中圖分類號：TG142.1 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2025yx04009

Influence of pre-stretching on microstructure and formability of TRIP steel

LIU Po1，WANG Runzheng ^2，3 ，LI Wang2，4，CHEN Longmao1，MA Haikun ^2，4

LI Qing5，6，HAN Pengbiao2，3

（1.Guangxi Key Laboratoryof Special Engineering Equipment and Control，Guilin Universityof Aerospace Technology， Guilin，Guangxi 541004，China;

2.Scholof Materials ScienceandEnginering，Hebei UniversityofScienceand Technology，Shijiazuang，Hebei O5oo18，China; 3.Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology，Shijizhuang，Hebei O5oo18，China;

4．Hebei Short Process Steelmaking Technology Innovation Center，Shijiazhuang，Hebei O5o018，China; 5.Hebei Aerospace Superally Industry Technology Research Institute，Xingtai，Hebei O5480o，China; 6.Zhong Hang Shang Da Superalloys Company Limited，Xingtai，Hebei O548oo，China）

Abstract：To study theefectof pre-deformation onmartensitictransformationand microstructuralevolution in transformationinduced plasticity（TRIP）stels，andtoivestigate theformingablityofTRIPsteels，theTRIP590stelplate was selected as the testingmaterial，and pre-stretching in the range of 0～0.12 was applied on two sizes of specimens（standard specimenand wide specimen）.Tensile testing and microstructure observation wereconductedonthe pre-stretched specimens. The efectof pre-stretching on the anisotropy and bulging propertiesof wide specimens wasanalyzed.The results show that pre-stretchingcausesacertaindegreeofmartensitictransformationinTRIPsteel，andalargerprestretching producesmore dislocations，bringing inincreaseinmaterialstrengthanddecreaseinplasticity；Thehighestproductof strengthandelongation is obtained at pre-stretchofO.O2；Thelargerpre-stretchalsohasanefectonmaterialanisotropy，and elongationof the 90^° oriented specimenisaliter higher;the peak loadandcuppingvalue gradualldecrease with increaseof pre-stretch.Moderate pre-stretching canimprove theoverallperformanceof the TRIPsteel，whileexcesivepre-stretchingreducesitsformability， which provides reference for structure design and formability of TRIP.

Keywords：ferous metalsadtheirallys；martensitephasetransformation；TRIPstel；microstructure；prestretching；cupbulging

目前，汽車工業(yè)發(fā)展迅速，汽車的安全問題愈發(fā)重要，這就對汽車用鋼的強度和塑性提出了更高的要求，先進汽車用鋼的開發(fā)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿托枨骩1-2]。目前汽車用鋼已經(jīng)發(fā)展到第3代，相變誘發(fā)（trans-formation induced plasticity，TRIP）鋼作為典型的汽車用鋼有很大的發(fā)展前景[3-4]。TRIP 鋼通過誘導(dǎo)馬氏體相變提高鋼板的強度和塑性，是一種綜合力學(xué)性能較好的高強度鋼板[2-5]。

TRIP 鋼具有較好的綜合力學(xué)性能，但不同程度的變形會對最終成形構(gòu)件的性能產(chǎn)生復(fù)雜影響，使其使用性能和服役壽命下降。胡漢江等[指出預(yù)應(yīng)變將顯著降低TRIP鋼的加工硬化能力，較大的預(yù)應(yīng)變量會使穩(wěn)定性較差的殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，而較為穩(wěn)定的殘余奧氏體較難發(fā)生轉(zhuǎn)變。郝碩等[研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)變試樣的抗拉強度和總延伸率均得到了一定程度的提高，且預(yù)應(yīng)變能夠促進馬氏體發(fā)生相變，同時又不會改變α^′ 馬氏體的形核長大機制，證明其是一種提高綜合性能的有效方法。有研究表明碳和錳的富集會提高奧氏體的穩(wěn)定性，確保奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變[8]。LI等[9]研究了大范圍預(yù)應(yīng)變（預(yù)應(yīng)變達到0.2）對奧氏體不銹鋼接頭微觀組織的影響。宋博等[10]在對鈦合金的研究中提到，當(dāng)預(yù)變形量較大時（如 12% 和 20% ），鈦合金經(jīng)預(yù)變形后再進行時效處理可以獲得細(xì)化的 α 相和更好的強化效果。

