汽車用TWIP1000鋼的組織和性能

楊國慶 張 梅,2,3

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444； 3.上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室，上海 200444)

隨著能源和環境問題日益突出，人們對汽車安全性的關注度不斷提高，在保證安全的前提下實現汽車輕量化已成為汽車工業的主要發展方向[1]。先進高強鋼是輕量化汽車的主要材料，兼具高強度和較好的成形性能，已被廣泛用于汽車車身。采用先進高強鋼板可減輕車身質量、提高車身安全性及性價比。TWIP鋼和雙相鋼都具有高的強度和良好的塑性，是汽車輕量化的理想用料。

TWIP鋼是第二代先進高強度鋼的一種，是一種低層錯能合金鋼，室溫組織為奧氏體，具有極高的斷后伸長率(最高可達95%)和較高的抗拉強度(800 MPa以上)[2- 3]。室溫下，TWIP鋼的微觀組織奧氏體晶粒內含有大量細長平行的孿晶板條[4]。TWIP鋼變形過程中高強度、高斷后伸長率的特點與變形時所發生的TWIP效應密切相關。因其形變過程中能產生大量形變孿晶、推遲縮頸的形成，具有優異的強塑性及高應變硬化性、高能量吸收率(20 ℃時吸收能達到0.5 J/ram3)[5]而得名，是一種理想的汽車用耐沖擊結構材料。但是，目前對TWIP鋼的研究主要集中在組織、性能和生產工藝方面，關于成形性能的研究較少[6- 7]。本文研究了第二代先進高強度TWIP1000鋼的組織、力學性能和脹形性能，并與第一代先進高強度DP600鋼作了比較。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

研究用TWIP1000鋼和DP600鋼板的厚度均為2 mm，采用直讀光譜儀測定的化學成分如表1所示。

表1 TWIP1000鋼和DP600鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the TWIP1000 and the DP600 steels(mass fraction) %

分別從TWIP1000和DP600冷軋鋼板上切取10 mm×10 mm的正方形試樣，TWIP1000鋼采用4%(體積分數，下同)的硝酸酒精溶液腐蝕5～10 s，DP600鋼采用Lepera試劑(1%的偏重亞硫酸鈉水溶液與4%的苦味酸乙醇溶液等體積混合)腐蝕10～15 s。兩種鋼的顯微組織如圖1所示。

圖1(a)為DP600鋼的顯微組織，由鐵素體和馬氏體組成，圖中黑色為鐵素體，白色為馬氏體。用圖像處理軟件計算得出DP600鋼中馬氏體的體積分數為20%～25%。圖1(b)為TWIP1000鋼的顯微組織，為奧氏體，晶粒直徑5～15 μm。

1.2 單軸拉伸試驗

圖1 DP600和TWIP1000鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of DP600 and TWIP1000 steels

采用單軸拉伸試驗測定鋼的力學性能[8]，拉伸試樣尺寸如圖2所示。沿鋼板軋制方向、與軋制方向成45°和垂直于軋制方向切取3個試樣，分別記為0°、45°、90°試樣，拉伸速率為10 mm/min。

圖2 單軸拉伸試驗試樣尺寸Fig.2 Dimension of the specimen for uniaxial tensile test

1.3 極限拉深試驗

采用極限拉深試驗測定鋼的拉深性能[9]，極限拉深比(limit drawing ratio, LDR)是衡量板材拉深成形性能的指標。采用圖3所示不同直徑的試樣，按照逐級改變直徑的操作程序進行拉深成形，測定拉深試樣底部圓角附近的壁部不產生破裂時允許使用的最大試樣直徑D0max，試驗結束后用D0max計算材料的極限拉深形變性能即極限拉深比，LDR=D0max/dp。

試驗過程中，首先預估最大試樣直徑所在區間，然后進行少量圓片的拉深，確定最大試樣直徑所在區間后再按國標取相鄰兩級圓片試樣直徑的差值。試驗時設定凸模速度1 mm/s，凸模行程80 mm，以保證其完全成形。壓邊力通過經驗公式確定，對于試驗的兩種鋼，當壓邊力為10 kN時，能很好成形且壓邊圈下面的材料不起皺。由于板厚為2 mm，根據國標得到模具尺寸：凸模直徑dp=50 mm，凸模圓角半徑rp=5 mm，凹模內徑Dd=57 mm，凹模圓角半徑rd=25 mm。

圖3 DP600鋼和TWIP1000鋼的極限拉深試樣Fig.3 Ultimate drawing test specimens of the DP600 and TWIP1000 steels

