相變誘導塑性 (TRIP) 鋼是一種具有優異強度和延展性的合金鋼。相變誘發塑性是指塑性變形過程中殘留奧氏體W向馬氏體W的轉變。這一特性使 TRIP 鋼具有高成型性，同時保持出色的強度。在金屬加工中，通常必須在強度和延展性之間做出折衷。[1]圖 1 中的圖表證明了這一點，該圖表顯示了冷加工期間強度和延展性之間的折衷。TRIP 鋼的優點是它們的延展性比具有類似強度的其他鋼要高得多。[2]TRIP 鋼的延展性和強度使其成為汽車應用的絕佳選擇。事實上，結構部件可以做得更薄，因為 TRIP 鋼具有承受沖壓等高變形過程所需的延展性，以及滿足安全法規的強度和能量吸收特性。
目次
基礎材料科學原理
TRIP Steel Composition
行程鋼是亞共析鐵碳合金，通常含有 0.1 – 0.4% 的碳（按重量計）。TRIP 鋼還含有合金元素，可防止室溫下典型鋼中存在的高碳滲碳體W相析出。這提高了在室溫下變得穩定的奧氏體相的碳濃度。矽和鋁是用於在室溫下穩定奧氏體相的兩種最常用元素。[4]其他合金元素，如鈦、鈮、釩……等。也可以加入以提高合金的強度。
處理方法
為了生產高強度和延展性的 TRIP 鋼，採用臨界退火工藝以獲得正確的相分佈。[5]在臨界退火期間，鋼的溫度高於共析W，此時材料由固態奧氏體相和固態鐵素體相組成。奧氏體相是一種高溫固相，只有在727攝氏度以上的溫度下才會平衡存在。[6]然後將材料在大約 400 攝氏度的溫度下等溫冷卻，[4]以使奧氏體形成班氏體鐵素體相。在共析轉變期間，通過形成低碳鐵素體相產生過量碳。在典型的鋼合金中，過量的碳會形成高碳滲碳體相。然而，矽和鋁阻止滲碳體的形成。結果，過量的碳擴散到剩餘的奧氏體相中。為了獲得正確的微觀結構，重要的是在貝氏體鐵素體的形成足夠慢以允許碳擴散到奧氏體的溫度下完成等溫轉變。富碳奧氏體相最終達到足夠高的碳含量，使其在室溫下穩定。[7]臨界退火過程的結果是主要由鐵素體和在臨界退火期間由奧氏體相形成的貝氏體W以及分散的殘餘奧氏體和馬氏體相組成的材料。晶粒微觀結構可以在圖 2 和圖 3 中看到，圖 2 顯示了相的示意圖，圖 3 顯示了用掃描電子顯微鏡W拍攝的顯微照片。圖 4 描繪了鐵相圖上的臨界退火過程。圖 5 顯示了臨界退火過程中鐵素體和奧氏體相的碳濃度。
「旅行」效應
當殘餘奧氏體在塑性變形過程中轉變為馬氏體時，就會出現相變誘導塑性現象。[1]殘餘奧氏體的轉變產生非常脆的高碳馬氏體相。然而，殘餘奧氏體非常細地分散在鐵素體相中。這種精細分散使 TRIP 鋼能夠保持其強度。奧氏體向馬氏體的轉變幾乎是瞬時的並且完全無擴散。[8]在 TRIP 鋼中，塑性變形在大變形的微觀區域形成馬氏體成核點。[9]這些成核點觸發了馬氏體相的形成。成核區域稱為剪切帶，其中晶體缺陷W例如孿晶或堆垛層錯束被定位。
TRIP 鋼的材料性能
TRIP 鋼的典型工程應力-應變曲線如圖 6 所示。可以看出，TRIP 鋼具有大量的加工硬化。高加工硬化可歸因於 TRIP 效應，以及 TRIP 鋼主要由軟鐵素體和硬貝氏體組成的事實。這種「雙相」性質允許鐵素體相局部變形，同時保持高抗拉強度。事實上，它們的抗拉強度W通常是它們的屈服強度W值的兩倍。[2]這意味著 TRIP 鋼還表現出非常穩定的加工硬化，其中頸縮發生在相對較高的伸長率值（超過 25%）時。這使得 TRIP 鋼成為沖壓或彎曲等成型操作的理想選擇。由於壁厚變薄或材料達到其成型極限而破裂，成型操作通常會受到部件強度損失的限制。TRIP 鋼是此類操作的理想選擇，因為它們具有高成型極限和穩定的屈服點伸長率，可提高成型部件的結構完整性。
提高TRIP鋼的性能
提高TRIP鋼的鍍鋅表面光潔度
熱鍍鋅W是一種廣泛用於鋼材的表面處理。在此過程中，熔融鋅與鐵結合形成一層防腐蝕層。最初的 TRIP 鋼僅含有矽作為合金元素，用於抑制滲碳體相的形成。這些合金中的矽含量約為 1.5%（重量）。在鍍鋅過程之前，這種相對較高的矽含量會在鋼材表面形成氧化矽。[10]這種氧化物嚴重降低了鍍鋅表面塗層的性能。[4]較新的 TRIP 鋼已部分或完全用鋁代替矽作為合金成分。鋁起著與矽相同的作用，但在鍍鋅過程中對錶面光潔度沒有負面影響。因此，可以在保持鋼的TRIP性能的同時降低矽含量。
