高強韌低碳TWIP鋼的制備及組織與性能研究.pdf

1、孿晶誘發(fā)塑性(TWIP)鋼具有非常高的加工硬化能力、極高塑性和較高的強度，整體表現(xiàn)出非常優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在汽車工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。自Frommeyer等學(xué)者1997～1998年首次提出TWIP效應(yīng)并研發(fā)出TWIP鋼以來，高強、高韌性TWIP鋼一直備受關(guān)注。與其它先進高強度鋼(AHSS)相比，盡管TWIP鋼具有非常高的強塑積，但屈服強度很低，尤其是超低碳或無碳TWIP鋼大多只有200MPa左右，其抗撞擊能力明顯較差，嚴重制約了在

2、汽車工業(yè)上的應(yīng)用。目前，TWIP鋼的研究大多集中在無碳或超低碳(不大于0.03wt.％)和中、高碳（0.4wt.％及以上）方面，而對于低碳(小于0.2wt.％) TWIP鋼的研究相對較少。
　　本論文采用控軋控冷工藝制備了不同錳含量(15～30wt.％)熱軋低碳（小于0.2wt.％）TWIP鋼，系統(tǒng)研究了碳、錳對其組織、力學(xué)性能和變形行為的影響規(guī)律，并針對高錳(25wt.％及以上)低碳TWIP鋼強度較低，設(shè)計了鈮和鈦（微）合金低碳

3、TWIP鋼，并采用同步和異步混合大變形軋制方式制備了冷軋高強韌低碳TWIP鋼，系統(tǒng)研究了鈮和鈦添加量對低碳TWIP鋼的組織、性能和變形行為影響，探討了鈮、鈦（微）合金化熱軋、冷軋退火態(tài)低碳TWIP鋼的強化機理。主要得到以下研究結(jié)果:
　　制備的雙相（Delta鐵素體-奧氏體）高強韌熱軋低碳TWIP鋼，抗拉強度可達1100MPa以上，延伸率45％以上，強塑積在52～65GPa％;制備的單相（奧氏體）熱軋低碳TWIP鋼，錳含量在25～

4、30wt.％，抗拉強度在587～675MPa，延伸率62％以上，其強塑積不低于38GPa·％;
　　錳和碳對熱軋低碳TWIP鋼的影響規(guī)律是:隨著錳含量的增加，強度逐漸降低，延伸率逐漸增加;錳含量低于25wt.％的低碳TWIP鋼主要由Delta鐵素體和奧氏體的雙相組織組成，變形方式以相變誘發(fā)塑性(TRIP)和孿晶誘發(fā)塑性(TWIP)共同作用為主;錳含量在25wt.％及以上，組織為單一的奧氏體組織，TWIP為其主要變形方式。碳含量的增

5、加能夠提高低碳高錳TWIP鋼的奧氏體穩(wěn)定性，抑制應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變(SIMT)，并提高低碳TWIP鋼的加工硬化能力;
　　雙相低碳TWIP鋼中的Delta鐵素體相的硬度幾乎是奧氏體相硬度的兩倍，這主要歸因于Delta鐵素體基體上析出了具有DO3結(jié)構(gòu)的納米尺度的金屬間化合物;分析表明，“硬相”Delta鐵素體和“軟相”奧氏體之間的微觀應(yīng)力應(yīng)變分配(stress-strain partitioning)所導(dǎo)致的局部應(yīng)變（應(yīng)力）集中，會

6、直接影響宏觀變形過程中奧氏體的穩(wěn)定性。Delta鐵素體顯著提升了低碳TWIP鋼的加工硬化能力。隨著Delta鐵素體分數(shù)的增加，軟、硬相的應(yīng)變分配比降低，奧氏體的穩(wěn)定性提高，變形的主導(dǎo)方式由TRIP為主逐漸過渡到TWIP;
　　雙相低碳TWIP鋼的拉伸曲線呈現(xiàn)典型的兩階段硬化特點，第一階段:變形初期的應(yīng)變硬化速率快速增加，應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變（SIMT:γfcc→εhcp→αbcc）是導(dǎo)致此變形行為的主要原因;第二階段:變形中后期的應(yīng)

7、變硬化速率緩慢增加，拉伸曲線呈上凹特征，變形孿晶的大量生成是主要原因。分析認為，TRIP、TWIP和位錯滑移等多種方式共同作用是熱軋雙相低碳TWIP鋼呈現(xiàn)優(yōu)異綜合力學(xué)性能的主要原因;
　　不同溫度（室溫以上）下的拉伸實驗結(jié)果表明，隨拉伸溫度升高，雙相低碳TWIP鋼的強度下降，變形機制也發(fā)生改變:在室溫和75℃變形，變形機制主要是TRIP和TWIP共同作用，當拉伸溫度達到150℃時，變形方式主要為TWIP，整個過程沒有SIMT發(fā)生，

