TRIP钢工艺、原理、性能、综合概述.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013-3-16,#,年终总结,第一部分：文献阅读与理论学习,阅读文献总量为中文文献,36,篇，英文文献,17,篇，基本是从先易后难，先了解后深入，先中文后英文的顺序完成的。总体可以分为以下几个部分：,一 贝氏体简要介绍,二、,TRIP,钢国际前沿,三、贝氏体中主要元素及微量元素对贝氏体性能和,TRIP,效应影响,四、贝氏体形成机制与微观机理,五、热处理工艺对贝氏体钢性能的影响,六、热处理工艺以及热模拟初步了解,一、贝氏体简要介绍,:,钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内，过冷奥氏体发生贝氏体转变，又称中温转变。,贝氏体是由铁素体和碳化物组成的机械混合物，贝氏体转变是有扩散有共格的转变，扩散是指在转变过程中发生碳在铁素体中的扩散，共格是指奥氏体向铁素体转变是通过切变的方式进行晶格改组，新相铁素体和母相奥氏体保持一定的位相关系。,由于贝氏体中含碳量、合金元素以及转变温度不同，钢中贝氏体组织形态有很大差异，可分为上贝氏体（贝氏体区间较高温度）和下贝氏体两大类。,光学显微镜下，上贝氏体组织为典型羽毛状，在电子显微镜下，上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的断续的短杆状的渗碳体所构成，铁素体含过饱和的碳，存在位错纠缠。在光学显微镜下，下贝氏体呈黑色针状，可以在奥氏体晶界上形成，更多在奥氏体晶内沿某些晶面单独或成堆长成针叶状。电子显微镜下，下贝氏体由含碳过饱和的片状铁素体和其内部析出的微细,-,碳化物组成。,其中上下贝氏体显微特征形成机理将在第三部分的贝氏体形成机制与微观机理中作详细阐述。,二、,TRIP,钢国际前沿：,TRIP,钢是一种具有高强塑性的高强钢，其强塑积可达,21000MPa.%,作为汽车用钢的应用前景十分广阔。,目前,TRIP,钢在,TRIP,效应、成分设计、成形性、焊接性、,可镀性、动态力学性能等方面的研究十分活跃，已取得显著成果，并且在相图计算应用于成分和组织设计的研究方面已取得明显进展,1,。,其中,TRIP,钢优异力学性能源于马氏体强化、,TRIP,效应（量和时间）及二者的最优匹配，马氏体相变动力学是控制两者匹配的关键,2,。目前主要有基于应力辅助、应变诱发、和热诱发马氏体相变的三类相变热力学和动力学模型。,成形性、焊接性、可镀性都是指,TRIP,钢的使用性能，这些性能的好坏与,TRIP,钢的成分设计，热处理工艺有直接关系例如：,TRIP,钢中,C,元素含量越高，焊接性能越差。,Si,元素含量太高，则,TRIP,钢的热镀锌性能变差,3,。合理的成分搭配和热处理工艺得到的目标,TRIP,钢中残余奥氏体较多，切稳定性适中，这样在变形过程中产生持续的,TRIP,效应，得到良好的综合性能，即强塑积较高。,相图计算应用于成分和组织研究一个主要方面是相变温度测定和,CCT,曲线绘制，主要方法有热分析法、织构法、强度法、金相法、和热膨胀法。如在热模拟中经常用到膨胀法测定,CCT,曲线（包括动态和静态），为制定合理的热处理工艺提供理论依据。如文献,46,。,通过以上阐述得出：对,TRIP,钢的研究还是集中于以下几个方面：,一、残余奥氏（数量和形态）体对,TRIP,效应的影响,二、热处理工艺对,TRIP,效应的影响,三、合金元素对,TRIP,效应的影响,而研究手段则是多种多样，目的就是优化,TRIP,效应。,三、贝氏体中主要元素及微量元素对贝氏体性能和,TRIP,效应影响,通常认为，碳、锰、硅、铝是低合金,TRIP,钢中的基本元素,7,。,（,1,）,碳 是奥氏体稳定元素 ，在奥氏体中碳含量决定了残余奥氏体的量和稳定程度。