Nb微合金化汽车用TWIP钢的研究进展

　　摘要：汽车是日常生活中主要交通工具之一，其用钢质量的优劣直接关系到汽车本身及乘坐人员的安全。因此，研发高性能汽车用钢至关重要。微合金化是有效改善汽车用钢性能的手段之一，微合金元素铌可细化晶粒，提高材料的强韧性及氢致延迟断裂性能，备受研究者的青睐。总结了微合金元素铌对汽车用TWIP钢组织的影响，综述了铌对汽车TWIP钢力学性能、耐磨性能及抗氢致延迟断裂性能等的作用及相应机制，并提出了现阶段铌微合金化汽车用TWIP钢研究过程中存在的问题，为后续低成本、高效地发挥铌元素在高强度汽车钢中的应用提供参考依据。

　　关键词：汽车用WIP钢;Nb元素;力学性能;耐磨性能;抗氢致延迟断裂性能

　　随工业迅速发展，汽车已成为人们日常生活中不可或缺的交通工具。中国是汽车的生产量、拥有量大国，汽车安全性的高低直接关系到国民经济及百姓健康。此外，大气环境污染问题及能源问题已成为现阶段亟需解决的重要问题之一1]，为此中国在“十四五”规划中明确提出了发展汽车战略性产业，降低碳排放强度，并制定2030年碳排放达峰行动方案。因此，制造低能耗、高安全性的汽车十分必要。

　　在汽车所用材料中，钢铁约占整车重量的70%，故提高汽车用钢的综合性能是今后的主要研究方向。汽车用WIP钢，即孪生诱发塑性钢(winninginducedplasticity，TWIP)2]，是指在塑性变形过程中表现出使塑性增强的变形孪晶机制的钢。WIP钢具有动态霍尔佩奇效应，即高应变硬化速率、高拉伸强度及高均匀延展性3]。TWIP钢还表现出较好的强度延展性相匹配的性能，其UTSTE(UTS为极限抗拉强度，TE为总伸长率)值超过50000MPa·%[4]。

　　然而，晶粒尺寸为几十微米的WIP钢屈服强度相对于其他先进高强钢而言偏低。现阶段，关于提高WIP钢屈服强度的方法之一为细化WIP钢的奥氏体晶粒至微米左右，如在FeMn和FeMnAlTWIP钢中，通过控制退火工艺条件，可析出Fe,Mn)颗粒，这些颗粒既有沉淀强化作用，又可延迟退火过程中的再结晶，故而提高了WIP钢的屈服强度8]。此外，还可在WIP钢中添加Ti、Nb等微合金元素，通过析出碳化物来提高其屈服强度。未来汽车用钢必须兼具高强度、高韧塑性、良好的焊接性、成形性、碰撞吸能性、抗腐蚀性、抗凹性、良好的加工性和连接性等9]。添加微合金元素是提高汽车用钢性能的有效手段。

　　铌(Nb)是汽车用钢中添加的典型微合金元素之一，可提高钢的层错能、抗疲劳性能、加工性能，细化晶粒且可改善钢的韧性和强度之间的平衡等10]。钢中添加Nb元素，析出的Nb(C,N)可提高钢的耐磨性[11]。TWIP钢中添加Nb元素，可以在提高其屈服强度及压应变应力的同时细化晶粒[12，含Nb元素的碳化物会在钢生产的不同阶段析出。在热变形过程中通过控制工艺参数(应变率和温度等)，实现对微观结构演变及变形机制的控制，进而实现对性能的调控。

　　Mejía等[13]模拟分析了Ti、和Nb元素对Fe22Mn0.41C1.6Al1.4SiTWIP钢热变形行为的影响，研究发现，Nb元素的加入提高了峰值应力，使动态再结晶延迟(尤其是低温)，降低了再结晶所需的活化能，且添加Nb元素的再结晶延迟效应明显高于添加Ti和元素的。cott等14]在研究Nb微合金化在Fe22%Mn0.6%CTWIP钢中的作用时，发现添加Nb元素可细化晶粒，其对钢的强化效果可达187MPa/wt。