TRIP鋼的高強度微合金化
基礎 TRIP 鋼的抗拉強度約為 600 MPa。然而，通過改變合金含量，TRIP 鋼的抗拉強度可超過 800 MPa。這首先是通過將合金的碳含量提高到約 0.4%（重量）來實現的。[1]然而，這種高碳含量會導致焊接性差。同樣，由於碳含量增加，殘餘奧氏體變得更加穩定，這降低了 TRIP 鋼的可成形性。除了增加碳含量，鈦、鈮和釩等合金元素可用於提高 TRIP 鋼的抗拉強度。[1]這些合金元素通過沉澱硬化W提高鋼的強度，同時對可焊性和成型性的影響最小。
提高汽車的燃油效率
TRIP 鋼是汽車結構材料的理想選擇。它們具有承受高變形過程（如沖壓）所需的延展性和穩定的加工硬化。同樣，它們的高抗拉強度使其成為高應力部件的理想選擇。最後，由於它們的延展性和強度，它們具有出色的能量吸收特性，可以提高碰撞時的車輛安全性。由於這些有益的特性，TRIP 鋼可以少量使用以替代當前的鋼部件。這被稱為「減薄」，其中使用更薄的鋼板來形成組件。
減肥估計
普通乘用車大約 55% 的質量由鋼製成。[11]已經表明，通過使用 TRIP 鋼，低碳鋼成型板的體積可以減少 20%，同時保持相同的剛度。[12]因此，可以假設使用 TRIP 鋼可以減少 20% 的車輛鋼材質量，以及 11% 的車輛總質量。
減重對燃油效率的影響
直接用於恢復制動慣性損失的消耗燃料百分比為 5.8%。[13]使用 TRIP 鋼材的重量減輕將使慣性損失量減少 11%，因為動能與質量成正比。這意味著使用 TRIP 鋼可使總燃料消耗減少 0.64%。
請注意，這是一個極其保守的假設，因為滾動阻力W也取決於質量，因此未包含在該示例中。
全球範圍內的影響幅度
如果我們假設一輛普通乘用車每 100 公里（23.5 英里/加侖）平均耗油量為 10 升/100 公里（23.5 英里/加侖），並且一輛汽車平均一年行駛 20,000 公里（12500 英里），則重量減輕意味著每年油耗減少 12.8 升（3.33 加侖） ). 2007年，美國有1360億輛乘用車。[14]這意味著在車輛製造中使用 TRIP 鋼有可能減少 17.4 億升（4.6 億加侖）的燃料消耗。這意味著二氧化碳排放量減少了 41.8 億公斤（19 億磅），占美國二氧化碳排放總量的 0.07%。[15]
TRIP鋼的經濟學
鋼材因其強度、可成型性和相對於其他金屬的低成本而被廣泛使用。鈦、鎂和鋁等金屬具有更高的強度重量比，可以顯著減輕汽車部件的重量。然而，由於它們的豐度較低、生產成本較高和加工成本較高，因此它們的價格要高得多。同樣，這些金屬的全球供應量也相當有限。這些因素阻止了這些金屬在大多數人駕駛的低端量產汽車中的普遍使用。TRIP 鋼不會面臨任何這些困難，因為它們是低合金鋼。在鋼鐵加工中實施臨界退火步驟應該不難。這意味著 TRIP 鋼可以以與其他高強度鋼相同的價格生產。TRIP 鋼在市場整合中面臨的最重要障礙是鍍鋅表面光潔度差。鍍鋅工藝用於大量汽車部件，因為它簡單、便宜且有效。隨著最近發現鋁可以替代矽，TRIP 鋼不再面臨過去鍍鋅的困難。現在可以通過經濟可行的方式有效地保護 TRIP 鋼免受腐蝕，這意味著我們可能會在不久的將來看到 TRIP 鋼產品的商業化生產。隨著最近發現鋁可以替代矽，TRIP 鋼不再面臨過去鍍鋅的困難。現在可以通過經濟可行的方式有效地保護 TRIP 鋼免受腐蝕，這意味著我們可能會在不久的將來看到 TRIP 鋼產品的商業化生產。隨著最近發現鋁可以替代矽，TRIP 鋼不再面臨過去鍍鋅的困難。現在可以通過經濟可行的方式有效地保護 TRIP 鋼免受腐蝕，這意味著我們可能會在不久的將來看到 TRIP 鋼產品的商業化生產。
參考文獻
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