碳 含量越高 残奥数量越多，奥氏体稳定性也越高，有利于,TRIP,效应产生，但是焊接性能恶化，并且固溶强化增强导致强度增强，塑性下降。所以在满足力学性能的前提下，尽量降低钢的含碳量。,（,2,）硅是铁素体形成元素，他一方面可以抑制冷却过程中渗碳体的形成，另一方面可以增加奥氏体的稳定性。所以传统,TRIP,钢一般硅含量较高。但是硅含量高也会导致钢表面形成坚硬的氧化层，降低图涂层能力，给热镀锌带来极大困难。,（,3,）锰是奥氏体形成元素，可是渗碳体开始析出的温度降低，使,TRIP,钢的,Ms,点下降，残余奥氏体含量增加，但是过高,Mn,含量会导致组织呈带状化，并且会引起残余奥石头过分稳定，不利于,TRIP,效应发生。,（,4,）对于铝有不同的说法，但是普遍认为铝能有效抑制贝氏体相变过程渗碳体的析出，而且加速贝氏体的形成 。铝含量高会提高参与奥氏体的含碳量 因而增加残余奥氏体的稳定性，但是铝增加也显著提高,Ms,点，这又会降低参与奥氏体的稳定性。因此铝对残余奥氏体稳定性有双重作用，因此需恰当控制铝含量，并且,四、贝氏体形成机制与微观机理,一、首先从宏观上讲贝氏体转变具有以下特点：,（,1,）贝氏体转变是一个形核与长大的过程,上贝氏体中铁素体晶核一般优先在奥氏体晶界贫碳区上形成，下贝氏体由于过冷度大，铁素体晶核可在奥氏体晶内形成。这些与上下贝氏体最终形态有直接联系。,（,2,）贝氏体中铁素体的形成是按照马氏体转变机制进行的,贝氏体中铁素体和奥氏体保持共格联系并沿母相奥氏体特定晶面依靠切边而长大。贝氏体中铁素体与母相奥氏体保持严格的结晶学位相关系,贝氏体铁素体按马氏体转变机制形核原因：过冷奥氏体中存在碳原子的扩散重分布，造成贫碳区和富碳区，假设等温温度是,T1,，当某一贫碳区的碳含量低于某一临界值,C1(,对应,Ms,为,T1),，其,Ms,点已经高于,T1,此时，这一贫碳区在,T1,温度就通过马氏体转变机制形成铁素体。,（,3,）贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关贝氏体在中温区不同等温温度，由于贝氏体中碳化物分布不同，可以形成不同类型的贝氏体,8,。,对于低碳钢，如果转变温度比较高，碳原子扩散能力比较强，在贝氏体中铁素体形成的同时，碳原子可以由铁素体通过铁素体,奥氏体相界面向奥氏体进行充分的扩散，从而得到由条状铁素体组成的无碳化物贝氏体。如果转变温度较低，处于上贝氏体转变温度范围内，此时碳原子由铁元素通过铁素体,-,奥氏体相界面向奥氏体的扩散不能充分进行。因此得到铁素体条间分布断续渗碳体的羽毛状贝氏体。,与硅不同，铝不具有固溶强化作用，用铝代替部分硅会导致强度下用部分铝代替硅造成的强度损失应该用其他提高强度的措施来补偿。,微合金元素作用：,微合金元素Nb,可以有效控制,TRIP,钢的奥氏体化、再结晶、晶粒长大以及元素迁移，还可以控制热轧、临界区退火、贝氏体形成温度范围内的等温和应变过程中的各种相变，影响奥氏体向铁素体和贝氏体的转变及残余奥氏体积分数和稳定性，这些均有利于,TRIP,钢获得良好的力学性能。固溶状态的铌能延迟热变形过程中静态和动态结晶及奥氏体向铁素体的转变,8,。,Mo,是一种铁素体形成元素并降低贝氏体起始转变温度，在含,Nb,的钢中加入,Mo,会进一步使强度和韧性综合提高，而且可以降低,Si,的含量，,Mo,起重要的溶质拖曳作用，碳化物的析出被推迟。并强烈延迟奥氏体向铁素体和珠光体的转变。,Cu,、,Ni,是奥氏体稳定元素添加了,Cu,和,Cu+Ni,的合金残余奥氏体的含量大大增加，伸长率可达,34%38%,同时抗拉强度达到,800850MPa,。,常见的,TRIP,钢中合金元素还有,V,、,P,、,Nr,等，文献,9,给出了主要合金元素对,TRIP,钢在连续退火过程中相变行为的影响规律图。