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TWIP钢锚杆的开发及应用前景

华建锋1，江利1

（中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏 徐州 221116）

摘要：本文介绍了孪生诱发塑性钢（TWIP）的国内外研究进展。重点阐述了化学成分、层错能、应变速率和晶粒尺寸对孪生诱发塑性的影响。这些论述有助于孪生诱发塑性钢的进一步研究和应用，并提出了TWIP 钢的研究方向，为解决汽车工业和煤矿安全发展中兼具高强度和高塑性材料选择提供新的途径。 关键词：TWIP；层错能；性能；发展 中图分类号：请查阅《中国图书馆分类法》

Abrstract:This article introduced the influences of organization and compositiong for the TRIP effect and also summaried researching outline of transformation induced plasticity 's factors in foreign.It Focused on that the chemical composition,microstructure,rolling,heat treatment system,the deformation temperature and stress state affected for the effect of the transformation induced plasticity.These phases contributed to further research and apply for transitions induced plasticity and it gave some suggestions of the study direction of TRIP steel and local steel companies should cooperate with research institutes,automobile industry and other industries in order to improve the quality of products.

Keywords: TRIP; Structure; Performance; Development

0 引言

随着我国煤矿开采深度的不断增加，矿井机械化开采程度提高而引起巷道断面不断扩大，使得巷道顶板与底板变形量增加，维护日益困难，通过改变U型钢支架间距又使支护费用增高，并难以使巷道维护状态得到改观的状态。我国煤矿1956年在岩石巷道开始研究应用光爆锚喷支护技术，在1975年原煤炭部将锚喷支护确定为井巷支护技术发展方向，1978年光爆锚喷支护技术列入了国家重点新技术推广项目名单，到1996年全国重点煤矿锚杆支护在岩石巷道中占57.34%，在半煤岩巷道中占31.87%，其中锚杆支护率达50%以上的有11个矿区[1]。但是，随着工业技术迅速发展的要求，以及我国煤炭资源的分布特点，迫切需要能同时具有高强度和高塑性的新型高强韧结构钢，一般性的钢种是不能满足这种要求的。因此，运用特殊强韧化方法，开发新型高强韧结构材料，以满足煤炭行业和其他行业的需求具有重要的意义和价值。从目前的研究和发展来看，孪生诱发塑性（TWIP）是一种能够同时提高钢的强度和塑性的有效强韧化方法[2]。

1 TWIP钢的研究现状

1.1 国内研究发展现状

国内对于TWIP钢的研究还处于基础研究阶段，并进入国家十一五科技攻关项目，自然科学基金资助项目，主要研究基本理论与成分优化、组织控制方面，材料加工成型与应用方面的研究还未涉及，国内冶金、金属材料相关的院校北京科技大学、东北大学和上海交通大学等少数高校进行研究，包括大型钢铁企业，莱钢、鞍钢、宝钢等冶金企业与部分汽车制造商进行初步试验探索，莱钢集团工艺研究所与北京科技大学冶金研究院合作在TWIP钢的生产工艺、成型方面进行了探索与研究，并开拓了新的应用领域。据相关文献[3,4]，北科主要集中在15Mn-30Mn多数TWIP钢的各方面研究；东北大学在TWIP钢研究也比较全面，最近正在热轧TWIP钢以及对TWIP钢新工艺的研究；上海交通大学在研究以氮、铌为合金化元素的新型TWIP钢。然而，中国矿业大学材料学院江教授首次提出TWIP钢作为矿井锚杆而使用，致力于新一代高强度高韧性锚杆的开发研究，并取得初步性进展。

1.2 国外研究发展现状

1997年O．Gr?ssel[5]等在研究Fe-Mn-Si-Al系TRIP钢时发现，当锰含量达到25%时，强塑积已超过了50000 MPa·%，是TRIP钢的2倍。随后又研究了Fe-20Mn-3Si-3Al，结果是当锰含量在20%以下时，钢在变形过程主要是以γ→ε→α转变的TRIP效应为主，抗拉强度为830Mpa，延伸率为52%；当锰含量超过25%时(Fe-25Mn-3Si-3Al)，钢在变形的过程中以TWIP效应为主，室温条件抗拉强度可达到750MPa，延伸率可达92%。德国马普钢铁研究所研制开发了Fe-Mn-Si-Al系TRIP/TWIP钢，即“HSD(High Strength Ductile)[6]钢。欧洲汽车用钢主供应商Arcelor公司和TKS公司的研发团队在合作开发，加强对该新钢种的研究和开发，这两家公司研发部门从2005年开始共同研制X-IP钢，即一系列Fe-Mn-C系以及Fe-Mn-Al-C系TWIP钢，目前已能向客户提供X-IP Fe-Mn 1000TWIP[7]钢，并被用在B型门株以上增加汽车侧面受冲击时的安全性，以后还将扩大TWIP钢的等级范围。韩国浦项公司自2002年以欧洲的汽车生产公司为对象进行TWIP钢发布会， 2003年被选定韩国政府主导课题并进行开发。韩国浦项制铁公司2007～2008年在世界知识产权组织(WIPO)申请的孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）典型专利技术，该专利特别详细介绍了浦项试生产高强度、高塑性以及具有优良涂镀性和加工型等特征的TWIP热轧板、冷轧板及镀层板的试生产状况。

