含铝型TWIP钢的性能特点

作者：陈定乾

孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）是新一代奥氏体汽车高强钢。各种类型的TWIP钢都具有因孪晶变形产生的优良强韧性。TWIP钢虽然具有充分满足使用要求的拉伸特性，但是TWIP钢存在着氢脆的问题。TWIP钢钢种一般有Fe-15Mn-0.6C、Fe-16Mn-0.6C、Fe-17Mn-0.6C、Fe-18Mn-0.6C、Fe-22Mn-0.6C、Fe-17Mn-1.2C等，这些钢种几乎都是Fe-Mn-C三元系TWIP钢。含Al的Fe-15～18Mn-0.6C-1.5Al TWIP钢的氢脆敏感性小于无Al的TWIP钢。　　

　　添加Al可以降低TWIP钢的氢脆敏感性的原因是，Al使钢的屈服强度下降，由此降低了钢材中的残余应力。只要钢的组织不发生大的变化，TWIP钢的氢脆敏感性与钢的应力和氢含量有很好的相关关系。因此含Al的TWIP钢钢材中残余应力降低是钢材氢脆敏感性降低的一个原因。此外，钢材表面生成的Al2O3膜对氢侵入的抑制作用、以及Al对钢的应变时效的抑制作用和Al增加堆垛孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）是新一代奥氏体汽车高强钢。各种类型的TWIP钢都具有因孪晶变形产生的优良强韧性。TWIP钢虽然具有充分满足使用要求的拉伸特性，但是TWIP钢存在着氢脆的问题。TWIP钢钢种一般有Fe-15Mn-0.6C、Fe-16Mn-0.6C、Fe-17Mn-0.6C、Fe-18Mn-0.6C、Fe-22Mn-0.6C、Fe-17Mn-1.2C等，这些钢种几乎都是Fe-Mn-C三元系TWIP钢。含Al的Fe-15～18Mn-0.6C-1.5Al TWIP钢的氢脆敏感性小于无Al的TWIP钢。　　 Al的TWIP钢钢材氢脆敏感性降低的重要原因。但各个因素抑制氢脆作用的大小并不明了。因此有必要对各个因素的作用进行定量评价。

　　添加Al可以降低TWIP钢的氢脆敏感性的原因是，Al使钢的屈服强度下降，由此降低了钢材中的残余应力。只要钢的组织不发生大的变化，TWIP钢的氢脆敏感性与钢的应力和氢含量有很好的相关关系。因此含Al的TWIP钢钢材中残余应力降低是钢材氢脆敏感性降低的一个原因。此外，钢材表面生成的Al2O3膜对氢侵入的抑制作用、以及Al对钢的应变时效的抑制作用和Al增加堆垛层错能对孪晶变形的抑制作用等因素也是使含Al的TWIP钢钢材氢脆敏感性降低的重要原因。但各个因素抑制氢脆作用的大小并不明了。因此有必要对各个因素的作用进行定量评价。

　　在采用的充氢拉伸试验中，位错运动将氢运送到试样的各个部位，并且氢可以不断深入到起始于试样表面的裂纹前端，所以能够清晰地观察到氢脆形貌。该方法已经成功用于Fe-Mn-C三元系TWIP钢的氢脆特性评价。有研究报告指出，Fe-Mn-C奥氏体钢的氢脆发生晶界断裂。假定晶界裂纹发生的原因是晶界强度下降，并且晶界裂纹发生是影响试样断裂行为的主要因素，那么，存在于钢中晶界、位错和孔洞的氢就没有起着促进晶界断裂的作用。

　　含Al和无Al钢的断裂应力－扩散性氢含量定量关系存在差异的原因之一是，捕获扩散性氢的缺陷密度和缺陷分布的差异。由于位错密度和孪晶密度随含Al量的增加而下降。所以，晶界和孪晶界等诱发断裂界面上的氢分布，因Al含量的不同而变化。

