摘要：汽車是日常生活中主要交通工具之一，其用鋼質量的優劣直接關系到汽車本身及乘坐人員的安全。因此，研發高性能汽車用鋼至關重要。微合金化是有效改善汽車用鋼性能的手段之一，微合金元素鈮可細化晶粒，提高材料的強韌性及氫致延遲斷裂性能，備受研究者的青睞。總結了微合金元素鈮對汽車用TWIP鋼組織的影響，綜述了鈮對汽車TWIP鋼力學性能、耐磨性能及抗氫致延遲斷裂性能等的作用及相應機制，并提出了現階段鈮微合金化汽車用TWIP鋼研究過程中存在的問題，為后續低成本、高效地發揮鈮元素在高強度汽車鋼中的應用提供參考依據。

　　關鍵詞：汽車用WIP鋼;Nb元素;力學性能;耐磨性能;抗氫致延遲斷裂性能

　　隨工業迅速發展，汽車已成為人們日常生活中不可或缺的交通工具。中國是汽車的生產量、擁有量大國，汽車安全性的高低直接關系到國民經濟及百姓健康。此外，大氣環境污染問題及能源問題已成為現階段亟需解決的重要問題之一1]，為此中國在“十四五”規劃中明確提出了發展汽車戰略性產業，降低碳排放強度，并制定2030年碳排放達峰行動方案。因此，制造低能耗、高安全性的汽車十分必要。

　　在汽車所用材料中，鋼鐵約占整車重量的70%，故提高汽車用鋼的綜合性能是今后的主要研究方向。汽車用WIP鋼，即孿生誘發塑性鋼(winninginducedplasticity，TWIP)2]，是指在塑性變形過程中表現出使塑性增強的變形孿晶機制的鋼。WIP鋼具有動態霍爾佩奇效應，即高應變硬化速率、高拉伸強度及高均勻延展性3]。TWIP鋼還表現出較好的強度延展性相匹配的性能，其UTSTE(UTS為極限抗拉強度，TE為總伸長率)值超過50000MPa·%[4]。

　　然而，晶粒尺寸為幾十微米的WIP鋼屈服強度相對于其他先進高強鋼而言偏低。現階段，關于提高WIP鋼屈服強度的方法之一為細化WIP鋼的奧氏體晶粒至微米左右，如在FeMn和FeMnAlTWIP鋼中，通過控制退火工藝條件，可析出Fe,Mn)顆粒，這些顆粒既有沉淀強化作用，又可延遲退火過程中的再結晶，故而提高了WIP鋼的屈服強度8]。此外，還可在WIP鋼中添加Ti、Nb等微合金元素，通過析出碳化物來提高其屈服強度。未來汽車用鋼必須兼具高強度、高韌塑性、良好的焊接性、成形性、碰撞吸能性、抗腐蝕性、抗凹性、良好的加工性和連接性等9]。添加微合金元素是提高汽車用鋼性能的有效手段。

　　鈮(Nb)是汽車用鋼中添加的典型微合金元素之一，可提高鋼的層錯能、抗疲勞性能、加工性能，細化晶粒且可改善鋼的韌性和強度之間的平衡等10]。鋼中添加Nb元素，析出的Nb(C,N)可提高鋼的耐磨性[11]。TWIP鋼中添加Nb元素，可以在提高其屈服強度及壓應變應力的同時細化晶粒[12，含Nb元素的碳化物會在鋼生產的不同階段析出。在熱變形過程中通過控制工藝參數(應變率和溫度等)，實現對微觀結構演變及變形機制的控制，進而實現對性能的調控。

　　Mejía等[13]模擬分析了Ti、和Nb元素對Fe22Mn0.41C1.6Al1.4SiTWIP鋼熱變形行為的影響，研究發現，Nb元素的加入提高了峰值應力，使動態再結晶延遲(尤其是低溫)，降低了再結晶所需的活化能，且添加Nb元素的再結晶延遲效應明顯高于添加Ti和元素的。cott等14]在研究Nb微合金化在Fe22%Mn0.6%CTWIP鋼中的作用時，發現添加Nb元素可細化晶粒，其對鋼的強化效果可達187MPa/wt。