　　KangSingon等3]研究发现，添加Nb元素的WIP钢因具有良好分散的Nb颗粒及高密度位错，表现出非再结晶和细长晶粒的组织，可提高其屈服强度和抗拉强度。因此，Nb微合金化是有效提高汽车用TWIP钢性能的方法之一。本文介绍了微合金元素Nb对汽车用WIP钢组织的影响，总结了微合金元素Nb对汽车钢的力学性能、耐磨性能及抗氢致延迟断裂性能的作用及相应机理，并提出了现阶段Nb微合金化汽车用WIP钢研究过程中存在的问题。

　　Nb元素对汽车用TWIP钢组织的影响汽车用钢中添加的微合金元素Nb与钢中的和元素结合，生成碳化物、氮化物或碳氮化物，可调节形变奥氏体的再结晶行为，这些化合物可在高温溶解、低温析出，从而改变钢的显微结构，进而改变其性能。弥散在钢中的碳化物、氮化物或碳氮化物具有细化晶粒和沉淀强化的作用，可提高钢的强度和韧性。此外，在变形及热处理过程中，NbC热力学稳定性较高，可起到钉轧晶界、稳定组织的作用。

　　据报道，在Fe8Al5Mn0.1C0.1Nb钢中添加的微量元素Nb与元素结合改变了钢的微观结构且细化了晶粒尺寸，这与钢中的κ碳化物((Fe,Mn)AlC)颗粒及NbC的钉扎效应息息相关[15]。然而，钢中添加Nb元素生成NbC的钉扎作用是否优于κ碳化物，尚未见报道。本课题组利用热力学软件Factage计算了Fe8Al5Mn0.1C0~0.5TWIP钢中Nb元素对析出物NbC及κ碳化物的影响。

　　该WIP钢中添加元素后，钢中析出的κ碳化物MnAlC,FeAlC)含量发生明显变化：在200℃时，0.5NbTWIP钢中析出的κ碳化物含量明显低于TWIP钢;在200300℃范围内，TWIP钢和0.5NbTWIP钢中κ碳化物析出质量分数均随温度升高而升高，在00℃时其析出质量分数达到最大。与此同时，0.5NbTWIP钢中Nb的析出含量也随温度升高而升高，同样在00℃时达到最大;在大于300℃时，TWIP钢中κ碳化物MnAlC的析出质量分数随温度升高而降低，在00℃降至0%。

　　然而κ碳化物FeAlC的质量分数随温度升高先增大后减小，在500℃时达到最高，00℃降至0%。在大于300℃时，0.5TWIP钢中κ碳化物MnAlC的析出质量分数随温度升高而降低，在600℃时降至。然而κ碳化物FeAlC质量分数随温度升高先升高，再保持不变一段时间后降低，其中在400℃时达到最高，00500℃保持不变，00600℃降至0%。Nb质量分数变化不明显，随温度升高仅略有增加。该TWIP钢中Nb元素的加入，改变了钢中κ碳化物析出的含量及温度，故钢中κ碳化物析出的热力学条件也发生了变化。所以，在研究Nb元素对WIP钢组织的影响时，可以考虑先用热力学软件计算含NbTWIP钢的相图，作为分析其组织的参考依据。

　　KwoEP等[16]研究了含Nb微合金化FeMnAlTWIP钢的加工硬化行为和形变孪晶动力学。通过研究发现，FeMnAlTWIP钢中添加Nb元素，降低了孪晶动力学，抑制了其变形孪晶，钢的加工硬化率由于无效的机械孪晶而降低，这可能是由于细晶粒、非再结晶晶粒中的位错以及在特定晶粒取向形成的孪晶所致。