,此外出主要合金元素,Mn,、,Si,、,C,、,Al,等在,TRIP,钢中作用规律研究较成熟，观点比较一致外。其他一些合金元素研究者们的观点并不完全相同，所以文献中的有关微量合金元素作用只可作为参考。,二、贝氏体形成过的原理与过程分析,（）贝氏体铁素体的无扩散转变条件示意图,上图取自文献,10,。,贝氏体转变时，铁素体是通过马氏体转变机制形成的。从热力学角度讲，如果是无扩散的转变，必须满足生成相的自由能低于转变相的自由能，即,，如上图所示，横轴代表浓度，纵轴为自由能。只有满足浓度位于,左侧时才能发生无扩散转变。,以上只是最基本的贝氏体铁素体生成原理，在实际中要考虑其他因素的影响。首先奥氏体密度最大，体积最小，发生相变是体积膨胀，伴随应力能增加。要克服这部分应力能就要提高,到,，,因为温度升高自由能都增加，但是奥氏体自由能比铁素体自由能增加要快。,（,2,）不同形态贝氏体（上、下贝氏体）形成过程示意图,上图可以清楚看出温度是影响贝氏体形态的关键因素，在较高温度时，碳在铁素体中扩散速度较高，但在奥氏体中扩散较慢，因此碳元素在铁素体晶界富集，析出渗碳体，如上图上贝氏体（,upper bainite,）。温度较低时，碳在奥氏体中的扩散更困难，但在铁素体中扩散仍可进行，因而碳原子只能在铁素体某些境界偏聚，析出,-,碳化物，如上图下贝氏体（,lower bainite,）,五、热处理工艺对,TRIP,钢的影响,首先，合适的热处理工艺的目的是获得钢的性能的最优化，对于,TRIP,刚而言，就是获得合适的基体组织（贝氏体晶粒和晶间亚结构）和最优化,TRIP,效应，而优化,TRIP,效应主要是得到残奥数量和稳定性合理匹配。,其次由于,TRIP,钢原始成分，各合金元素含量不同，热处理工艺也非常多。我们只能借鉴前人的经验探究其中的规律。以下为分类总结：,TRIP,钢热处理工艺,前期,奥氏体化,文献,【,文件夹,】,临界区退火处理,【,文件夹,】,动态热变形热轧，热锻等,【,热模拟,】,后期,贝氏体区间等温淬火,【,文件夹,】,卷取工艺等,【,热模拟,】,六、热处理工艺以及热模拟初步了解,按照惯例，通常控制轧制的主要目的是通过,(1),细化初始奥氏体晶粒,(2),改变晶粒形状，例如饼形化，来增加每单位体积的晶粒界面积，,(3),增加晶粒内缺陷,(,变形带和孪晶界,),的密度，来细化铁素体晶粒尺寸。,控制轧制工艺包括把钢坯加热到最适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形温度以及轧后按工艺要求来冷却钢材。通常将控制轧制工艺分为,三个阶段,：,（,1),变形和奥氏体再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了,Y,晶粒经过在,Y,再结晶区域内的反复变形和再结晶而逐步得到细化的阶段；,(2),低温奥氏体变形阶段，当轧制变形进入,Y,未再结晶区域内时，变形后的,Y,晶粒不再发生再结晶，而呈现加工硬化状态，这种加工硬化了的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用，使相变后的,A(,铁素体,),晶粒细小；,(3),(Y+a),两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到,Ar3,温度以下时，不但,Y,晶粒，部分相变后的,a,晶粒也要被轧制变形，从而在,a,晶粒内形成亚晶，,促进,a,晶粒的进一步细化。,控制冷却三个阶段,轧后控制冷却工艺一般也分成从终轧开始到变形奥氏体向铁素体开始相变温度,Ar3,间的冷却，从,Ar3,温度至奥氏体相变完了的整个相变过程的冷却和奥氏体相变完了至室温的冷却三个阶段。,第一阶段：冷却的目的是为相变作组织上的准备。