預(yù)拉伸變形導(dǎo)致大部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，預(yù)應(yīng)變使奧氏體組分降低、馬氏體含量增加，因此材料的屈服強度和抗拉強度增大，而總延伸率降低[11-12]。LEE等[13]通過中錳TRIP 鋼 （6% ，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）預(yù)應(yīng)變實驗發(fā)現(xiàn)，殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變提高了加工淬透性。LI等[11]指出冷軋中錳TRIP 鋼在 650^°C 下臨界間硬化處理可以使樣品表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能，歸因于 600～650° 區(qū)間下退火得到奧氏體含量較多。目前，預(yù)應(yīng)變對 TRIP鋼各向異性及成形性能的影響機制仍不明晰，有必要進一步研究預(yù)應(yīng)變TRIP 鋼各向異性及成形性能的變化規(guī)律。

本文以TRIP590鋼為研究對象，采取較大范圍下的預(yù)拉伸加載應(yīng)變，探究預(yù)拉伸對 TRIP鋼力學(xué)性能和組織形貌的影響規(guī)律，并分析預(yù)拉伸對 TRIP鋼板杯突性能的影響規(guī)律，以期為TRIP 鋼組織設(shè)計和成形工藝提供一定參考依據(jù)。

1試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用 1mm 厚的TRIP590鋼板，具體化學(xué)成分如表1所示。

1.2 拉伸試驗

利用線切割機從母材切取拉伸試樣，試樣拉伸方向與軋制方向一致。拉伸試樣分為2種形狀，如圖1所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)試樣用于單軸拉伸試驗，寬試樣用于杯突試驗和各向異性測試。采用WDW-100M電子萬能試驗機對標(biāo)準(zhǔn)試樣進行預(yù)應(yīng)變加載，加載速度為 0.000 25s^-1 ，引伸計標(biāo)距 50mm 。設(shè)定預(yù)應(yīng)變值分別為0、0.02、0.04、0.06、O.08和0.12，預(yù)應(yīng)變試樣分別用pre-2、pre-4、pre-6、pre-8和pre-12進行表示。每種預(yù)應(yīng)變值下的預(yù)加載試驗重復(fù)3次。再次對預(yù)應(yīng)變試樣進行拉伸試驗直至斷裂，拉伸速度為 3mm/min ，仍采用標(biāo)距 50mm 的引伸計進行測定。

因為寬試樣夾持端寬度較大，故拉伸試驗在Zwick/RoellZ150拉伸試驗機進行，拉伸速度為 3mm/ min ，同樣采用引伸計精確控制預(yù)應(yīng)變量的加載。從預(yù)應(yīng)變試樣切取小尺寸試樣用于拉伸試驗，切割方向與拉伸方向分別呈 0^°，45^° 和 90^° ，拉伸試樣如圖1c）和圖1d）所示。小尺寸試樣拉伸試驗在UTM5105電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為 0.8mm/min ，引伸計標(biāo)距為 10mm ，初始應(yīng)變速率為 0.001s^-1 。

1.3 組織觀察

從預(yù)拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣切取樣品用于組織觀察，沿其縱向厚度面分別進行磨制、拋光和腐蝕處理，腐蝕液為4% （體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精溶液。利用 TESCAN VEGA3 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）進行組織觀察。對樣品依次進行機械減薄、離子減薄處理，用FEI TecnaiG2 F2O 透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）進行微觀組織觀察，加速電壓為 200kV 。

1.4 杯突試驗

直接使用預(yù)應(yīng)變寬試樣進行杯突試驗，設(shè)備為GBS-6OB杯突實驗機，沖頭速度為 5mm/min ，壓邊力為50kN ，試驗時采用凡士林進行潤滑。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)變形對TRIP鋼微觀組織的影響

圖2為不同預(yù)應(yīng)變試樣的 SEM圖像。由圖2a）可以看到，母材組織由等軸鐵素體、奧氏體與貝氏體組成。奧氏體相為冷卻過程中未完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的殘余奧氏體，多呈現(xiàn)為細(xì)小的顆粒狀，與貝氏體一同分布在塊狀鐵素體周圍。圖2b）和圖2c）分別為經(jīng)過0.02和0.08預(yù)應(yīng)變的試樣微觀組織，其與母材并無較大區(qū)別，圖2d）為母材拉伸后試樣組織，可以看到鐵素體晶粒發(fā)生較大程度伸長，呈現(xiàn)纖維特征，大部分晶粒取向逐漸沿著拉伸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，奧氏體、貝氏體以及相變馬氏體也逐漸沿著伸長方向分布，最終與拉伸方向一致。