　　赵刚等[17]在研究加热工艺对Nb微合金化汽车用钢组织及性能的影响时发现，含Nb元素钢的初始奥氏体晶粒尺寸随加热温度升高而增大，合理的加热温度范围为1200～1250℃;加热条件一定时，奥氏体晶粒尺寸随保温时间增加而增大，但是晶粒尺寸增加的趋势随保温时间的持续而变缓;当加热温度及保温时间控制在合理范围时，会析出微细的Nb(C,N);加热温度及保温时间通过影响Nb(C,N)的固溶，进而影响终轧奥氏体的晶粒尺寸，最终对钢的组织及力学性能产生影响。

　　WIP钢中添加微合金元素Nb可起到延缓TWIP钢再结晶的作用。Gwonojun等[4]在研究微合金元素Nb(质量分数为0.01%~0.1%)对Fe17Mn0.6C1.5AlTWIP钢微观组织的影响时发现，微合金元素Nb会延缓该TWIP钢热轧态、冷轧态及退火态的再结晶。Nb含量对热轧态TWIP钢再结晶影响的EBSD图如图所示。Nb含量对冷轧态650℃退火TWIP钢的影响，0NbTWIP钢中既有再结晶晶粒又有未再结晶晶粒;TWIP钢中添加Nb元素后显示出高比例的形变孪晶晶粒及低比例的再结晶晶粒。

　　经650℃退火处理后，添加质量分数为0.01%Nb和.025%Nb的TWIP钢的UTSTE值超过40000MPa∙%，屈服强度超过800MPa，是由于沉淀硬化和低再结晶程度的综合效应所致。此外，通过控制冷轧TWIP钢的退火工艺，可实现残余变形孪晶比例的控制，进而可提高其屈服强度及拉伸伸长率。iniG等18]研究发现，经75℃退火处理的冷轧Fe31Mn3SiTWIP钢的屈服强度约为，总伸长率接近。在高锰TWIP钢中加入Nb元素会产生细小的奥氏体晶粒结构且动态再结晶晶粒中含有大量的退火孪晶，这些孪晶在提高钢力学性能方面具有重要作用[19]。

　　此外，高锰TWIP钢中添加微合金元素Nb可提高钢的热变形活化能[20]。KhapleShivkumar等[21]在研究Fe7Al0.35C(0.2～1.0)Nb钢微观结构和力学性能时发现，轻质钢中含有κ碳化物和NbC，且NbC体积分数随Nb元素质量分数增加而增加;随Nb元素含量增加，钢的强度和硬度显著提高，这是由于细小NbC体积分数的增加和由此产生晶粒细化的累积作用;Nb含量由0.2增至1.0，钢的屈服强度提高了近80，且具有较高的拉伸伸长率≥20;此外，由于本研究中的C/Nb比(1.75~0.35)比文献2223]中报告的值(0.06)高很多，故此钢中无Laves相形成。

　　2Nb元素对汽车用WIP钢性能的影响

　　汽车用钢性能的优劣，直接关系到汽车的使用寿命及驾驶乘坐人员的安全。因此，研发高性能的汽车用钢是研究者的毕生追求，而微合金化是提高汽车用钢性能的良好方法之一。由于汽车的工作环境较复杂，如在行驶过程中，可能会遇到碰撞的问题，也可能在腐蚀性较强的环境中行驶，故应加强其力学性能、耐磨性能及氢致延迟断裂性能等相关研究。

　　2.1力学性能

　　UANGBX等[24]研究发现添加质量分数为0.017%Nb的25Mn2Si2Al钢具有较好的延展性和较低的强度，这是因为添加了0.017%Nb元素提高了Fe25Mn2Si2Al钢的层错能，延缓了γfcc→εhcp的转变;Fe25Mn2Si2Al0.01Nb在不同的变形温度区间表现出TRIP和TWIP效应，即在−60℃≤≤20℃表现出TWIP效应，在−75℃≤≤60℃表现出TRIP效应。因此，Fe25Mn2Si2Al0.01Nb钢在不同温度区间表现出不同的变形机制，故其硬化机制也会发生变化。ejía等[25]研究了Fe21Mn1.3Al1.5Si0.5CTWIP的热塑性，结果表明添加质量分数为0.083%Nb元素，可提高该TWIP钢的热塑性，尤其在800900℃温度区间，其热塑性提高显著。

