分享：δ-TRIP钢的研究进展——轻量化高强钢新星：δ-TRIP钢如何助力汽车节能减排？

汽车轻量化是汽车行业发展的重要方向，对提升汽车安全性和节能减排具有重要意义。近年来，汽车用先进高强钢的研究受到越来越多科研工作者的重视，尤其是典型的第三代汽车用钢，如δ-TRIP钢、QP钢以及中锰钢等。δ-TRIP钢由Chatterjee等^[1]在2007年首次提出，旨在获得含体积分数40%残余奥氏体的新型TRIP辅助钢：将合金成分、退火温度、退火时间、贝氏体等温转变温度和时间作为输入参数，残余奥氏体含量作为输出结果，根据已有文献的基础数据建立模型，利用遗传算法得到Fe–0.4C–0.5Si–2.0Mn–2.0Al–0.5Cu–0.02P合金，经临界区退火和贝氏体等温转变等热处理工艺，获得约40%残余奥氏体的TRIP辅助钢。但是，该合金在平衡相图的任意温度下均无法完全奥氏体化，固态相变过程中始终存在一定含量的δ铁素体。δ铁素体取代了传统TRIP钢中的部分α铁素体，其余显微组织仍由α铁素体、无碳化物的贝氏体和富碳的残余奥氏体组成，因此被称作δ-TRIP钢。与传统TRIP钢相比，δ-TRIP钢的组元相的微观力学性能存在差异，这种差异与合金成分和晶粒尺寸相关。组元相在宏观上的不均匀分布，导致形变时钢基体应变分布不均匀。若δ铁素体的硬度低于残余奥氏体，形变通常首先发生在δ铁素体上，奥氏体条带区域应变极小，应变的不均匀分布有利于提高残余奥氏体的稳定性，保证δ-TRIP钢具有良好的加工硬化能力。δ-TRIP钢除了可以降低密度，还具有高强塑积和良好的焊接性能，相比其他低密度钢，其合金含量更低。现有钢铁企业的机组设备能够满足δ-TRIP钢的生产条件，具备一定的可行性，有望在汽车行业进行应用和推广，用于制造汽车安全件及结构件等。 

目前，δ-TRIP低密度钢以实验室研究为主，受制于冶炼、浇铸等并未广泛开展工业化试制，但随着装备制造技术的升级和保护渣材料的成功研发，相较于中锰钢等产品，δ-TRIP低密度钢在后续生产中更容易满足生产条件。本文通过研究δ-TRIP钢的相关文献，系统介绍其元素作用、组织结构、性能检验等，结合国内外对δ-TRIP钢的研究进展以及相关学者的研究成果，聚焦于目前存在的问题，探讨未来的研究方向，以期为后续科研和技术攻关提供一定的参考。 

1.   合金元素作用

C元素能扩大奥氏体相区，降低马氏体开始转变温度。在TRIP钢中，C元素是获得足够含量和稳定的残余奥氏体组织的关键，同时也是提高材料强度和塑性的主要元素。相较于常规C–Mn–Al系TRIP钢，δ-TRIP钢加入更多的Al元素，从而形成软相δ铁素体，导致其强度大幅降低。为了弥补强度损失，δ-TRIP钢中会增大C元素的加入量。然而，过高的C元素含量容易导致δ-TRIP钢中存在大量的C、Mn化合物，这些化合物会抑制残余奥氏体的形成，进而大幅降低材料的塑性和焊接性，因此δ-TRIP钢中C元素的质量分数通常不超过0.6%。 

Si元素对铁素体的形成具有促进作用，在常规C–Mn–Si系TRIP钢中可以抑制碳化物析出。在δ-TRIP钢中，大量Al元素的加入同样能够抑制碳化物析出。与常规C–Mn–Si系TRIP钢相比，一般δ-TRIP钢具有较低的Si元素含量，这些Si元素固溶到铁素体中，从而提高钢的强度和硬度。在热轧和冷轧生产过程中，若Si元素含量过高，易形成难以酸洗的氧化铁皮，不仅会影响钢板的表面质量，还可能在镀锌工序中引发析出和漏镀缺陷。因此，δ-TRIP钢的Si含量不宜过高，质量分数一般不超过1.0%。 

在δ-TRIP钢中，Mn元素的作用与普通TRIP钢相似，它能够富集于奥氏体，使奥氏体在常温下存在，容易获得残余奥氏体，从而扩大奥氏体相区。同时，Mn元素通过置换固溶的方式发挥强化作用，考虑到C元素含量不能过高，因此Mn元素含量常被作为衡量δ-TRIP钢强度级别的标志。但是，δ-TRIP钢中Mn含量过高容易导致奥氏体过于稳定，难以发生TRIP效应（即通过应变诱发马氏体相变），还会造成元素偏析现象，且这种偏析通过常规的热处理工艺难以消除，严重影响钢的组织结构均匀性和综合性能。因此，在δ-TRIP钢中，Mn元素的质量分数不能超过3.0%。 