　　KangSingon等3]研究發現，添加Nb元素的WIP鋼因具有良好分散的Nb顆粒及高密度位錯，表現出非再結晶和細長晶粒的組織，可提高其屈服強度和抗拉強度。因此，Nb微合金化是有效提高汽車用TWIP鋼性能的方法之一。本文介紹了微合金元素Nb對汽車用WIP鋼組織的影響，總結了微合金元素Nb對汽車鋼的力學性能、耐磨性能及抗氫致延遲斷裂性能的作用及相應機理，并提出了現階段Nb微合金化汽車用WIP鋼研究過程中存在的問題。

　　Nb元素對汽車用TWIP鋼組織的影響汽車用鋼中添加的微合金元素Nb與鋼中的和元素結合，生成碳化物、氮化物或碳氮化物，可調節形變奧氏體的再結晶行為，這些化合物可在高溫溶解、低溫析出，從而改變鋼的顯微結構，進而改變其性能。彌散在鋼中的碳化物、氮化物或碳氮化物具有細化晶粒和沉淀強化的作用，可提高鋼的強度和韌性。此外，在變形及熱處理過程中，NbC熱力學穩定性較高，可起到釘軋晶界、穩定組織的作用。

　　據報道，在Fe8Al5Mn0.1C0.1Nb鋼中添加的微量元素Nb與元素結合改變了鋼的微觀結構且細化了晶粒尺寸，這與鋼中的κ碳化物((Fe,Mn)AlC)顆粒及NbC的釘扎效應息息相關[15]。然而，鋼中添加Nb元素生成NbC的釘扎作用是否優于κ碳化物，尚未見報道。本課題組利用熱力學軟件Factage計算了Fe8Al5Mn0.1C0~0.5TWIP鋼中Nb元素對析出物NbC及κ碳化物的影響。

　　該WIP鋼中添加元素后，鋼中析出的κ碳化物MnAlC,FeAlC)含量發生明顯變化：在200℃時，0.5NbTWIP鋼中析出的κ碳化物含量明顯低于TWIP鋼;在200300℃范圍內，TWIP鋼和0.5NbTWIP鋼中κ碳化物析出質量分數均隨溫度升高而升高，在00℃時其析出質量分數達到最大。與此同時，0.5NbTWIP鋼中Nb的析出含量也隨溫度升高而升高，同樣在00℃時達到最大;在大于300℃時，TWIP鋼中κ碳化物MnAlC的析出質量分數隨溫度升高而降低，在00℃降至0%。

　　然而κ碳化物FeAlC的質量分數隨溫度升高先增大后減小，在500℃時達到最高，00℃降至0%。在大于300℃時，0.5TWIP鋼中κ碳化物MnAlC的析出質量分數隨溫度升高而降低，在600℃時降至。然而κ碳化物FeAlC質量分數隨溫度升高先升高，再保持不變一段時間后降低，其中在400℃時達到最高，00500℃保持不變，00600℃降至0%。Nb質量分數變化不明顯，隨溫度升高僅略有增加。該TWIP鋼中Nb元素的加入，改變了鋼中κ碳化物析出的含量及溫度，故鋼中κ碳化物析出的熱力學條件也發生了變化。所以，在研究Nb元素對WIP鋼組織的影響時，可以考慮先用熱力學軟件計算含NbTWIP鋼的相圖，作為分析其組織的參考依據。

　　KwoEP等[16]研究了含Nb微合金化FeMnAlTWIP鋼的加工硬化行為和形變孿晶動力學。通過研究發現，FeMnAlTWIP鋼中添加Nb元素，降低了孿晶動力學，抑制了其變形孿晶，鋼的加工硬化率由于無效的機械孿晶而降低，這可能是由于細晶粒、非再結晶晶粒中的位錯以及在特定晶粒取向形成的孿晶所致。