1.4 脹形性能測試

采用埃里克森杯突試驗測定鋼板的脹形性能[10]。試驗過程：用一定規格的鋼球或球狀沖頭，向周邊具有10 kN夾緊力的試板施加壓力，直至試樣產生穿透裂紋為止，沖頭壓入深度(mm)即為被測板材的杯突值，用來評定材料的脹形性能。穿透裂紋是指穿透整個試樣厚度的裂紋，且裂紋的寬度為剛好能透光。杯突試驗用模具尺寸如圖4所示。

2 試驗結果

2.1 拉伸性能

圖5為TWIP1000鋼和DP600鋼板的工程應力- 工程應變曲線。在單軸拉伸過程中，試板的變形過程通常可以分為4個階段，即均勻變形階段、擴散性失穩階段、集中性失穩階段和斷裂階段[11]。觀察圖5可以發現，兩種試驗鋼的拉伸應力- 應變曲線有明顯的差異。DP600鋼的拉伸變形呈現出典型的連續屈服行為[12]，變形過程(圖5(a))有完整的均勻變形階段、擴散性失穩階段、集中性失穩階段和斷裂階段；而TWIP1000鋼雖具有更高的總斷后伸長率，有明顯的均勻變形階段和斷裂階段，但其頸縮失穩階段并不明顯(圖5(b))。此外，TWIP1000鋼的應力- 應變曲線的后半段呈明顯的鋸齒狀。

圖4 杯突試驗用模具簡圖Fig.4 Sketch drawing of the die used for Erichsen test

圖5 DP600鋼和TWIP1000鋼的工程應力- 工程應變曲線Fig.5 Engineering stress- engineering strain curves of the DP600 and TWIP1000 steels

表2列出了兩種試驗鋼板材的力學性能(除r值外，其余均為3個方向試樣的平均值)。與DP600鋼相比，TWIP1000鋼具有更高的斷后伸長率、更好的應變硬化性能及拉延性能。

表2 TWIP1000鋼和DP600鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of the TWIP1000 and DP600 steels

2.2 極限拉深性能

圖6為兩種試驗鋼的極限拉深試驗結果。對于DP600鋼，當圓片直徑為111.25 mm時，拉深的6個試樣均未破裂(圖6(a))；當圓片直徑為112.5 mm時，拉深的6個試樣均發生了破裂(圖6(b))。而對于TWIP1000鋼，當圓片直徑為115 mm時，拉深的6個試樣均未破裂(圖6(d))，當圓片直徑為116.25 mm時，拉深的6個試樣全部破裂(圖6(e))。根據國標計算可得，DP600鋼的極限拉深比為2.24，TWIP1000鋼的極限拉深比為2.31。圖6(c)和6(f)分別為兩種拉深試樣恰好未破裂時的杯口凸耳，可見凸耳都不很明顯，表明這兩種鋼板具有較有限的平面各向異性，這與單軸拉伸試驗計算出的材料平面各向異性指數相吻合。

圖6 DP600鋼和TWIP1000鋼的極限拉深試驗結果Fig.6 Ultimate drawing test results for the DP600 and TWIP1000 steels

2.3 脹形性能

圖7為兩種鋼的埃里克森杯突試驗結果。DP600鋼的3個杯突值分別為14.56、14.55和14.43 mm(凸球直徑為30 mm)。在測試TWIP1000鋼板的脹形性能時發現，由于球狀凸頭行程的限制，無論采用大直徑球頭(凸球直徑30 mm)的凸模還是小直徑球頭(凸球直徑15 mm)的凸模，設備的凸模行程達到極限時，鋼板仍未破裂。這表明，與DP600鋼相比，TWIP1000鋼板具有優異的脹形性能。

圖7 DP600鋼和TWIP1000鋼試樣埃里克森試驗后的形貌Fig.7 Morphologies of the DP600 steel and TWIP1000 steel samples after Erichsen test

3 分析與討論

從單軸拉伸試驗結果看，TWIP1000鋼的斷后伸長率大于60%，DP600鋼的斷后伸長率約為28%，前者是后者的2倍多。而DP600鋼的極限拉深比為2.24，TWIP1000鋼的極限拉深比為2.31，TWIP1000鋼的優勢并不明顯。為了分析材料在形變過程中的厚度變化，將兩種材料發生破裂前的杯形件沿中軸線切開，沿切口輪廓畫2 mm的等間距刻度線，如圖8所示，然后測量其厚度分布，并與單軸拉伸的力學性能進行對比。