圖3為上述不同變形條件下TEM組織圖像。從圖3a）看到，母材具有少量不充分退火造成的殘留位錯，主要存在于鐵素體晶粒內(nèi)。由圖3b）可以看到明顯的馬氏體相，這意味著在很小的預(yù)應(yīng)變程度（0.02）下也會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生TRIP效應(yīng)，不過這種轉(zhuǎn)變程度相對較低。圖3c）和圖3d）的結(jié)果表明，在較高預(yù)應(yīng)

變下馬氏體轉(zhuǎn)變程度較大，與位錯滑移一起參與伸長變形。此外，較大的預(yù)變形還導(dǎo)致了李晶的產(chǎn)生，從圖3c）中可以看到已有孿晶馬氏體產(chǎn)生，這意味著試樣發(fā)生了很大程度的奧氏體轉(zhuǎn)變。通過母材拉伸試樣組織（見圖3d））看到，位錯密度已經(jīng)很高，有條狀李晶馬氏體生成，相較于母材和預(yù)應(yīng)變試樣馬氏體組織更加明顯，含量更多。圖4為原始母材、pre-2、pre-8及拉伸試樣的XRD圖譜，根據(jù)XRD圖譜計算可得4種試樣奧氏體含量分別為 6.2%.5.5%.2.5% 和 0.8% ，證明較大的塑性變形或預(yù)變形均發(fā)生了較大程度的馬氏體相變。

2.2預(yù)應(yīng)變對材料拉伸性能的影響

2.2.1 預(yù)應(yīng)變對TRIP鋼拉伸行為影響

預(yù)應(yīng)變試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示?？梢悦黠@看到，隨著預(yù)應(yīng)變增加，試樣屈服強度和抗拉強度均逐漸升高。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量達到0.12時，屈服強度和抗拉強度分別由母材的 409MPa 和 674MPa 增加到 760MPa 和 770MPa ，可見預(yù)應(yīng)變能夠顯著提高材料的屈服強度和抗拉強度。不過，隨著預(yù)應(yīng)變增加，TRIP 鋼屈強比逐漸趨近于1，這與其他研究結(jié)果一致[5-11-13]。圖6中的柱狀圖反映了不同預(yù)應(yīng)變量下試樣屈服強度和抗拉強度變化，折線則反映了相對于母材的強度增量變化趨勢。隨著預(yù)應(yīng)變量增加，屈服強度增加程度大于抗拉強度，前者增長速度逐漸減緩，而抗拉強度的增長速度基本保持不變。已有的研究表明，TRIP效應(yīng)來源于形變誘導(dǎo)的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，而不同預(yù)應(yīng)變使材料發(fā)生不同程度的馬氏體轉(zhuǎn)變[6-7，-10]。這種轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致加工硬化，延遲頸縮的發(fā)生，從而增加材料的總延伸率，TRIP 效應(yīng)取決于殘余奧氏體的數(shù)量和穩(wěn)定性[114]。相變馬氏體使材料的屈服強度增大，預(yù)應(yīng)變量越大，由奧氏體相變形成的馬氏體組分越多，材料的屈服強度增大幅度大于其他非 TRIP 鋼[9]。此外，預(yù)應(yīng)變試樣鐵素體內(nèi)位錯密度明顯增大，大量產(chǎn)生的位錯會增加抗拉強度[11]。預(yù)應(yīng)變引起的馬氏體轉(zhuǎn)變和鐵素體中位錯密度增加共同促進了TRIP鋼試樣屈服強度和抗拉強度的提升。

