常州精密钢管博客

孤傲高冷的TWIP钢

孤傲高冷,和那些妖艳贱货完全不一样的

——TWIP钢


在世界钢协的《汽车先进高强度钢应用手册》中,将汽车用先进高强钢分为三代,并用一张经典的香蕉图描述了出来。


这张图从延伸率抗拉强度两个维度描述了主流的汽车用钢特征(虽然并不是太严谨):


位于最左边的IF钢(无间隙原子钢),是强度最低延伸率最高的,常用于制造深冲造型件;位于图最右边的MS钢(马氏体钢),是强度最高延伸率最低的,常用于简单成形的结构件。



整张香蕉图基本反映出了汽车用钢强度和延伸率之间的关系:他们就像一副跷跷板,一头高了,另一头就低了。


我们常说鱼与熊掌不可兼得,想得到高强度+高延伸率的材料是非常不容易的,能做到这一点的钢种一定不简单。


这个钢种也就是今天我们要讨论的主角【TWIP钢】,它孤傲高冷地占据着香蕉图右上角,展示出高强度+高延伸的“双高”属性


什么是TWIP钢?


TWIP是孪晶诱导塑性的英文缩写,顾名思义,这是一种具备TWIP效应的钢种。

(TWIP=Twinning Induced Plasticity)


注:类似的命名方式还有TRIP钢(具备TRIP效应的钢),详见历史文章【TRIP钢解析】。


TWIP钢因其具有高的能量吸收能力(是传统高强钢的2倍),高的刚度,可用于改善汽车的碰撞安全性能。


而且TWIP钢不仅具有极高的强度和延伸率,同时还具有极高的翻边成形性能,更容易制造出复杂形状的零件。由于综合性能非常优秀,因此吸引了汽车行业的广泛关注。


都说TWIP钢“双高”(高强度+高延伸)

但到底有多高?



目前工业化生产的TWIP钢如菲亚特标准MS.50002中的牌号TWC450Y950T,抗拉强度达到950MPa,延伸率达到47%。


这是个什么概念呢?我们用熟悉的材料对比下就一目了然了。


注:强塑积是个数学指标,通俗地说,他被创造出来用于评价先进高强钢“强度”和“延伸率”这副跷跷板。强塑积的数值越高,说明材料的“双高”属性越明显。


仅就力学性能而言,TWIP钢是我们材料人心中理想的钢铁材料,是工程师的“梦中情人”。


TWIP钢本质上是什么?


在汽车用钢的变形过程中,会出现各种效应,如TRIP效应、TWIP效应等,TWIP钢是一种优先产生TWIP效应,抑制TRIP效应的钢种。


TRIP(相变诱导塑性)效应是通过冷变形加工,将部分残余奥氏体转变成马氏体达到强化材料的机理。(较低层错能)


TWIP(孪晶诱导塑性)效应是通过冷变形加工,不断生成新的形变孪晶,并切割晶粒,使晶粒越来越细小,同时孪晶晶界具有类似普通晶界的作用,阻碍位错的滑移达到强化材料的机理。(较高且合适范围的层错能)


简单粗暴地表述,TWIP效应在提高强度和延伸率的方面效果要强于TRIP效应。


TWIP钢的变形机理

(觉得烧脑的话可以只看红字)


TWIP钢的变形主要以孪生方式进行,这是因为对于低层错能的奥氏体晶粒微小的变形就能使其内部产生大量的位错与层错缺陷,在切应力作用下位错源所产生的大量位错沿滑移面运动时遇到了障碍,位错被钉扎造成位错的塞积和缠结。随着应力的增大位错不断堆集,应力集中愈来愈大,滑移系很难再滑移运动,不能再通过滑移方式来继续塑性变形当应力集中在孪生方向达到临界应力值时,晶体就开始进行孪晶变形


随着应变量的增加,材料的显微组织中出现大量的高密度形变孪晶,并产生二次孪晶。初生孪晶与次生孪晶交互穿越、切割基体,增加运动的障碍,起到了细化晶粒的作用,极大提高了TWIP钢的强度


高应变区首先形成的孪晶界阻碍了该区滑移的进行,促使其它应变较低区域通过滑移进行形变直至孪晶的形成,这使试样发生均匀变形,显著推迟了缩颈的产生。同时对位错运动的阻碍也在一定程度上减少了加工硬化现象的发生,也使塑性变形能够持续进行,获得更大的延伸效果。


TWIP钢的典型成分体系

通常而言,TWIP钢的Mn含量很高(12~30%),并含有少量C (<1 %), Si (<3%)或 Al (<3 %)。它在室温下的组织为单一的奥氏体组织和少量退火孪晶组织。


TWIP钢含有大量Mn,是因为Mn对于保持Fe-Mn-Al 三元合金系的奥氏体组织结构至关重要,同时有利于控制铁基合金的层错能(SFE)。


TWIP钢通常添加铝,是因为铝能显著增加SFE,因此,稳定奥氏体,防止Fe-Mn合金在变形的时候发生相变,同时,铝可以通过固溶强化对奥氏体晶粒进行强化。


TWIP钢的优缺点


尽管TWIP钢在有着非常优异的力学性能和加工性能,如高强度、高延伸率、具备复杂成型能力、高疲劳性能等特点。


尽管欧洲,韩国及中国的钢厂和科研院所对TWIP钢进行了大量的研究和试制,无数科研人员日以继夜地攻关。


但TWIP钢仍存在一些暂时没有完美克服的问题,所以业界人士普遍认为,TWIP钢要实现商业化大批量生产依然任重道远。


缺点:

1、高合金导致的高成本

2、高合金导致的焊接性问题

3、延迟断裂(氢诱断裂)的隐患

4、机理仍然不是非常清晰

5、奥氏体的无磁特性和现有钢厂的现有设备存在不匹配的现象,及对钢厂的工艺控制要求非常高。


国内TWIP钢生产现状


国内目前宝钢股份(又是宝钢,不得不说宝钢在汽车板领域是国际顶尖水平的)已具备TWIP钢的工业化生产能力,并供应部分车厂使用。宝钢的TWIP钢牌号“HC450/950TW”将来或许也会成为业内的标杆。


当前的TWIP钢的钢级和汽车应用示例如下:

TWIP 500/900:A-柱,驾驶舱,前侧梁

TWIP 500/980:车轮,下部控制杆,前防撞梁和后防撞梁,B柱,车轮轮辋

TWIP 600/900:地板横梁,驾驶舱

TWIP 750/1000:车门防撞梁

TWIP 950/1200:车门防撞梁


后记


TWIP钢目前并未大面积使用,而且TWIP钢的机理有太多基础的、专业性的内容,很难转化成浅显易懂的文字,我们的专家团队一度非常犹豫是否需要进行解析。但考虑到作为一种先进的产品,不去了解他,或许在今后的业务中就会错失商机,所以我们做了最大程度简化的解析。


有道是“大学之大在大师,企业之强在强人”,企业是否成功重点就在于是否有“大师”和“强人”。然而大师不是一朝练成的,随着时代的进步,我们需要学习的知识和技能越来越多。


希望我们提供的知识共享平台,能为钢铁人提供学习交流的渠道,提升业内知识水平。


愿技术使合作更简单~





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