圖9(a)和9(b)分別為兩種鋼單軸拉伸和極限拉深試驗時的減薄率變化，橫坐標以試樣的對稱軸線作為0點位置。如圖9(a)所示，由于拉伸過程中TWIP效應持續使材料強化，導致拉伸試樣的大部分平行段發生較大的均勻伸長，TWIP1000鋼在均勻變形段的減薄率顯著大于DP600鋼，因此其斷后伸長率較高。而在斷裂部位，DP600鋼的減薄率較大，甚至超過TWIP1000鋼，也即若以斷面收縮率表征兩種鋼的塑性，則DP600鋼與TWIP1000鋼的差異將顯著減小，甚至在數值上優于TWIP1000鋼。在TWIP鋼試樣幾何尺寸相同的部分能發生較大的均勻伸長，但頸縮現象并不明顯。如圖9(b)所示，兩種鋼減薄最嚴重的區域都位于杯底圓角處，其次是杯底，TWIP1000鋼杯底區域的減薄率顯著大于DP600鋼。不同于簡單的單軸拉伸試驗，在極限拉深試驗中，圓片邊緣區域既受到徑向拉伸，又受到周向的擠壓[13]，圓片的邊緣區域會增厚，表現為拉深成形的杯形件壁部增厚。拉深杯體的壁部增厚后，便不易進一步減薄，材料能均勻減薄伸展的區域局限在杯體底部。單軸拉伸試驗中，TWIP鋼具有高斷后伸長率是由于標距部分材料能均勻減薄。而在拉深試驗中，雖然TWIP效應使減薄區域材料得到強化，但由于特殊的幾何形狀，材料能均勻減薄伸展的區域受到限制，故TWIP1000鋼的極限拉深比(2.31)與DP600鋼的(2.24)差值很小。據此可以推測，拉深圓筒件或盒形件時，TWIP1000鋼與DP600鋼相比，沒有明顯的成形優勢。這在工程上對于材料的選用具有重要的指導意義，但還有待深入研究。

圖8 沿中線切開的DP600鋼和TWIP1000鋼極限拉深試樣和單軸拉伸試樣Fig.8 Ultimate drawing specimens and uniaxial tensile specimens of the DP600 steel and TWIP1000 steel cut in half

圖9 DP600鋼和TWIP1000鋼拉伸試樣和極限拉深試樣的減薄率變化Fig.9 Variation in reduction rate of tensile specimens and ultimate drawing specimens of the DP600 steel and TWIP1000 steel

DP600鋼與TWIP1000鋼不同的拉伸變形特性導致其杯形件拉深破裂斷口的形貌也不相同，如圖10所示。圖10表明，DP600鋼板的拉深斷口更加齊整，TWIP1000鋼的拉深斷口則參差不齊。由于DP600鋼在拉伸變形中具有明顯的頸縮現象，破裂前頸縮區的材料能達到更大的減薄率，材料的薄弱區更加集中，還有拉深試驗模具的幾何形狀，導致拉深破裂的杯形件出現了齊整的斷口。相反，TWIP1000鋼的拉伸變形頸縮不明顯，破裂前材料的薄弱區比較分散，因此拉深斷口參差不齊。

圖10 破裂的DP600鋼和TWP1000鋼極限拉深試樣Fig.10 Cracked ultimate drawing specimens ofthe DP600 steel and TWIP1000 steel

4 結論

(1)TWIP1000鋼的抗拉強度為977 MPa、屈服強度為501 MPa、斷后伸長率為62.3%，n值為0.33；DP600鋼的抗拉強度為624 MPa、屈服強度為391 MPa、斷后伸長率28.1%，n值為0.17。兩種鋼的平面各向異性都不顯著，但TWIP1000鋼的各向異性稍大于DP600鋼。TWIP1000鋼的拉伸應力- 應變曲線的后半段呈明顯的鋸齒狀，材料頸縮后的后續伸長量較為有限。TWIP1000鋼的力學性能顯著優于DP600鋼。

(2)DP600鋼和TWIP1000鋼的極限拉深比分別為2.24和2.31，二者差異不明顯。TWIP鋼的斷后伸長率較高是由于標距范圍內材料均勻延伸所致，但拉深杯形件的特殊形狀限制了材料能均勻延伸的區域，因而TWIP鋼的特性未能完全顯現出來。DP600鋼拉深試樣的斷口比較齊整，而TWIP1000鋼拉深試樣的斷口參差不齊。

(3)DP600鋼的平均杯突值為14.51 mm(凸球直徑為30 mm)，由于TWIP1000鋼脹形性能良好，杯突試驗時均未破裂，TWIP1000鋼板的脹形性能優于DP600鋼板。