相变诱导塑性 (TRIP) 钢是一种具有出色强度和延展性的钢合金。相变诱导塑性是指塑性变形过程中残余奥氏体W转变为马氏体W。这一特性使 TRIP 钢具有高成形性，同时保持出色的强度。在金属加工过程中，通常必须在强度和延展性之间做出妥协。[1]图 1 中的图表证明了这一点，该图表显示了冷加工过程中强度和延展性之间的妥协。TRIP 钢的优势在于，它们的延展性比其他具有类似强度的钢高得多。[2] TRIP 钢的延展性和强度使其成为汽车应用的绝佳选择。事实上，结构部件可以做得更薄，因为 TRIP 钢具有承受冲压等高变形过程所需的延展性，以及符合安全法规的强度和能量吸收特性。
内容
基础材料科学原理
TRIP钢成分
TRIP 钢是亚共析铁碳合金，通常含碳量为 0.1 – 0.4 %（重量）。TRIP 钢还含有合金元素，可防止高碳渗碳体W相的沉淀，而这种相在室温下存在于典型钢中。这提高了奥氏体相的碳浓度，使其在室温下变得稳定。硅和铝是用于稳定室温下奥氏体相的两种最常见元素。[4]还可以添加其他合金元素，如钛、铌、钒等，以提高合金的强度。
加工方法
为了生产出强度高、延展性好的 TRIP 钢，需要采用临界间退火工艺来获得正确的相分布。[5]在临界间退火过程中，钢的温度被加热到共析温度W以上，此时材料由固态奥氏体相和固态铁素体相组成。奥氏体相是一种高温固相，仅在 727 摄氏度以上的温度下才能达到平衡状态。[6]然后将材料等温冷却到约 400 摄氏度，[4]以使奥氏体形成贝氏体铁素体相。在共析转变过程中，低碳铁素体相的形成会产生过量的碳。在典型的钢合金中，过量的碳会形成高碳渗碳体相。然而，硅和铝会阻止渗碳体的形成。因此，过量的碳会扩散到剩余的奥氏体相中。为了获得正确的微观结构，重要的是等温转变必须在贝氏体铁素体的形成速度足够慢的温度下完成，以使碳能够扩散到奥氏体中。富含碳的奥氏体相最终达到足够高的碳含量，从而在室温下保持稳定。[7]临界区退火过程的结果是材料主要由铁素体和贝氏体 W 组成，贝氏体W是在临界区退火过程中由奥氏体相形成的，还有分散的残余奥氏体和马氏体相。图 2 显示了相的示意图，图 3 显示了用扫描电子显微镜W拍摄的显微照片，图中可以看到晶粒微观结构。图 4 描绘了铁相图上的临界区退火过程。图 5 展示了临界区退火过程中铁素体和奥氏体相的碳浓度。
“TRIP”效应
相变诱导塑性现象发生在残余奥氏体在塑性变形过程中转变为马氏体时。[1]残余奥氏体相变会产生高碳马氏体相，这种相非常脆。 但残余奥氏体在铁素体相中分散非常细。 这种精细的分散使 TRIP 钢能够保持其强度。 奥氏体向马氏体的转变几乎是瞬间完成的，且完全没有扩散。[8]在 TRIP 钢中，塑性变形会在微观区域形成马氏体成核点，从而产生较大的变形。[9]这些成核点会触发马氏体相的形成。 成核区称为剪切带，孪生或堆垛层错束等晶体缺陷W就位于此处。
TRIP 钢的材料特性
图 6 显示了 TRIP 钢的典型工程应力-应变曲线。可以看出，TRIP 钢具有大量的加工硬化。高加工硬化可以归因于 TRIP 效应，以及 TRIP 钢主要由软铁素体和硬贝氏体组成这一事实。这种“双相”特性允许铁素体相局部变形，同时保持高抗拉强度。事实上，它们的抗拉强度W通常是其屈服强度W的两倍。[2]这意味着 TRIP 钢还表现出非常稳定的加工硬化，其中颈缩发生在相对较高的伸长率值（超过 25%）。这使得 TRIP 钢成为冲压或弯曲等成型操作的理想选择。成型操作通常受到部件因壁变薄而导致的强度损失或因材料达到其成型极限而破裂的限制。TRIP 钢非常适合此类操作，因为它们具有高成型极限和稳定的屈服点伸长率，从而增加了成型部件的结构完整性。