,第二阶段：冷却控制了奥氏体的整个相变过程，十分重要。,第三阶段：根据李曼云等人的理论，则不是很重要。,第三部分：实验部分,一、实验设备掌握,掌握并能亲自操作线切割（切样、简单维护）、照金相、打硬度、本课题组热处理炉。,熟悉了,MTS,，对拉伸、疲劳过程比较熟悉、需要时应该能很快上手。,对最基本的磨金相、抛光、腐蚀也掌握基本技巧。,二、本学期所做实验,1#,、,3#,钢等温淬火，主要是,1,0.15C-1.88Mn-1.41Si,1#,、,3#,钢奥氏体化 等温淬火 空冷,1#,钢奥氏体化 空冷 双相区处理 等温淬火 空冷,全部热处理工艺表,表一、等温淬火工艺表,材料编号,奥氏体化温度,+,时间,等温温度（）,贝氏体转变完全所用时间,选取时间,1#,960,+20min,375,52min,52min,180min,355,72min,10min,40min,72min,180min,3#,900,+20min,300,6h,6h,275,13h,4h,9h,13h,表二、,1#,钢双相区处理,+,等温淬火工艺表,奥氏体化温度（,）,双相区处理温度（,）,双相区处理时间,等温淬火温度（,）,等温淬火时间,960,780,2min,320,180min,350,4min,320,350,10min,320,10h,820,2min,320,1,0min,注：上表中划掉的代表中途取消,实验结果,钢号,热处理工艺,硬度,结果分析,1#,355-72min,403,双相区,+,等温淬火处理后硬度降低，而且随双相区等温时间越长硬度越低，原因可能是渗碳体未能完全溶解，渗碳体是硬脆相，所以随双相区等温时间越长渗碳体溶解越多，硬度降低。但是铁素体,+,渗碳体的珠光体类组织硬度低于奥氏体化,+,等温淬火形成的下贝氏体组织。,按照这个原理预测：随双相区处理时间的延长硬度值会出现一个最低点，过了这个最低点，硬度会升高，甚至超过奥氏体化加等温淬火获得的贝氏体组织硬度,355-180min,401,375-52min,391,375-180min,403,780-2min+320-180min,356,780-2min+350-180min,357,780-4min+320-180min,284,780-4min+350-180min,292,3#,275-13h,522,3#,硬度高是因为得到细小均匀地贝氏体组织，并且,275-13h,组织更细小，与细晶强化同理,300-6h,504,1-780,（,120s,）,-350,1-780,（,240s,）,-350,1-780,240s,）,-320,1-780,（,120s,）,-320,780-120-350,780-240-320,780-240-350,780-120-320,通过上图的对比能看出，双相区等温时间对金相组织影响较大。可以看出相同的等温淬火条件时，双相区等温时间长，则金相里边一些粒状的组织变得更细小，因为等温淬火条件一致，所以极有可能是双相区等温时间的影响，等温时间越长，原来组织（可能为粒状珠光体或被熔的成碎片的片状珠光体）转变越多，变得越细小。或者是铁素体颗粒，因为铁素体颗粒是空冷时后生成相，在双相区先被熔，随等温时间长被熔的铁素体越多，剩余的铁素体颗粒越小，而奥氏体含碳量越低等温淬火后硬度越低。见,page2427,。,3-275-13h,3-300-6h,780-120s-320,780-240-320,1-780-10h-320,780-120-350,780-240-350,1#-355-10min,1#-355-40min,1#-355-72min,1#-355-180min,1-355-72,1-355-180,1-375-52,1-375-180,1-355-10,1-355-40,1-355-72,1-355-180,