2 成分对TWIP钢的影响

2.1 化学元素的影响 2.1.1碳的作用

碳对TWIP钢的力学性能具有显著的影响。碳在TWIP钢中有两个作用，一是促使形成单相奥氏体组织；二是可以通过固溶强化作用，从而为TWIP钢的高强高韧提供了前提条件。由于碳含量提高必须提高固溶温度或者时间固溶延长，这会导致晶粒长大；其次由于碳化物和奥氏体比容上的差异，碳化物溶于奥氏体后能引起超显微疏松，碳含量愈高，固溶后显微疏松愈严重，组织愈不致密，韧性愈低。碳原子能在位错周围压应力区域内富集，构成柯氏气团，钉扎位错，阻碍位错运动，在力学性能表现为强度增加，塑韧降低[8]。

1.1碳对TWIP钢固溶处理后的力学性能影响

热处理后机械性能（1050℃固溶处理） 碳含量/% 20℃ 0.63 0.74 0.81 1.05 1.18 1.32 300 290 242 227 198 116 不同温度时的?k（J/cm2） 0℃ 300 289 236 214 175 100 -20℃ 292 265 201 184 112 70 -40℃ 227 203 162 142 86 43 -60℃ 189 150 96 79 47 19 ?b/MPa 590 602 610 693 771 826 ?/% 89.7 85.3 76.6 69.6 65.4 53.7 ?/% 56 46.5 39.6 35.4 31.7 32.6 HRC - 15 18 19 18 17 1.48 89 70 40 27 6 879 50.8 30.9 20 2.1.2锰的作用

代永娟[8]等人通过热力学模型和层错能计算，拟合出锰元素的含量对层错能的影响公式如下：

γSF=2.619?0.484XMn+0.053X2Mn （1-1）

TWIP钢中锰主要是用于控制堆垛层错能的大小，随着锰含量的增加，奥氏体层错能降低，形变机制由TRIP钢的马氏体相变转变为TWIP钢的孪生诱导塑性变形。在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰的加入，韧性增加的同时[9,10]还能提高强度，硬度和淬透性，还能改善钢的热加工性能，会从一定程度上减弱钢的耐腐蚀性能，降低焊接性能。

2.1.3硅的作用

硅元素使得面心立方结构相的数量得到降低，获得了马氏体转变。Takaki等人发现在Fe-27Mn中加入2%的硅元素能够降低奥氏体的层错能，导致材料中层错的数量得到提高。而且，由于固溶强化，每增加1%的Si，TWIP钢的强度将提高5OMPa。Gr?ssel等人认为，Si元素的存在有利于γ（fcc）→α（hcp）相变。然而，由于Si含量的增加对TWIP钢的产业化起到负面效果，所以目前基本以3wt%Si含量为研究对象，并在逐渐探索其替代元素。

2.1.4铝的作用

铝在TWIP钢作脱氧元素加入,脱氧产物为Al2O3,同时铝能提高TWIP钢的层错能，抑制γ

[11-13]

但在高锰钢中由于Mn含量较高,根据质量作用定律,铝的脱氧能力有所（fcc）→α（hcp）相变

削弱。加入过量的铝并不能强化脱氧，还产生不利影响，如恶化铸造性能，降低塑韧性。图1.2指出，在TWIP 钢中，分别加入量有利于低温韧性提高。对此还需进一步研究，如此类作用稳定，将可以控制最终脱氧Al的加入量提高钢的低温韧性，对此产生有重大的现实意义。

2.2 不同成分的组织性能特点 2.2.1 Fe-xMn-3Si-3Al系

Gr?ssal 课题组以及黎倩等

[7]

[ 8]

对Fe-xMn-3Si-3Al 系TWIP 钢的力学性能和微观组织进行了较

深入的研究。随Mn 含量的增加, Fe-xMn-3S-i 3A l 系TWIP 钢表现出塑性提高、强度下降的趋势。这主要与它们的显微组织和形变机理密切相关。当Mn 含量较低时, 由于低锰合金的层错能较低, 形变中容易发生TRIP 效应(γ

fcc

→ε

hcp

,γ

fcc

→ε

hcp

→α

bcc

)形成马氏体, 马氏体作为硬化相, 对提高钢

的强度有重要贡献, 但会降低部分塑性, 故合金表现为强度较大、塑性相对较差。随着Mn含量的增加, 奥氏体的稳定性增加,形变前后皆为单一奥氏体组织,孪晶诱发的TWIP效应使合金塑性明显提高。在锰含量为25%，强塑积时达到最大, 说明锰含量过低或过高都会有害于TWIP 钢的力学性能。

2.2.2 Fe-Mn-C系

由于高硅高铝的成分设计给Fe-Mn-Si-Al系TWIP 钢的大规模工业化生产带来难以克服的困难,