材料1202 20122192 张春阳
孪生诱变塑性钢
1.定义：孪生诱发塑性 ( Twinning Induced Plasticity)钢，通常叫做TWIP 钢，是1997年, Grassel等在试验研究 Fe-Mn-Si-Al系TRIP钢时发现 ,当锰含量达到 25wt% ,铝含量超过3wt%,硅含量在2wt%～3wt%之间时,其抗拉强度(Rm)和延伸率(A)的乘积在50000MPa%以上,是高强韧性TRIP钢的两倍。
由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成而不是TRIP钢中的相变,故命名为孪生诱发塑性 ( Twinning Induced Plasticity, TWIP)钢。
是目前先进高强度钢的研究热点。
2.发展历程：TWIP 钢的研发经历了以下几代:第一代TWIP钢,其典型成分为Fe225Mn23Al23Si ,锻造成棒材,经高温退火后水淬,然而较高含量的Al 影响钢水的浇铸,较高含量的Si 影响冷轧板的镀锌质量 ;第二代TWIP 钢,其典型成分为Fe223Mn2016C ,铸造成板坯,经热轧、冷轧、高温退火后快速冷却,它去除了合金元素铝和硅,却出现了以前奥氏体和高强度钢存在的延迟断裂、一定程度的切口敏感性两大问题 ;目前钢厂和研究机构正研制第三代TWIP 钢 ,主要集中在高Mn 钢中通过置换固溶原子(Mn , Al , Si) 成分调整来获得TWIP 效应。
国外对TWIP 钢的研究比较多, TWIP 钢的研究在欧洲和韩国较热,德国的K1
H1Spitzer 等人针对Fe2Mn2Si2Al 系TRIP/ TWIP 钢的冶炼工艺及轧制工艺等问题进行了实验研究,采用DSC(Direct strip casting)工艺制备出10～15mm厚的试验板材 ,国际上做的较好的是阿塞洛和蒂森合作开发的具有TWIP 效应的
X2IPTM高锰系列钢种[9210] ,安赛乐米塔尔与蒂森克虏伯两家公司正在合作研
发新型TWIP 钢。
3.TWIP 效应：孪晶在形变温度为-70℃以下的面心立方奥氏体中形成，形变速率可低至10-4/s。
在形变过程中，高应变区孪晶的形成，其孪晶界阻止了该区域滑移的进行，促使其它应变较低的区域通过滑移进行形变，直至那些区域也形成孪晶，由此造成试样的均匀形变，显著推迟缩颈的产生。
TWIP 效应产生条件：TWIP 钢具有良好强韧性的关键(即TWIP 效应产生的条件) 在于:低温时具有稳定的奥氏体组织和较低层错能。
研究表明: 当层错能( SFE) <16 mJ / m2 、奥氏体向马氏体转变的吉布斯自由能△G< 0 时, 有利于γ→α和γ→εα马氏体转变[ 13214 ] ;当25 < SFE < 80 mJ / m2 , △G > 0 时发生TWIP 效应[14 ] ;当层错能大于80 mJ / m2 时,变形机制主要为全位错滑移。
TWIP 钢是变形时孪晶诱导塑性( Twinning induced plasticity)或通过应变诱导残留奥氏体转变为马氏体 TWIP(Twining Induced Plasticity)钢经轧制并退火、水淬处理后基体组织为奥氏体，并伴有大量退火孪晶。
孪生作为塑性变形的另一种机制，在发生孪生的过程中孪晶出现的频率和尺寸取决于晶体结构和层错能的大小。
当晶体在切应力的作用下发生了孪生变形时，晶体的一部分沿一定的孪生面和孪生方向相对于另一部分晶体作均匀的切变，晶体的点阵类型不发生变化，但它使均匀切变区中的晶体取向发生变更，变为与未切变区晶体成镜面对称的取向。
变形部分的晶体位向发生改变，可是原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，可以进一步激发滑移。
孪生与滑移交替进行，使TWIP钢的塑性非常优异。