　　趙剛等[17]在研究加熱工藝對Nb微合金化汽車用鋼組織及性能的影響時發現，含Nb元素鋼的初始奧氏體晶粒尺寸隨加熱溫度升高而增大，合理的加熱溫度范圍為1200～1250℃;加熱條件一定時，奧氏體晶粒尺寸隨保溫時間增加而增大，但是晶粒尺寸增加的趨勢隨保溫時間的持續而變緩;當加熱溫度及保溫時間控制在合理范圍時，會析出微細的Nb(C,N);加熱溫度及保溫時間通過影響Nb(C,N)的固溶，進而影響終軋奧氏體的晶粒尺寸，最終對鋼的組織及力學性能產生影響。

　　WIP鋼中添加微合金元素Nb可起到延緩TWIP鋼再結晶的作用。Gwonojun等[4]在研究微合金元素Nb(質量分數為0.01%~0.1%)對Fe17Mn0.6C1.5AlTWIP鋼微觀組織的影響時發現，微合金元素Nb會延緩該TWIP鋼熱軋態、冷軋態及退火態的再結晶。Nb含量對熱軋態TWIP鋼再結晶影響的EBSD圖如圖所示。Nb含量對冷軋態650℃退火TWIP鋼的影響，0NbTWIP鋼中既有再結晶晶粒又有未再結晶晶粒;TWIP鋼中添加Nb元素后顯示出高比例的形變孿晶晶粒及低比例的再結晶晶粒。

　　經650℃退火處理后，添加質量分數為0.01%Nb和.025%Nb的TWIP鋼的UTSTE值超過40000MPa∙%，屈服強度超過800MPa，是由于沉淀硬化和低再結晶程度的綜合效應所致。此外，通過控制冷軋TWIP鋼的退火工藝，可實現殘余變形孿晶比例的控制，進而可提高其屈服強度及拉伸伸長率。iniG等18]研究發現，經75℃退火處理的冷軋Fe31Mn3SiTWIP鋼的屈服強度約為，總伸長率接近。在高錳TWIP鋼中加入Nb元素會產生細小的奧氏體晶粒結構且動態再結晶晶粒中含有大量的退火孿晶，這些孿晶在提高鋼力學性能方面具有重要作用[19]。

　　此外，高錳TWIP鋼中添加微合金元素Nb可提高鋼的熱變形活化能[20]。KhapleShivkumar等[21]在研究Fe7Al0.35C(0.2～1.0)Nb鋼微觀結構和力學性能時發現，輕質鋼中含有κ碳化物和NbC，且NbC體積分數隨Nb元素質量分數增加而增加;隨Nb元素含量增加，鋼的強度和硬度顯著提高，這是由于細小NbC體積分數的增加和由此產生晶粒細化的累積作用;Nb含量由0.2增至1.0，鋼的屈服強度提高了近80，且具有較高的拉伸伸長率≥20;此外，由于本研究中的C/Nb比(1.75~0.35)比文獻2223]中報告的值(0.06)高很多，故此鋼中無Laves相形成。

　　2Nb元素對汽車用WIP鋼性能的影響

　　汽車用鋼性能的優劣，直接關系到汽車的使用壽命及駕駛乘坐人員的安全。因此，研發高性能的汽車用鋼是研究者的畢生追求，而微合金化是提高汽車用鋼性能的良好方法之一。由于汽車的工作環境較復雜，如在行駛過程中，可能會遇到碰撞的問題，也可能在腐蝕性較強的環境中行駛，故應加強其力學性能、耐磨性能及氫致延遲斷裂性能等相關研究。