　　LIDejun等[26]通过向Fe25Mn3Si3AlTWIP钢中添加质量分数为0.35Nb，并配以合理的热处理和冷轧工艺，发现钢的屈服强度由320增至445MPa，抗拉强度由680增至795MPa，但平均伸长率从65降至55。钢中添加的Nb元素会阻碍再结晶晶粒生长，析出的纳米级NbC会阻止位错运动，从而达到提高Fe25Mn3Si3Al钢屈服强度和初始加工硬化能力。此外，应变诱导孪晶仍是Nb微合金化TWIP钢的主要变形机制，孪晶诱导塑性效应确保了钢的良好延性。因此，在沉淀强化和TWIP效应的共同作用下，Nb微合金化TWIP钢实现了强度和塑性良好匹配。

　　MinHK等[27]采用相场模拟与试验相结合分析了FeMnAlNbTWIP钢中Nb元素对其铸造组织和高温力学性能的影响。通过相场模拟发现，TWIP钢在凝固过程中，Nb元素在其枝晶间区富集;相场模拟和显微结构表征皆表明，NbC析出物优先出现在枝晶间界面附近，虽然添加Nb元素的TWIP钢在1173K时热塑性略微降低，但是当温度高于1373K时，表现出较好的热塑性。在1473K变形时的位错密度低于1173K时。NbC析出物和枝晶间距似乎是影响TWIP钢热塑性行为的最重要变量。在拖曳力或钉扎力的影响下，Nb微合金化可提高热导率、减少有效凝固时间，从而减小二次枝晶间距。

　　2.2耐磨性能

　　汽车钢出现的磨损行为是其常见失效形式之一，改善耐磨性能是提高其服役性能的重要手段之一。为解决这个问题，可通过向钢板中引入细小的弥散分布颗粒，以提高其耐磨性能。Mejía等[28]研究发现，Fe22Mn1.5Si1.5Al0.4C钢中添加质量分数为0.06%Nb元素，其耐磨性能明相率显得到改善。在研究微合金元素Nb对高MnTWIP钢耐磨性能的影响时发现，虽然添加Nb元素后钢的硬度提高，但是其磨损行为与未添加Nb元素的高MnTWIP钢类似。

　　然而，在以0.2m的速度加载的103N载荷下，磨损行为差异较明显，含Nb微合金化TWIP钢的平均磨损率较低。Nb微合金钢中由于NbC析出物的存在，在其磨损表面以下产生非常低的变形，从而形成保护性的厚氧化层，当此厚层从基体上分离时，可从磨屑中观察到大薄片。在更严重的磨损条件下(0.86ms,154N)，NbC在磨损表面下的颗粒强化作用可以忽略不计，故磨损率增加。

　　2.3氢致延迟断裂性能

　　氢致延迟断裂是指材料在服役期内由于氢在静压力作用下所引发的断裂失效行为。随汽车钢抗拉强度的提高，其氢致延迟断裂敏感性增强，尤其当钢的强度超过000MP时，高强钢的氢致延性断裂问题愈加突出[29]。氢致延迟断裂行为是制约高强钢应用及发展的关键问题之一。为解决此问题，引入了氢陷阱的概念，氢陷阱根据结合能大小分为可逆氢陷阱和不可逆氢陷阱[2930]，其中可逆氢陷阱结合能小于30kJmol，在室温下氢能从氢陷阱中逃出进入晶格间隙位置，可逆氢陷阱对钢的延迟断裂敏感性影响很大。

