孤傲高冷，和那些妖艷賤貨完全不一樣的

——TWIP鋼

在世界鋼協(xié)的《汽車先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用手冊(cè)》中，將汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼分為三代，并用一張經(jīng)典的香蕉圖描述了出來。

這張圖從延伸率和抗拉強(qiáng)度兩個(gè)維度描述了主流的汽車用鋼特征（雖然并不是太嚴(yán)謹(jǐn)）：

位于最左邊的IF鋼（無間隙原子鋼），是強(qiáng)度最低延伸率最高的，常用于制造深沖造型件；位于圖最右邊的MS鋼（馬氏體鋼），是強(qiáng)度最高延伸率最低的，常用于簡(jiǎn)單成形的結(jié)構(gòu)件。

整張香蕉圖基本反映出了汽車用鋼強(qiáng)度和延伸率之間的關(guān)系：他們就像一副蹺蹺板，一頭高了，另一頭就低了。

我們常說魚與熊掌不可兼得，想得到高強(qiáng)度+高延伸率的材料是非常不容易的，能做到這一點(diǎn)的鋼種一定不簡(jiǎn)單。

這個(gè)鋼種也就是今天我們要討論的主角【TWIP鋼】，它孤傲高冷地占據(jù)著香蕉圖右上角，展示出高強(qiáng)度+高延伸的“雙高”屬性。

什么是TWIP鋼？

TWIP是孿晶誘導(dǎo)塑性的英文縮寫，顧名思義，這是一種具備TWIP效應(yīng)的鋼種。

（TWIP=Twinning Induced Plasticity）

注：類似的命名方式還有TRIP鋼（具備TRIP效應(yīng)的鋼），詳見歷史文章【TRIP鋼解析】。

TWIP鋼因其具有高的能量吸收能力（是傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的2倍），高的剛度，可用于改善汽車的碰撞安全性能。

而且TWIP鋼不僅具有極高的強(qiáng)度和延伸率，同時(shí)還具有極高的翻邊成形性能，更容易制造出復(fù)雜形狀的零件。由于綜合性能非常優(yōu)秀，因此吸引了汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注。

都說TWIP鋼“雙高”（高強(qiáng)度+高延伸）但到底有多高？

目前工業(yè)化生產(chǎn)的TWIP鋼如菲亞特標(biāo)準(zhǔn)MS.50002中的牌號(hào)TWC450Y950T，抗拉強(qiáng)度達(dá)到950MPa，延伸率達(dá)到47%。

這是個(gè)什么概念呢？我們用熟悉的材料對(duì)比下就一目了然了。

注：強(qiáng)塑積是個(gè)數(shù)學(xué)指標(biāo)，通俗地說，他被創(chuàng)造出來用于評(píng)價(jià)先進(jìn)高強(qiáng)鋼“強(qiáng)度”和“延伸率”這副蹺蹺板。強(qiáng)塑積的數(shù)值越高，說明材料的“雙高”屬性越明顯。

僅就力學(xué)性能而言，TWIP鋼是我們材料人心中理想的鋼鐵材料，是工程師的“夢(mèng)中情人”。

TWIP鋼本質(zhì)上是什么？

在汽車用鋼的變形過程中，會(huì)出現(xiàn)各種效應(yīng)，如TRIP效應(yīng)、TWIP效應(yīng)等，TWIP鋼是一種優(yōu)先產(chǎn)生TWIP效應(yīng)，抑制TRIP效應(yīng)的鋼種。

TRIP（相變誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)是通過冷變形加工，將部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體達(dá)到強(qiáng)化材料的機(jī)理。（較低層錯(cuò)能）

TWIP（孿晶誘導(dǎo)塑性）效應(yīng)是通過冷變形加工，不斷生成新的形變孿晶，并切割晶粒，使晶粒越來越細(xì)小，同時(shí)孿晶晶界具有類似普通晶界的作用，阻礙位錯(cuò)的滑移達(dá)到強(qiáng)化材料的機(jī)理。（較高且合適范圍的層錯(cuò)能）

簡(jiǎn)單粗暴地表述，TWIP效應(yīng)在提高強(qiáng)度和延伸率的方面效果要強(qiáng)于TRIP效應(yīng)。

TWIP鋼的變形機(jī)理

TWIP鋼的變形主要以孿生方式進(jìn)行，這是因?yàn)閷?duì)于低層錯(cuò)能的奧氏體晶粒，微小的變形就能使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)與層錯(cuò)缺陷，在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)源所產(chǎn)生的大量位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到了障礙，位錯(cuò)被釘扎造成位錯(cuò)的塞積和纏結(jié)。隨著應(yīng)力的增大位錯(cuò)不斷堆集，應(yīng)力集中愈來愈大，滑移系很難再滑移運(yùn)動(dòng)，不能再通過滑移方式來繼續(xù)塑性變形，當(dāng)應(yīng)力集中在孿生方向達(dá)到臨界應(yīng)力值時(shí)，晶體就開始進(jìn)行孿晶變形。