Al元素能够缩小奥氏体相区，扩大铁素体相区。固溶态的Al原子会引起Fe基体的点阵扩张，降低钢的平均摩尔质量并增大摩尔体积，从而导致钢的密度下降^[2]，因此Al是δ-TRIP钢的重要元素。当钢中的Al元素含量超过一定数值时，液相凝固形成的铁素体在温度降低或热轧生产过程中，不发生δ铁素体→γ奥氏体→α铁素体的相变，而是从液相转变成δ铁素体（液相→δ铁素体），并发生包晶反应（液相+δ铁素体→γ奥氏体）。在后续热加工和热处理过程中，部分δ铁素体最终得到保留。易红亮等^[3]研究δ-TRIP钢凝固过程组织演化时发现，在Al、Si、Mn、Cu元素对δ铁素体在最终组织中保留量的影响中，Al元素对稳定δ铁素体的作用最显著，其他元素的影响相对较小。另外，δ-TRIP钢在电阻点焊接头的熔核区生成马氏体+δ铁素体组织，热影响区为马氏体和铁素体组织，铁素体的存在虽然降低了电焊接头的硬度和热影响区强度，但提高了熔核区的断裂韧性以及钢的焊接性能。考虑到汽车用钢的轻量化需求，Al元素作为重要的轻质元素，其在δ-TRIP钢中的质量分数不低于3.0%。 

除了C、Si、Mn、Al合金元素，其他元素也会对δ-TRIP钢的组织、工艺和性能产生一定影响。例如，加入Nb、V和Ti等微合金元素，能够抑制再结晶发生，起到细化晶粒的作用，并且这些元素通过形成碳氮化物可提升δ-TRIP钢的强度；Mo元素可以促进δ-TRIP钢的贝氏体转变，在退火贝氏体等温转变过程中，Mo元素促进贝氏体铁素体中的C元素向奥氏体扩散，有利于提高奥氏体的稳定性。 

2.   微观组织特性

δ-TRIP钢的铸态组织通常为δ铁素体、α铁素体和珠光体，其热轧或冷轧组织为δ铁素体、α铁素体、残余奥氏体以及κ-碳化物或M₃C型碳化物等，并且δ铁素体因热轧、冷轧变形会沿轧制方向伸长，形成铁素体条带分布。易红亮等^[3]对不同合金成分的δ-TRIP钢进行铸态和热轧态的组织研究，研究结果显示，铸态组织中存在大量枝晶状的δ铁素体；热轧组织中的δ铁素体粗大，与之对应的珠光体间的细晶粒铁素体为α铁素体。这是因为热轧加热形成奥氏体，在轧制和冷却过程中，奥氏体转变为α铁素体+珠光体，其中的α铁素体较为细小。典型的δ-TRIP钢铸态和热轧组织分别如图1~2所示。赵灿等^[4]研究了Fe–0.4C–10Mn–6Al成分设计的δ-TRIP钢铸态和热轧组织，结果表明，该钢在铸态及热轧态时的组织主要为δ铁素体和奥氏体，热轧态还含有少量碳化物。由于δ铁素体在热轧轧制热处理过程中并未参与反应，仅由原来的枝晶状变为条带状，因此δ-TRIP钢组织无明显细化。 

图  1  δ-TRIP钢的铸态组织^[3]

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图  2  δ-TRIP钢在(a)光学显微镜和(b)扫描电子显微镜下的热轧组织^[3]

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在δ-TRIP钢中，γ奥氏体发生共析反应生成α铁素体和碳化物，α铁素体和碳化物的混合体通常被称为碳化物条带。碳化物呈片层状，常分布在δ铁素体晶界、铁素体条带–碳化物条带界面处，C、Al元素含量越高，碳化物片层越厚，研究认为这可能是溶质原子在晶界处偏聚所致^[5]。碳化物的尺寸、形貌和分布情况影响δ-TRIP钢的冷轧可变形性，冷轧板通过连续退火处理，δ铁素体条带发生静态再结晶，碳化物条带变成奥氏体条带（由残余奥氏体和α铁素体构成）。Fe–0.35C–3.5Mn–5.8Al钢的冷轧组织如图3所示，可以明显看出碳化物条带和δ铁素体条带。 

图  3  Fe–0.35C–3.5Mn–5.8Al钢的冷轧组织^[5]