　　不可逆氢陷阱结合能大于50kJmol，其将一直捕捉氢直到饱和。不可逆氢陷阱可将氢束缚在自己的周围，阻碍更多的氢向容易使裂纹形核的潜在危险部位聚集，可降低裂纹形核概率，进而起到缓解氢致延迟断裂问题。钢中的不可逆氢陷阱可提高钢的抗氢致延迟断裂性能，所以，可以通过提高钢中不可逆氢陷阱的数量来提高钢的抗氢致延迟断裂性能。KoyamaM等30]研究发现，Fe18Mn1.2CTWIP钢拉伸过程中裂纹形核点有晶界三叉交点、形变孪晶拦截处及孪晶交汇处等。

　　结论及展望

　　Nb微合金化是提高汽车用WIP钢性能的有效手段之一。与钢中的、结合，生成碳氮化铌，大尺寸碳氮化铌或碳氮化铌偏聚皆会对钢的性能产生不利影响。然而，细小弥散分布的碳氮化铌具有细晶强化和沉淀强化的作用，在提高汽车钢的力学性能、耐磨性能及氢致延迟断裂性能等方面具有重要意义。但是仍存在以下几方面亟需解决的问题：

　　(1)Nb微合金化TWIP钢中，弥散分布的碳氮化铌可显著提高钢的综合性能，可通过合理的热处理工艺实现钢中细小碳氮化物的析出，然而决定其析出位置及分散情况的析出机制及工艺仍是研究的重点及难点，尚未有论证。此外，WIP钢中的元素种类及元素含量，对于细小弥散碳氮化铌的析出机制及析出工艺会有影响。因此，应加大这方面的研究力度，这将对于后续高性能WIP钢的工业化生产具有一定的指导意义。

　　(2)因为形变孪晶是优化TWIP钢力学性能的关键，所以应深化研究其形变孪晶行为及机理，尤其是不同温度及不同拉伸速率下微合金元素对汽车用TWIP钢拉伸行为影响机制的研究。此外，通过热力学软件绘制钢中κ碳化物及Nb(C,N)颗粒的析出相图，可作为制定热处理工艺条件的参考依据，有助于实现TWIP钢中细小尺寸κ碳化物颗粒及Nb(C,N)颗粒的共析，以此提高TWIP钢的屈服强度。加强此方面的研究对于掌握汽车钢在实际行驶过程中发生碰撞等事件时的微观组织及性能变化具有重要意义，可显著提高汽车钢行驶过程中的安全性。

　　(3)现阶段，关于微合金化汽车钢性能的研究主要集中于力学性能，特别是强度和塑性。然而，关于耐磨性能和氢致延迟断裂性能的研究报道相对较少，尤其是关于元素对性能的作用机制需要深化，如何最大程度地发挥微合金元素对汽车钢综合性能的贡献，是未来的研究热点。

　　(4)高强度汽车钢的抗氢致延迟断裂性能是制约其应用及发展的关键，中国在《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中也提出了提升高强度钢抗氢致延迟断裂性能的计划。因此，高强度轻质钢的研发及其后续的工业化应用迫切需要改善其氢致延迟断裂性能。现阶段，关于Nb微合金化汽车用TWIP钢的研究中，虽然提出了Nb与钢中的结合形成了Nb，提升了钢中不可逆氢陷阱的数量，进而提高了钢的抗氢致延迟断裂性能。但是，关于Nb如何捕捉氢原子及Nb周围的氢原子如何分布等相关问题尚不明确，这些问题是研究Nb微合金化汽车用IP钢氢致延迟断裂性能提升的理论关键。

　　参考文献：

　　[1]满廷慧,彭伟,王子波,等.FeMnAlC低密度钢研究现状及展望[J].中国冶金2021,32(1):11

　　[2]吴结文.Nb微合金化Q&P钢组织演变机理和力学性能研究[D].合肥：安徽工业大学2019.

　　作者：周景一1,2，朱立光2,3，孙立根1,2，肖鹏程1,2，王博1,2，齐艳飞