提高TRIP钢的性能
改善 TRIP 钢的镀锌表面光洁度
热浸镀锌是广泛使用的钢材表面处理方法。在此过程中，熔融的锌与铁结合形成一层防腐蚀层。原始的 TRIP 钢仅含有硅作为合金元素，用于抑制渗碳体相的形成。这些合金中的硅含量约为 1.5% （重量）。这种相对较高的硅含量在镀锌过程之前在钢材表面形成了氧化硅。[10]这种氧化物严重降低了镀锌表面涂层的性能。[4]较新的 TRIP 钢已部分或全部用铝代替硅作为合金成分。铝起着与硅相同的作用，但不会对镀锌过程中的表面光洁度产生负面影响。因此，可以降低硅含量，同时保持钢材的 TRIP 性能。
高强度微合金化 TRIP 钢
基本 TRIP 钢的抗拉强度约为 600 MPa。但通过改变合金含量，TRIP 钢的抗拉强度可超过 800 MPa。这最初是通过将合金的碳含量提高到约 0.4 重量％ 来实现的。[1]但如此高的碳含量会导致焊接性差。同样，由于碳含量的增加，残余奥氏体变得更加稳定，从而降低了 TRIP 钢的成形性。可以使用钛、铌和钒等合金元素来增加 TRIP 钢的抗拉强度，而不是增加碳含量。[1]这些合金元素通过沉淀硬化W来提高钢的强度，同时对焊接性和成形性的影响微乎其微。
提高汽车燃油效率
TRIP 钢是汽车结构材料的理想选择。它们具有承受冲压等高变形过程所需的延展性和稳定的加工硬化。此外，它们的高抗拉强度使它们成为高应力部件的理想选择。最后，由于它们的延展性和强度，它们具有出色的能量吸收性能，可以提高碰撞期间车辆的安全性。由于这些有益的特性，TRIP 钢可以少量使用来替代当前的钢部件。这被称为“减薄”，即使用更薄的钢板来形成部件。
减重估算
一辆普通乘用车大约有 55% 的质量是由钢制成的。[11]研究表明，使用 TRIP 钢可以将低碳钢成型板的体积减少 20%，同时保持相同的刚度。[12]因此，可以假设，使用 TRIP 钢可以将车辆上的钢材质量减少 20%，将车辆总质量减少 11%。
减轻重量对燃油效率的影响
直接用于恢复制动惯性损失的燃料消耗占燃料消耗总量的 5.8%。[13]使用 TRIP 钢可减轻重量，从而减少 11% 的惯性损失，因为动能与质量成正比。这意味着使用 TRIP 钢可使总燃料消耗减少 0.64%。
请注意，这是一个非常保守的假设，因为滚动阻力W也取决于质量，并且未包含在此示例中。
全球范围内的影响程度
如果我们假设一辆普通乘用车每 100 公里（23.5 英里/加仑）消耗 10 升燃油，而一辆普通汽车一年行驶 20,000 公里（12,500 英里），那么减轻重量就意味着每年可减少 12.8 升（3.33 加仑）的燃油消耗。2007 年，美国共有 1,360 亿辆乘用车。[14]这意味着在汽车制造中使用 TRIP 钢可以减少 17.4 亿升（4.6 亿加仑）的燃油消耗。这意味着二氧化碳排放量将减少 41.8 亿公斤（19 亿磅），占美国二氧化碳总排放量的 0.07%。[15]
TRIP 钢的经济性
钢之所以被广泛使用，是因为其强度高、易成形，而且相对于其他金属来说成本低。钛、镁和铝等金属具有较高的强度重量比，可以显著减轻汽车部件的重量。然而，由于储量较少、生产成本和加工成本较高，它们的价格要高得多。此外，这些金属的全球供应量也相当有限。这些因素使得这些金属无法广泛用于大多数人驾驶的低端量产汽车。TRIP 钢不会遇到任何这些困难，因为它们是低合金钢。在钢铁加工中实施临界间退火步骤应该不会很困难。这意味着 TRIP 钢可以以与其他高强度钢相同的价格生产。TRIP 钢在市场整合中面临的最大障碍是镀锌表面光洁度差。镀锌工艺用于大量汽车部件，因为它简单、便宜且有效。随着最近发现铝可以替代硅，TRIP 钢不再面临过去的镀锌困难。现在可以以经济可行的方式有效地防止 TRIP 钢受到腐蚀，这意味着我们可能在不久的将来看到 TRIP 钢产品的商业化生产。