　　2.1力學性能

　　UANGBX等[24]研究發現添加質量分數為0.017%Nb的25Mn2Si2Al鋼具有較好的延展性和較低的強度，這是因為添加了0.017%Nb元素提高了Fe25Mn2Si2Al鋼的層錯能，延緩了γfcc→εhcp的轉變;Fe25Mn2Si2Al0.01Nb在不同的變形溫度區間表現出TRIP和TWIP效應，即在−60℃≤≤20℃表現出TWIP效應，在−75℃≤≤60℃表現出TRIP效應。因此，Fe25Mn2Si2Al0.01Nb鋼在不同溫度區間表現出不同的變形機制，故其硬化機制也會發生變化。ejía等[25]研究了Fe21Mn1.3Al1.5Si0.5CTWIP的熱塑性，結果表明添加質量分數為0.083%Nb元素，可提高該TWIP鋼的熱塑性，尤其在800900℃溫度區間，其熱塑性提高顯著。

　　LIDejun等[26]通過向Fe25Mn3Si3AlTWIP鋼中添加質量分數為0.35Nb，并配以合理的熱處理和冷軋工藝，發現鋼的屈服強度由320增至445MPa，抗拉強度由680增至795MPa，但平均伸長率從65降至55。鋼中添加的Nb元素會阻礙再結晶晶粒生長，析出的納米級NbC會阻止位錯運動，從而達到提高Fe25Mn3Si3Al鋼屈服強度和初始加工硬化能力。此外，應變誘導孿晶仍是Nb微合金化TWIP鋼的主要變形機制，孿晶誘導塑性效應確保了鋼的良好延性。因此，在沉淀強化和TWIP效應的共同作用下，Nb微合金化TWIP鋼實現了強度和塑性良好匹配。

　　MinHK等[27]采用相場模擬與試驗相結合分析了FeMnAlNbTWIP鋼中Nb元素對其鑄造組織和高溫力學性能的影響。通過相場模擬發現，TWIP鋼在凝固過程中，Nb元素在其枝晶間區富集;相場模擬和顯微結構表征皆表明，NbC析出物優先出現在枝晶間界面附近，雖然添加Nb元素的TWIP鋼在1173K時熱塑性略微降低，但是當溫度高于1373K時，表現出較好的熱塑性。在1473K變形時的位錯密度低于1173K時。NbC析出物和枝晶間距似乎是影響TWIP鋼熱塑性行為的最重要變量。在拖曳力或釘扎力的影響下，Nb微合金化可提高熱導率、減少有效凝固時間，從而減小二次枝晶間距。

　　2.2耐磨性能

　　汽車鋼出現的磨損行為是其常見失效形式之一，改善耐磨性能是提高其服役性能的重要手段之一。為解決這個問題，可通過向鋼板中引入細小的彌散分布顆粒，以提高其耐磨性能。Mejía等[28]研究發現，Fe22Mn1.5Si1.5Al0.4C鋼中添加質量分數為0.06%Nb元素，其耐磨性能明相率顯得到改善。在研究微合金元素Nb對高MnTWIP鋼耐磨性能的影響時發現，雖然添加Nb元素后鋼的硬度提高，但是其磨損行為與未添加Nb元素的高MnTWIP鋼類似。

　　然而，在以0.2m的速度加載的103N載荷下，磨損行為差異較明顯，含Nb微合金化TWIP鋼的平均磨損率較低。Nb微合金鋼中由于NbC析出物的存在，在其磨損表面以下產生非常低的變形，從而形成保護性的厚氧化層，當此厚層從基體上分離時，可從磨屑中觀察到大薄片。在更嚴重的磨損條件下(0.86ms,154N)，NbC在磨損表面下的顆粒強化作用可以忽略不計，故磨損率增加。

　　2.3氫致延遲斷裂性能

　　氫致延遲斷裂是指材料在服役期內由于氫在靜壓力作用下所引發的斷裂失效行為。隨汽車鋼抗拉強度的提高，其氫致延遲斷裂敏感性增強，尤其當鋼的強度超過000MP時，高強鋼的氫致延性斷裂問題愈加突出[29]。氫致延遲斷裂行為是制約高強鋼應用及發展的關鍵問題之一。為解決此問題，引入了氫陷阱的概念，氫陷阱根據結合能大小分為可逆氫陷阱和不可逆氫陷阱[2930]，其中可逆氫陷阱結合能小于30kJmol，在室溫下氫能從氫陷阱中逃出進入晶格間隙位置，可逆氫陷阱對鋼的延遲斷裂敏感性影響很大。