　　钢中添加Al增加了堆垛层错能，对孪晶变形起到抑制作用，因此晶界断裂受到抑制。在这种情况下，孪晶界面裂纹和特定滑移面上的局部滑移成为影响氢脆的主要因素，因此产生了准解理断裂。此外，出现的脆性断裂部位在大大超过晶粒直径的范围内呈现为平滑状态。出现很大的平滑区域的原因可以用以下两个因素给予说明。第一，高Mn钢的准解理断裂沿｛111｝晶面发生。第二，在室温下对Fe-Mn-C TWIP钢施加拉伸变形时，在〈111〉方向上形成强织构组织。当准解理断裂面垂直于拉伸方向时，｛111｝晶面中的近似垂直于拉伸方向的晶面发生准解理断裂。由于在拉伸方向形成〈111〉织构组织，所以解理断裂一旦发生，即使脆性裂纹夹在晶界之间，断口仍呈平滑状态。

　　含Al的 TWIP钢和无Al 的TWIP钢一样断裂应力与扩散性氢含量有着幂指数关系。无Al 的TWIP钢的断裂模式是晶界断裂，而含Al的TWIP钢的断裂模式是准解理断裂。添加Al引起断裂模式的变化和氢渗入量的下降，是充氢环境下钢的伸长率提高的结果。由于添加Al有抑制孪晶变形和动态应变时效的作用，所以不论有无氢的影响，含Al的TWIP钢的屈服应力和断裂应力都小于无Al的TWIP钢。层错能对孪晶变形的抑制作用等因素也是使含

　　在采用的充氢拉伸试验中，位错运动将氢运送到试样的各个部位，并且氢可以不断深入到起始于试样表面的裂纹前端，所以能够清晰地观察到氢脆形貌。该方法已经成功用于Fe-Mn-C三元系TWIP钢的氢脆特性评价。有研究报告指出，Fe-Mn-C奥氏体钢的氢脆发生晶界断裂。假定晶界裂纹发生的原因是晶界强度下降，并且晶界裂纹发生是影响试样断裂行为的主要因素，那么，存在于钢中晶界、位错和孔洞的氢就没有起着促进晶界断裂的作用。

　　含Al和无Al钢的断裂应力－扩散性氢含量定量关系存在差异的原因之一是，捕获扩散性氢的缺陷密度和缺陷分布的差异。由于位错密度和孪晶密度随含Al量的增加而下降。所以，晶界和孪晶界等诱发断裂界面上的氢分布，因Al含量的不同而变化。

　　钢中添加Al增加了堆垛层错能，对孪晶变形起到抑制作用，因此晶界断裂受到抑制。在这种情况下，孪晶界面裂纹和特定滑移面上的局部滑移成为影响氢脆的主要因素，因此产生了准解理断裂。此外，出现的脆性断裂部位在大大超过晶粒直径的范围内呈现为平滑状态。出现很大的平滑区域的原因可以用以下两个因素给予说明。第一，高Mn钢的准解理断裂沿｛111｝晶面发生。第二，在室温下对Fe-Mn-C TWIP钢施加拉伸变形时，在〈111〉方向上形成强织构组织。当准解理断裂面垂直于拉伸方向时，｛111｝晶面中的近似垂直于拉伸方向的晶面发生准解理断裂。由于在拉伸方向形成〈111〉织构组织，所以解理断裂一旦发生，即使脆性裂纹夹在晶界之间，断口仍呈平滑状态。

　　含Al的 TWIP钢和无Al 的TWIP钢一样断裂应力与扩散性氢含量有着幂指数关系。无Al 的TWIP钢的断裂模式是晶界断裂，而含Al的TWIP钢的断裂模式是准解理断裂。添加Al引起断裂模式的变化和氢渗入量的下降，是充氢环境下钢的伸长率提高的结果。由于添加Al有抑制孪晶变形和动态应变时效的作用，所以不论有无氢的影响，含Al的TWIP钢的屈服应力和断裂应力都小于无Al的TWIP钢。