参考
- ↑跳至：1.0 1.1 1.2 1.3 M. Zhang & Al.，“微合金TRIP钢的连续冷却转变图和性能”，材料科学与工程A 438-440，2006年。
- ↑跳至：2.0 2.1 美国钢铁公司 TRIP 钢材 (2009) 网址： http: //web.archive.org/web/20111007042208/http://xnet3.uss.com/auto/tech/grades/TRIP_main.htm
- ↑ A. Mark，《微观结构对相变诱发塑性钢中残余奥氏体稳定性的影响》，博士论文，皇后大学，2007 年。
- ↑跳至：4.0 4.1 4.2 S. Chatterjee & Al.，“Delta TRIP 钢”，材料科学与技术，第 23 卷第 7 期，819-827，2007 年。
- ↑ E. Emadoddin & Al.“冷轧压缩率和临界退火温度对两种TRIP辅助钢板本体织构的影响”，材料加工技术杂志203，293-300，2008年。
- ↑ William D. Callister，《材料科学与工程导论》，第 7 版，Wiley，2007 年，第 292 页
- ↑ Qiang Liu & Al.，“780 MPa冷轧TRIP辅助钢的研究与开发”，国际矿物、冶金和材料杂志，第16卷，第4期，399-406，2009年。
- ↑ William D. Callister，《材料科学与工程导论》，第 7 版，Wiley，2007 年，第 331 页
- ↑ GB Olson、Morris Cohen，《应变诱发马氏体成核动力学》，《冶金学报 A》，第 6A 卷，971，1975 年。
- ↑ Wolfgang Bleck，《利用 TRIP 效应 — 一组有前途的冷成型钢的曙光》，TRIP 辅助高强度铁合金国际会议
- ↑ “平均每辆汽车中含有多少钢材？”，《今日驾驶》，1999 年 9 月 15 日，网址：http ://www.drivingtoday.com:80/wcco/news_this_week/1999-09-15-306-driving/index.html
- ↑ W. Li & Al.，“TRIP 钢在汽车零部件中替代低碳钢的应用”，汽车应用先进高强度钢板国际会议论文集，31-36，2004 年 6 月
- ↑ “先进技术和燃料效率”，网址： http: //www.fueleconomy.gov/FEG/atv.shtml
- ↑ “美国飞机、车辆、船舶和其他交通工具的数量”，美国运输统计局，网址：http://web.archive.org/web/20170717020755/https://www.bts.gov/publications/national_transportation_statistics/html/table_01_11.html
- ↑ “美国人均二氧化碳排放量”，Google 公共数据，可从以下网站获取：http ://www.google.com/publicdata?ds=wb-wdi&met=en_atm_co2e_pc&idim=country:USA&q=us+carbon+dioxide+emissions