　　不可逆氫陷阱結合能大于50kJmol，其將一直捕捉氫直到飽和。不可逆氫陷阱可將氫束縛在自己的周圍，阻礙更多的氫向容易使裂紋形核的潛在危險部位聚集，可降低裂紋形核概率，進而起到緩解氫致延遲斷裂問題。鋼中的不可逆氫陷阱可提高鋼的抗氫致延遲斷裂性能，所以，可以通過提高鋼中不可逆氫陷阱的數量來提高鋼的抗氫致延遲斷裂性能。KoyamaM等30]研究發現，Fe18Mn1.2CTWIP鋼拉伸過程中裂紋形核點有晶界三叉交點、形變孿晶攔截處及孿晶交匯處等。

　　結論及展望

　　Nb微合金化是提高汽車用WIP鋼性能的有效手段之一。與鋼中的、結合，生成碳氮化鈮，大尺寸碳氮化鈮或碳氮化鈮偏聚皆會對鋼的性能產生不利影響。然而，細小彌散分布的碳氮化鈮具有細晶強化和沉淀強化的作用，在提高汽車鋼的力學性能、耐磨性能及氫致延遲斷裂性能等方面具有重要意義。但是仍存在以下幾方面亟需解決的問題：

　　(1)Nb微合金化TWIP鋼中，彌散分布的碳氮化鈮可顯著提高鋼的綜合性能，可通過合理的熱處理工藝實現鋼中細小碳氮化物的析出，然而決定其析出位置及分散情況的析出機制及工藝仍是研究的重點及難點，尚未有論證。此外，WIP鋼中的元素種類及元素含量，對于細小彌散碳氮化鈮的析出機制及析出工藝會有影響。因此，應加大這方面的研究力度，這將對于后續高性能WIP鋼的工業化生產具有一定的指導意義。

　　(2)因為形變孿晶是優化TWIP鋼力學性能的關鍵，所以應深化研究其形變孿晶行為及機理，尤其是不同溫度及不同拉伸速率下微合金元素對汽車用TWIP鋼拉伸行為影響機制的研究。此外，通過熱力學軟件繪制鋼中κ碳化物及Nb(C,N)顆粒的析出相圖，可作為制定熱處理工藝條件的參考依據，有助于實現TWIP鋼中細小尺寸κ碳化物顆粒及Nb(C,N)顆粒的共析，以此提高TWIP鋼的屈服強度。加強此方面的研究對于掌握汽車鋼在實際行駛過程中發生碰撞等事件時的微觀組織及性能變化具有重要意義，可顯著提高汽車鋼行駛過程中的安全性。

　　(3)現階段，關于微合金化汽車鋼性能的研究主要集中于力學性能，特別是強度和塑性。然而，關于耐磨性能和氫致延遲斷裂性能的研究報道相對較少，尤其是關于元素對性能的作用機制需要深化，如何最大程度地發揮微合金元素對汽車鋼綜合性能的貢獻，是未來的研究熱點。

　　(4)高強度汽車鋼的抗氫致延遲斷裂性能是制約其應用及發展的關鍵，中國在《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中也提出了提升高強度鋼抗氫致延遲斷裂性能的計劃。因此，高強度輕質鋼的研發及其后續的工業化應用迫切需要改善其氫致延遲斷裂性能。現階段，關于Nb微合金化汽車用TWIP鋼的研究中，雖然提出了Nb與鋼中的結合形成了Nb，提升了鋼中不可逆氫陷阱的數量，進而提高了鋼的抗氫致延遲斷裂性能。但是，關于Nb如何捕捉氫原子及Nb周圍的氫原子如何分布等相關問題尚不明確，這些問題是研究Nb微合金化汽車用IP鋼氫致延遲斷裂性能提升的理論關鍵。

　　參考文獻：

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　　作者：周景一1,2，朱立光2,3，孫立根1,2，肖鵬程1,2，王博1,2，齊艷飛