/TWIP钢的组织和力学性能[J].钢铁，2007，42(1):71 －75.

[29]CovarrubiasO.， GuerreroP. M.， ColasR.， etal.Transformation behavior of SI and MN bearing low carbon steels[A]，ED by B C DE cooman.Proceeding of the International Conference on TRIP-aided high strength ferrous alloys[C].Aachen:Mainz，2002:227 －230.

[30]Sakuma Y.，Matsumura O.and Takechi H.，Mechanical properties and retained austenite in intercritically heat-treated bainite-transformed steel and their variation with Si and Mn additions[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1991，22(2):489－498.

[31]张宇光，赵爱民，赵征志，等.合金元素对TRIP钢连续冷却固态相变和硬度的影响[J].沈阳工业大学学报，2010，32(4):390－394.

[32]Jun H.J.，Kang J.S.，Seo D.H.，et al.Effect of deformation and boron on microstructure and continuous cooling transformation in low carbon HSLA steels[J]. Materials Science and Engineering，2006，422(1):157 －162.

[33]景财年，刘在学，王作成，等.CMnAlCu-TRIP钢组织和力学性能研究[J].材料热处理学报，2009，30(2):67 －70.

[34]Kim S.J.，Lee C.G.，Lee T.H.，et al.Effect of copper addition on mechanical properties of 0.15C － 1.5Mn － 1.5Si TRIP-aided multiphase cold-rolled steelsheets[J]. ISIJ International，2002，42(12):1452 －1456.

[35]Edmonds V.D.and Cochrane C.R.，Structure-property relationships in bainite steels[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1990，21(6):1527－1538.

[36]江海涛，唐荻，米振莉，等.含铌TRIP钢连续退火后的组织性能及强化机理[J].北京科技大学学报，2010，32(2):201 －206.