圖7為試樣斷后延伸率隨預(yù)應(yīng)變量變化曲線。由圖可知，隨預(yù)應(yīng)變量的增加，TRIP鋼延伸率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。預(yù)應(yīng)變?yōu)?.02時，延伸率達到最大值。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量超過0.06時，材料的延伸率開始小于母材。本文將每種預(yù)應(yīng)變試樣所經(jīng)歷的累計延伸率定義為總延伸率，為預(yù)應(yīng)變和該預(yù)應(yīng)變試樣斷后延伸率之和?？芍A(yù)應(yīng)變試樣總延伸率相對母材均有所增加。在0.02時得到最高的總延伸率，之后隨預(yù)應(yīng)變量逐漸下降。當(dāng)預(yù)應(yīng)變量較小時 （0. 02～0. 04） ，TRIP鋼殘余奧氏體已經(jīng)開始向馬氏體轉(zhuǎn)變，使材料表現(xiàn)出輕微的TRIP效應(yīng)，該效應(yīng)在增加材料塑性上占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致材料的延伸率略有增大。另外，位錯滑移可以有效提高材料的塑性[15]，因此較小預(yù)應(yīng)變下的位錯滑移也是材料延伸率增加的因素之一。當(dāng)預(yù)應(yīng)變較大 （0，06～0.12）時，產(chǎn)生了細(xì)小的奧氏體晶粒，奧氏體穩(wěn)定性得到增強，從而阻礙奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變[16]。同時，較大的預(yù)應(yīng)變還會造成鐵素體和相變馬氏體的變形，這些都會阻礙奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，使轉(zhuǎn)化奧氏體的比例減少，從而削弱TRIP效應(yīng)。相變產(chǎn)生的馬氏體有更高的脆性，塑性成形能力變差，嚴(yán)重影響到材料延伸率。此外，較大的預(yù)應(yīng)變會產(chǎn)生位錯屏障，這會抑制后續(xù)的位錯運動，同樣導(dǎo)致預(yù)應(yīng)變試樣延伸率下降。綜上所述，大預(yù)應(yīng)變下材料延伸率的下降是因為TRIP效應(yīng)被抑制、馬氏體含量增多以及位錯屏障限制作用。正是因為較大的預(yù)應(yīng)變對材料延伸率的削弱作用更明顯，因此其總延伸率與母材較為接近，預(yù)應(yīng)變進一步增大，則可能會導(dǎo)致總延伸率低于母材。

圖8反映了不同預(yù)應(yīng)變試樣強塑積變化規(guī)律?？梢钥闯觯瑥娝芊e在預(yù)應(yīng)變量為0.02時達到最大值，隨后逐漸降低。預(yù)應(yīng)變量0.02是一個轉(zhuǎn)折點，pre-4和pre-6試樣強塑積雖然呈下降趨勢，但仍舊高于母材。預(yù)應(yīng)變量大于0.08后，試樣強塑積已低于母材。分析認(rèn)為，pre-2試樣同時實現(xiàn)了抗拉強度和斷后延伸率的提高，因此能夠得到最高的強塑積，意味著其具有較高的碰撞吸能性，在受到?jīng)_擊時能夠吸收更多的能量。

2.2.2 預(yù)應(yīng)變對TRIP鋼各向異性影響

圖9為母材和預(yù)應(yīng)變試樣各取向的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥吹?，母材各取向拉伸性能差別很小。經(jīng)過預(yù)應(yīng)變加載后，試樣沿取向的拉伸性能差異變大?？傮w上，預(yù)應(yīng)變試樣沿 90^° 取向的斷后延伸率略高于 0^° 和 45^° 。相同預(yù)應(yīng)變下， 90^° 取向試樣屈服過渡段相對于其他2種取向更長，這說明在變形早期階段出現(xiàn)了瞬態(tài)硬化行為。有研究表明，隨預(yù)應(yīng)變增加，不同取向試樣位錯密度和李晶馬氏體含量均逐漸增加[17-18]，導(dǎo)致相同預(yù)應(yīng)變下不同角度的試樣強度均有所增加。但是，預(yù)應(yīng)變試樣各取向較大的性能差異和位錯滑移與增殖并無較大關(guān)聯(lián)。本文中TRIP鋼奧氏體含量較少，因此不同預(yù)應(yīng)變變形時主要形成了鐵素體織構(gòu)，表現(xiàn)為鐵素體晶粒由初始的立方織構(gòu)逐步向{001}lt;110gt;旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)轉(zhuǎn)變[19-21]。平行于軋向的lt;110〉晶粒逐漸增多， {111}?112? 取向密度逐漸減弱，使得總的 γ 織構(gòu)逐漸減弱[22-23]，因此 0^° 取向試樣伸長變形能力降低。一般來說，TRIP鋼試樣沿其拉伸方向發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變程度要高于其他2個角度的試樣。在進行二次拉伸變形時，沿拉伸方向產(chǎn)生的TRIP效應(yīng)和較多的馬氏體會進一步抑制 0^° 取向變形能力，因此相同預(yù)應(yīng)變下的90^° 取向試樣的延伸率高于其他2個角度。