在轧制过程中，随着形变增加，孪晶会发生转动，在4个{1 1 1)孪生面都会出现堆垛层错和孪晶，这样排列的孪晶因孪晶问的相互制约，在应变量增加时孪晶不能发生转动，沿轧制面排列。
TWIP 效应可分步解释
为: ①拉伸变形最大的部位首先诱发孪晶,孪晶界阻止了该区滑移的进行从而导致位错的塞积,是局部的强度提高,难以继续变形,导致变形向其他应变较低区转移,从而推迟颈缩的形成,极大提高了断后延伸率。
②拉伸后的奥氏体晶粒内包含大量的形变孪晶。
粗大的透镜状形变孪晶从奥氏体晶界处向晶内贯穿,分割奥氏体晶粒。
接着,更细小的形变孪晶呈交织状分布于奥氏体晶粒内。
实质上,分割晶粒后的孪晶起到了亚晶界的作用,阻碍了位错的滑移,这就起到了加工硬化的作用,使得TWIP 钢在变形后获得非常高的抗拉强度。
③由于孪晶与奥氏体基体的共格作用,高的界面能不利于裂纹的扩展,因此宏观表现为拉伸是的伸长率,特别是均匀伸长率的提高。
4.现状：汽车的轻量化是现代汽车工业的发展方向, 为此, 先进高强韧性钢应运而生, 如双相(DP) 钢、相变诱发塑性( TRIP) 钢。
1997 年,Grassel 等[ 223 ] 在研究Fe2Mn2Si2Al 系TRIP 钢时发现,当锰含量(质量分数) 达到25 % ,铝含量超过3 % ,硅含量在2 %～3 %之间时,其抗拉强度和延伸率的乘在50 000 MPa %以上,是高强韧性TRIP 钢的两倍。
由于该类合金的高强韧性来自形变过程中孪晶的形成,而不是TRIP 钢中的相变,故命名为孪生诱发塑性( twinning inducedplasticity , TWIP) 钢。
TWIP钢具有中等的抗拉强度(约600MPa)和极高的延伸率(大于80% )。
除此之外,另二个令人瞩目的力学性能是具有高的能量吸收能力和没有低温脆性转变温度。
如20℃时约为0. 5J/mm3[4],为传统深冲钢的两倍以上;在-196℃~200℃形变温度区间内没有低温脆性转变温度。
孪晶诱发塑性(TWlP)钢是第二代高强度用钢的一种，因其形变过程中能产生大量形变孪晶、推迟缩颈的形成，具有优异的强塑性以及高应变硬化性、高能量吸收能力(20℃时吸收能达到0．5J／ram3)[2]而得名，是一种理想的汽车用抗冲击结构
材料。
Grassal等口3在研究Fe-Mn-Si—Al系TRIP钢时发现了该钢，并提出孪晶诱发塑性(TWIP)的概念，经过成分筛选，发现Fe-25Mn-3Si-3AI合金有最佳的TwIP效应，其研发和实用化对汽车用钢板产业和汽车产业的调整升级起着重要作用，具有巨大的经济开发潜力。
国外知名钢铁企业和研究机构在TwIP钢的成分设计、处理工艺、微观机理等方面开展了广泛研究，目前，典型成分除Fe_Mn-siIAl系外，还有Fe-Mn-C系和Fe-Mn-AlC系TWIP钢。
国内的上海大学、上海交通大学、北京科技大学、东北大学等高校研究机构联合上海宝钢、鞍山鞍钢等大型钢铁企业在此领域进行了深入的研究。
5.未来研究方向：TWIP 钢显示出很大的潜力,其发展正处于实验研究向产业转化阶段, 所面临的主要问题是TWIP 钢的加工工艺,特别是冷轧工艺,这就需要加强对TWIP 钢轧制工艺进行深入细致的研究。
此外,孪晶、层错能及其计算也相当重要。
随着对TWIP 钢研究的进一步深入,有理由相信研制和开发含Nb/ N、较高碳、低硅、低铝或不含铝的新一代高强韧性TWIP 钢,对钢铁工业和汽车轻量化的发展将起到积极地推动作用,必将产生重要的经济意义。
今后TWIP钢研究将主要集中在以下几点。
(1)更加深人的成分优化，以探求更高强塑积或性能稳定化的成分配比，例如通过掺杂合金元素来改善TWIP钢的耐腐蚀性能。
(2)TWIP 钢形变过程中亚结构对外加应力场的响应规律，深化对于孪晶诱导塑性机制的理解。
(3)TwIP钢在生产制备过程中的相关问题，特别是覆镀性、焊接性、烘烤硬化性的研究，以促进实验室研究向产业化生产的转变。