8、而300℃變形時，只有少量孿生發(fā)生，變形以滑移方式為主進行，300℃以上拉伸則不再發(fā)生孿生，變形以完全以位錯滑移方式進行;Delta鐵素體有助于提升低碳TWIP鋼的高溫抗拉強度。
　　發(fā)現(xiàn)在28vol.％ Delta鐵素體的雙相低碳TWIP鋼的拉伸曲線中出現(xiàn)了一種特殊的“類-Lüders屈服”現(xiàn)象（Lüders-likeyield phenomenon，LLYP），該LLYP現(xiàn)象伴隨著顯著的應(yīng)力下降(超過100MPa)和較大的應(yīng)變

9、平臺（工程應(yīng)變:近10％）。LLYP形成過程發(fā)生了大量的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變。分析認為，變形初期Delta鐵素體的應(yīng)變（應(yīng)力）快速集中及隨后爆發(fā)式SIM轉(zhuǎn)變是該LLYP形成的重要原因，提出“Delta鐵素體協(xié)助應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變”機制解釋了該LLYP現(xiàn)象;
　　在42vol.％ Delta鐵素體的雙相低碳TWIP鋼的拉伸曲線中同樣存在較大的屈服平臺現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，該Lüders屈服平臺形成過程中應(yīng)變誘發(fā)層錯有本質(zhì)聯(lián)系。分析認為，屈服

10、過程中層錯的快速形成與Delta鐵素體的局部應(yīng)變集中和組成相之間的應(yīng)變分配有關(guān)。由于Delta鐵素體體積分數(shù)的不同，導(dǎo)致變形過程中奧氏體相的應(yīng)變分配比及應(yīng)變集中速率的不同，是兩種雙相低碳TWIP鋼的LLYP現(xiàn)象具有不同形成機理主要原因;可以通過組織調(diào)控，和預(yù)應(yīng)變的方式來控制LLYP現(xiàn)象。
　　建立了雙相組織材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及組成相的微觀應(yīng)力應(yīng)變分配模型。模擬了宏觀變形下，不同Delta鐵素體體積分數(shù)下雙相低碳TWIP鋼的微觀應(yīng)力

11、應(yīng)變分配情況，Delta鐵素體和奧氏體兩相之間的應(yīng)變分配對雙相低碳TWIP鋼的變形行為和奧氏體穩(wěn)定性有重要影響， Delta鐵素體體積分數(shù)不同所導(dǎo)致的應(yīng)力應(yīng)變分配的不同，是雙相TWIP鋼產(chǎn)生不同變形行為的重要原因。
　　所制備的鈮、鈦（微）合金化低碳TWIP鋼（30wt.％Mn）呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，綜合性能達到了現(xiàn)有典型中高碳TWIP的水平，明顯優(yōu)于現(xiàn)有超低碳或無碳TWIP鋼的性能指標。采用異步與同步混合軋制(ASR+SR)

12、是制備高強韌低碳TWIP鋼的有效途徑，該方法制備的Fe-0.08C-30Mn-0.5Nb(wt.％)低碳TWIP鋼，經(jīng)600℃退火后，其屈服強度可達到1000MPa，經(jīng)800℃退火后，其屈服強度達到560MPa，強塑積達到65GP％。
　　鈮、鈦的添加量對低碳TWIP鋼的組織與性能的影響規(guī)律是:隨著鈮、鈦添加量的增加，材料的組織細化，屈服強度明顯提高。但是，添加微量鈮（＜0.1wt.％）對低碳TWIP晶粒的細化和強度的提升效果不明

13、顯，分析認為這主要是TWIP鋼中的高錳含量極大地增加了鈮在奧氏體中的固溶度所致，只有當鈮添加量達到0.1wt.％級別以上時，才能有效細化低碳TWIP鋼的再結(jié)晶后的晶粒和組織;微量鈮-鈦復(fù)合添加（＜0.1wt.％）能提高低碳TWIP鋼的屈服強度，但提高的程度也有限，而鈮-鈦復(fù)合添加的量較大時，雖然顯著提高了強度，但塑性、強塑積明顯下降;
　　研究了退火溫度對強變形(ASR+SR工藝處理)低碳鈮、鈦合金化TWIP鋼的組織和性能的影響。

14、結(jié)果表明，隨著退火溫度的增加，強度逐漸降低，塑性逐漸增加;本研究不同退火溫度下組織與性能的變化情況，可以劃分為三段明顯的區(qū)間:1）500、550℃為未再結(jié)晶區(qū)，材料組織未發(fā)生再結(jié)晶，強度、塑性變化較小;2）600、650℃為部分（未完全）再結(jié)晶區(qū)域，組織部分再結(jié)晶，強度較高，但是塑性相對較低，材料的應(yīng)變硬化能力較差;3）700℃及以上溫度為完全再結(jié)晶區(qū)，具有較為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能;鈮-鈦添加量到0.1wt.％級別后，能明顯提高低碳TWI