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江亮等^[6]采用Thermo–calc热力学软件计算δ-TRIP试验钢的平衡相图和相转变过程，如图4~5所示；同时，利用差示扫描量热法（DSC）以及Ohnaka微观偏析模型，分析不同冷却速率凝固过程中的包晶相变温度和溶质元素偏析的影响，为制定δ-TRIP钢的连铸工艺提供参考。研究结果表明：冷却速率越小，Thermo–calc热力学软件计算的热力学平衡值越接近试验测定值；随着冷却速率的增加，受过冷度的影响，L→L+δ的转变温度降低，受元素偏析的影响，L+δ→L+δ+γ和L+δ+γ→δ+γ的转变温度先降低后升高。冷却速率对C、Mn、S元素的偏析影响很小，但对Si、P、Al元素的偏析影响较大，并且冷却速率增加会造成Si、P、Al元素偏析严重，包晶反应区域逐渐下移；Si、P元素的偏析会小幅度延缓包晶反应的进程，Al元素对改变包晶反应进程作用明显。 

图  4  Thermo-calc计算的伪二元Fe–C相图^[6](L—液相，MS—金属硫化物, KAPPA—κ碳化物)

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图  5  Thermo–calc计算的试验钢平衡相分数图^[6]

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胡智评等^[7]在研究C–Mn–Al系TRIP钢的临界区奥氏体稳定化时发现，随着Al元素的增多，钢在较高的温度下也无法完全实现奥氏体化，而且钢中还会形成一定含量的δ铁素体。铸态组织中δ铁素体一般较为粗大，造成C、Mn元素的不均匀化，促进铸态下奥氏体中Mn元素的第一次富集。在热轧变形过程中，动态恢复导致位错攀移并形成部分亚晶结构，促进Mn元素的进一步扩散，从而提高奥氏体的稳定性。退火过程中，Al元素首先抑制碳化物的析出，促进C元素向奥氏体中扩散，生成一定量的δ铁素体，并且促进铁素体中的Mn元素向奥氏体扩散，有利于获得更多稳定的残余奥氏体。随着退火温度的升高，钢中残余奥氏体的含量先增多后减少，并且残余奥氏体与临界区铁素体呈板条状相间分布。C、Mn和Al元素的协同作用促进奥氏体的形成和稳定，并在较短的时间内实现有效配分。 

3.   性能检验研究

3.1   力学性能研究

汽车用高强度冷连轧钢板及钢带的国家标准中介绍了低密度钢，低密度钢是一种通过向钢中添加不同含量的Al、Mn、Si等轻量化元素，使其密度降幅≥4%，同时获得优异力学性能的高强钢。δ-TRIP钢因添加大量Al元素，既能生成δ铁素体，又能显著降低密度，常被视作δ-TRIP低密度钢。δ-TRIP钢组织中存在粗大的δ铁素体，而δ铁素体强度较低，导致钢的屈服强度偏低。因此，如何改善δ-TRIP钢中的δ铁素体组织，实现高强度的同时又保证塑性降幅较小成为δ-TRIP钢研究的关键。目前，已有研究人员通过不同的成分设计和工艺优化获得不同强度和塑性的δ-TRIP钢^[8]，可见其具备第三代先进高强钢的强塑积，如表1所示。针对不同的应用领域，研发和生产出力学性能更加优异的δ-TRIP钢将成为科研工作者关注的重点。 

表  1  部分δ-TRIP低密度钢的力学性能

合金成分	微观组织	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%
Fe–0.4C–1.03Mn–2.95Al–0.22Si	γ+δ+α	380	900	28
Fe–0.35C–3.5Mn–5.8Al	γ+δ+α	622	800	42
Fe–0.4C–3.5Mn–5.9Al	γ+δ+α	677	906	32
Fe–0.12C–5.8Mn–3.1Al–0.12Si	γ+δ+α	714	994	27
Fe–0.23C–8.1Mn–5.3Al–0.01Si	γ+δ+α	561	949	50

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Nb、Ti和V等微合金元素常作为调控组织和性能的有效方式，通过在不同热加工工艺阶段析出碳氮化物来实现细晶强化和析出强化，提高钢的强度。王俊峰等^[9]采用铌钛微合金化方式研究δ-TRIP钢的组织和性能时发现，其热轧组织中的δ铁素体沿轧制方向呈条带分布，并且在退火过程中，δ铁素体未发生相变和再结晶，导致最终成品中的δ铁素体晶粒尺寸仍很粗大；Nb、Ti析出形成的碳化物钉扎晶界起到的细晶强化作用较弱，因此Nb、Ti微合金化未改变δ铁素体的带状分布问题；与未加Nb、Ti微合金的δ-TRIP钢相比，含Nb、Ti的δ-TRIP钢屈服强度增加65 MPa，抗拉强度增加37 MPa，断后伸长率降低2.9%，综合性能较传统TRIP钢优异。洪济舟等^[10]对Nb、Mo微合金化δ-TRIP钢的组织和力学性能进行研究，添加微量Nb、Mo元素后，试验钢的残余奥氏体含量增加，更有利于发生TRIP效应；Mo元素的添加提高了Nb元素在奥氏体中的固溶度，促使奥氏体在较低温度下发生相变后，在铁素体基体中析出大量纳米级碳化物(Nb,Mo)C，这些碳化物通过沉淀强化作用显著提高了钢的强度；Nb–Mo微合金化δ-TRIP钢成品的屈服强度提高61 MPa，抗拉强度提高42 MPa，断后伸长率提高1.9%，综合性能得到明显提升。 