通過對圖7和圖9的對比分析可知，標(biāo)準(zhǔn)試樣與寬試樣在經(jīng)過0.02和0.04預(yù)拉伸變形后，其延伸率表現(xiàn)存在差異。相比于母材和標(biāo)準(zhǔn)試樣拉伸測試結(jié)果，pre-2和pre-4寬試樣的延伸率均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。這是因為，寬試樣的平行段長度與寬度較為接近，拉伸過程中不再呈現(xiàn)單軸拉伸狀態(tài)，而是近似處于平面應(yīng)變狀態(tài)。試樣沿寬度方向上的變形程度較大，復(fù)雜的變形情況使得位錯運動和TRIP效應(yīng)均受到顯著影響。因此，隨著預(yù)應(yīng)變增加，TRIP鋼寬試樣塑性逐漸下降，而屈服強度逐漸增加。

2.3預(yù)應(yīng)變對材料成形性能的影響

圖10為預(yù)應(yīng)變寬試樣經(jīng)杯突脹形后的樣品。表2為預(yù)應(yīng)變寬試樣的杯突實驗數(shù)據(jù)。圖11為基于表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制的峰值載荷和杯突值隨預(yù)應(yīng)變量變化曲線圖。

高強鋼板材的成形性能可在一定程度上采用杯突值表征，即杯突值越高，板材的成形性能越優(yōu)異。從表2和圖11可以看到，隨預(yù)應(yīng)變量增加，平均峰值載荷不斷減小，說明預(yù)應(yīng)變導(dǎo)致TRIP鋼承受載荷能力下降。杯突值隨預(yù)應(yīng)變的增大而逐漸減小。pre-2試樣杯突值和峰值載荷降低幅度較小，是因為在較小的單軸伸長變形下馬氏體轉(zhuǎn)變低于平面應(yīng)變和雙向拉伸狀態(tài)[24-25]，對杯突脹形影響較小。

預(yù)拉伸應(yīng)變大于0.04時，試樣組織內(nèi)部沿拉伸方向分布著較為明顯的拉長晶粒。此外，杯突脹形過程中，與凸模緊密接觸的板料頂部處于雙向拉伸狀態(tài)，而過渡區(qū)近似處于單軸拉伸狀態(tài)[26]。變形初期，沖頭與板料的接觸集中于頂部，變形也集中于接觸區(qū)。而變形過程中，大部分鐵素體沿其拉伸方向發(fā)生變形，僅有少量奧氏體和相變馬氏體參與伸長變形。杯突變形到一定程度后，頂部區(qū)域發(fā)生應(yīng)變硬化，材料難以發(fā)生進一步變形。根據(jù)圖9可知， 0^° 取向的預(yù)應(yīng)變試樣加工硬化程度高于 90^° 取向試樣。因此變形主要沿著寬試樣90^° 方向過渡區(qū)轉(zhuǎn)移，迫使過渡區(qū)發(fā)生變形。當(dāng)變形達到一定程度時，伸長過程中因馬氏體與鐵素體不協(xié)調(diào)變形使得相界面產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致破裂，所以裂紋往往垂直于 90^° 方向。

3結(jié)語

1）隨著預(yù)應(yīng)變增加，馬氏體轉(zhuǎn)變程度上升，得到的多為孿晶馬氏體，位錯密度也逐漸增加，晶粒沿拉伸方向伸長和排布的現(xiàn)象趨于明顯。2）隨著預(yù)應(yīng)變增加，TRIP效應(yīng)逐漸減弱，TRIP 鋼屈服強度和抗拉強度均逐漸增加，斷后延伸率及強塑積均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。預(yù)應(yīng)變?yōu)?.02時，二者均達到最大值。3）試樣平行段尺寸對TRIP鋼塑性有較大影響。當(dāng)平行段長寬較為接近時，延伸率隨預(yù)應(yīng)變增加逐漸下降，各向異性差異逐漸增大。預(yù)應(yīng)變相同時， 90^° 取向試樣延伸率總體上高于其他取向試樣。平行段長度遠(yuǎn)大于寬度時，延伸率隨預(yù)應(yīng)變增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。4）隨著預(yù)應(yīng)變不斷增大，TRIP590板材承受沖壓載荷的能力不斷下降，杯突值逐漸減小，斷裂出現(xiàn)在過渡區(qū)，裂紋多與寬試樣 90^° 取向垂直。5）相同預(yù)應(yīng)變下，不同奧氏體含量的TRIP鋼發(fā)生馬氏體相變的程度不同，未來可進一步分析多種奧氏體含量的TRIP鋼在預(yù)加載條件下的組織性能演變規(guī)律。本文僅采用了單一的預(yù)拉伸加載，后續(xù)可進一步研究預(yù)壓縮和預(yù)扭轉(zhuǎn)等加載方式對 TRIP 鋼組織性能的影響，深入分析變形織構(gòu)演變機理。

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