隨著應(yīng)變量的增加，材料的顯微組織中出現(xiàn)大量的高密度形變孿晶，并產(chǎn)生二次孿晶。初生孿晶與次生孿晶交互穿越、切割基體，增加運(yùn)動(dòng)的障礙，起到了細(xì)化晶粒的作用，極大提高了TWIP鋼的強(qiáng)度。

高應(yīng)變區(qū)首先形成的孿晶界阻礙了該區(qū)滑移的進(jìn)行，促使其它應(yīng)變較低區(qū)域通過滑移進(jìn)行形變直至孿晶的形成，這使試樣發(fā)生均勻變形，顯著推遲了縮頸的產(chǎn)生。同時(shí)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙也在一定程度上減少了加工硬化現(xiàn)象的發(fā)生，也使塑性變形能夠持續(xù)進(jìn)行，獲得更大的延伸效果。

TWIP鋼的典型成分體系

通常而言，TWIP鋼的Mn含量很高（12~30%），并含有少量C (<1 %), Si (<3%)或 Al (<3 %)。它在室溫下的組織為單一的奧氏體組織和少量退火孿晶組織。

TWIP鋼含有大量Mn，是因?yàn)镸n對(duì)于保持Fe-Mn-Al 三元合金系的奧氏體組織結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，同時(shí)有利于控制鐵基合金的層錯(cuò)能(SFE)。

TWIP鋼通常添加鋁，是因?yàn)殇X能顯著增加SFE，因此，穩(wěn)定奧氏體，防止Fe-Mn合金在變形的時(shí)候發(fā)生相變，同時(shí)，鋁可以通過固溶強(qiáng)化對(duì)奧氏體晶粒進(jìn)行強(qiáng)化。

TWIP鋼的優(yōu)缺點(diǎn)

盡管TWIP鋼在有著非常優(yōu)異的力學(xué)性能和加工性能，如高強(qiáng)度、高延伸率、具備復(fù)雜成型能力、高疲勞性能等特點(diǎn)。

盡管歐洲，韓國(guó)及中國(guó)的鋼廠和科研院所對(duì)TWIP鋼進(jìn)行了大量的研究和試制，無數(shù)科研人員日以繼夜地攻關(guān)。

但TWIP鋼仍存在一些暫時(shí)沒有完美克服的問題，所以業(yè)界人士普遍認(rèn)為，TWIP鋼要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大批量生產(chǎn)依然任重道遠(yuǎn)。

缺點(diǎn)：

1、高合金導(dǎo)致的高成本

2、高合金導(dǎo)致的焊接性問題

3、延遲斷裂（氫誘斷裂）的隱患

4、機(jī)理仍然不是非常清晰

5、奧氏體的無磁特性和現(xiàn)有鋼廠的現(xiàn)有設(shè)備存在不匹配的現(xiàn)象，及對(duì)鋼廠的工藝控制要求非常高。

國(guó)內(nèi)TWIP鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前寶鋼股份（又是寶鋼，不得不說寶鋼在汽車板領(lǐng)域是國(guó)際頂尖水平的）已具備TWIP鋼的工業(yè)化生產(chǎn)能力，并供應(yīng)部分車廠使用。寶鋼的TWIP鋼牌號(hào)“HC450/950TW”將來或許也會(huì)成為業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿。

當(dāng)前的TWIP鋼的鋼級(jí)和汽車應(yīng)用示例如下：

TWIP 500/900：A-柱，駕駛艙，前側(cè)梁

TWIP 500/980：車輪，下部控制桿，前防撞梁和后防撞梁，B柱，車輪輪輞

TWIP 600/900：地板橫梁，駕駛艙

TWIP 750/1000：車門防撞梁

TWIP 950/1200：車門防撞梁

后記

TWIP鋼目前并未大面積使用，而且TWIP鋼的機(jī)理有太多基礎(chǔ)的、專業(yè)性的內(nèi)容，很難轉(zhuǎn)化成淺顯易懂的文字，我們的專家團(tuán)隊(duì)一度非常猶豫是否需要進(jìn)行解析。但考慮到作為一種先進(jìn)的產(chǎn)品，不去了解他，或許在今后的業(yè)務(wù)中就會(huì)錯(cuò)失商機(jī)，所以我們做了最大程度簡(jiǎn)化的解析。

有道是“大學(xué)之大在大師，企業(yè)之強(qiáng)在強(qiáng)人”，企業(yè)是否成功重點(diǎn)就在于是否有“大師”和“強(qiáng)人”。然而大師不是一朝練成的，隨著時(shí)代的進(jìn)步，我們需要學(xué)習(xí)的知識(shí)和技能越來越多。

希望我們提供的知識(shí)共享平臺(tái)，能為鋼鐵人提供學(xué)習(xí)交流的渠道，提升業(yè)內(nèi)知識(shí)水平。

愿技術(shù)使合作更簡(jiǎn)單~

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