3.2   成形性能研究

成形性能是指材料在加工过程中承受塑性变形而不发生缩颈或失效的能力，与钢的力学行为以及各向异性高度相关。材料拉伸试验通常采用单一引伸计检测材料的应变，只能获得试样上指定标距内的平均应变，仅反映材料的局部成形性能。通常用延伸率来评估以铁素体为基体组织的高强钢，但其并不完全适用于先进高强钢，特别是以δ-TRIP钢为代表的第三代先进高强钢。拉深成形是实验室检测金属板料冲压成形工艺的常见手段，极限拉深比作为拉深工艺制定和模具结构设计的重要依据，常被用来评价板料的拉深成形性能。有关δ-TRIP钢的大量研究主要聚焦化学成分、微观组织和力学性能之间的关系，对其在成形性能方面的相关研究较少。 

徐鑫等^[11]采用冲杯试验对δ-TRIP780钢的极限拉深性能进行研究，分析拉深成形过程中材料的失稳和断裂机理，探讨拉深过程中残余奥氏体的转变行为；试验结果表明，δ-TRIP780钢的强度约为无间隙原子（IF）钢的4倍，极限拉深比较无间隙原子钢仅降低4.6%，较双相钢（DP780）提高5%，表明δ-TRIP钢兼具高强度和高极限拉深比，具有良好的成形性能。δ-TRIP钢拉深后的断裂试样存在大量的韧窝，断裂模式属于塑性断裂，贝氏体和残余奥氏体分布在铁素体晶界周围，限制滑移带的发展，并导致堆垛层错累积。随着应力的增加，铁素体中形成微孔，这些微孔以一定的方向穿透形成裂纹；若裂纹遇到贝氏体，则沿贝氏体边界扩展；若裂纹遇到奥氏体，则会因应力集中引发TRIP效应，而相变诱发的塑性变形能释放局部集中应力，促使裂纹尖端钝化并发生偏转，之后裂纹继续扩展。 

4.   结束语

δ-TRIP钢作为低密度钢的代表，具有优异的性能，如能设计出适合浇铸的保护渣，使得现有设备条件实现工业化生产具有可行性，并且合金成本和生产难度远低于其他类型的低密度钢。近年来，汽车厂十分关注轻量化材料在汽车零部件上的应用，尤其是新能源汽车的选材，新能源汽车的电池质量比较大，同等情况下其车身质量高于燃油车。小米汽车因其苛刻的安全标准，在车身的关键部位使用高强度钢，确保车身整体强度的同时减轻整车质量，不仅提高了整车的抗撞性能，有效降低车身的变形率，还优化了汽车的燃油经济性，在行业中逐渐崭露头角。若小米汽车采用δ-TRIP钢作为汽车安全件和结构件的材料，不但可以保证汽车具有高碰撞吸收能、高强塑积和高成形性，还可以大幅降低车身密度，使新能源汽车具有更高的性价比。 

虽然δ-TRIP钢具备广阔的前景，但其钢组织中存在粗大且呈长条状的δ铁素体，容易形成凝固缺陷，热轧或冷轧过程中会引发裂纹缺陷，钢板轧制时出现开裂现象，严重影响钢的性能，使其在应用中受到限制。要改善和消除δ铁素体带来的不利影响，需通过成分优化和工艺设计进行精准调控，但推广其工业化应用仍需进一步探索。 

加入一定量的微合金元素，通过微合金化进行组织调控是汽车用高强钢常用的方案，但δ-TRIP钢应更多关注δ铁素体的形貌、尺寸和分布对其造成的影响。随着δ-TRIP钢等高铝低密度钢在保护渣优化、连铸工艺等方面取得一定进展，其可浇性和多炉连浇能力已逐步满足工业化生产要求，后续技术难点将转向控轧控冷工艺优化、冷轧成形控制、退火设计以及相应的表面质量控制等关键环节。目前，关于δ-TRIP钢的研究更多停留在实验室研发阶段，工业生产难点、产品检验评估以及汽车零部件加工制造仍存在很多不确定性，需要更多科技工作者继续深入研究

来源--金属世界