基于TRIP效應(yīng)的第3代先進(jìn)高強(qiáng)汽車用鋼氫脆機(jī)制的研究.pdf

1、開發(fā)和應(yīng)用具有高強(qiáng)塑積（≥30 GPa·%）的第3代先進(jìn)高強(qiáng)汽車用鋼是同時(shí)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和提高安全性，保證成型性并兼顧生產(chǎn)成本的必由之路。高強(qiáng)塑積鋼的組織調(diào)控思路是采用合理的合金化設(shè)計(jì)，借助合適的熱處理工藝，獲得具有高強(qiáng)特點(diǎn)的硬基體組織和較高含量的亞穩(wěn)奧氏體。為獲得較高含量亞穩(wěn)奧氏體，基于奧氏體的正相變和逆相變兩種思路，應(yīng)運(yùn)而生了Q&P鋼和中錳TRIP鋼。然而更高強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)鋼在加工成型和服役過(guò)程中所暴露的氫脆問題，極大制約了第3代先

2、進(jìn)高強(qiáng)汽車用鋼的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，分析氫脆機(jī)制并設(shè)法降低氫脆敏感性迫在眉睫。本文以Q&P鋼和中錳TRIP鋼為研究對(duì)象，研究了其氫脆行為，揭示了復(fù)相組織中的氫致裂紋形核與擴(kuò)展規(guī)律，重點(diǎn)探討了殘余奧氏體穩(wěn)定性和形貌以及過(guò)渡型ε碳化物對(duì) Q&P鋼氫脆敏感性的影響，著重分析了氫對(duì)中錳TRIP鋼加工硬化的影響，揭示了其加工硬化的起源，得到的主要結(jié)論歸納如下：
　　1.與具有相同化學(xué)成分的TRIP780鋼相比，Q&P980鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別

3、提高了約280MPa和200MPa，但是Q&P鋼的氫脆敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TRIP鋼。氫的存在會(huì)導(dǎo)致Q&P鋼的抗拉強(qiáng)度、均勻延伸率和總延伸率發(fā)生急劇惡化，但是不影響屈服強(qiáng)度和加工硬化速率。隨著氫含量的增加，宏觀斷口由明顯的頸縮斷口逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)平整的“脆性”斷口，微觀斷口由完全的韌窩形貌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠猪g窩+氫致“脆性”斷口（準(zhǔn)解理、沿晶解理和裂紋）的混合斷口形貌。
　　2. TRIP效應(yīng)會(huì)加劇氫脆敏感性。伴隨相變過(guò)程所產(chǎn)生的局部殘余應(yīng)力

4、、局部過(guò)飽和氫濃度和局部過(guò)高的氫擴(kuò)散系數(shù)極易導(dǎo)致馬氏體/奧氏體界面產(chǎn)生氫偏聚，誘發(fā)氫致裂紋的形核與擴(kuò)展，因而提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性能夠降低Q&P鋼的氫脆敏感性。在此基礎(chǔ)上提出在相同穩(wěn)定性下，薄膜狀殘余奧氏體的氫脆敏感性低于塊狀殘余奧氏體，這主要是由于：I.板條馬氏體的應(yīng)變屏蔽作用使得薄膜殘奧發(fā)生轉(zhuǎn)變所需的形變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于塊狀殘奧發(fā)生轉(zhuǎn)變所需的形變量；II.高碳的塊狀殘奧轉(zhuǎn)變生成脆性的孿晶馬氏體而低碳的薄膜狀殘奧形成的是韌性較好的板條馬氏體

5、；III.板條馬氏體能有效地隔離可能形成的微孔洞，防止微孔合并而形成微裂紋；IV.此外獨(dú)立存在的微孔洞也可以作為有效的氫陷阱位置。
　　3. Q-P-T熱處理工藝能夠在提高Q&P鋼強(qiáng)度級(jí)別的同時(shí)顯著降低其氫脆敏感性，尤其在低的氫含量下，氫脆敏感性因子由42.7%降低至0.6%。顯微組織分析結(jié)果表明，低溫回火過(guò)程中，僅在板條馬氏體基體析出短針狀的過(guò)渡型ε碳化物，殘余奧氏體含量以及馬氏體的位錯(cuò)密度幾乎未發(fā)生變化，因而 Q-P-T鋼氫脆

6、敏感性改善的原因與ε碳化物析出直接相關(guān)。ε碳化物是有效的氫陷阱，其改善氫脆敏感性的機(jī)制體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面通過(guò)釘扎部分可擴(kuò)散的氫，降低組織中可擴(kuò)散氫的含量；另一方面通過(guò)降低氫的有效擴(kuò)散系數(shù)，阻礙可擴(kuò)散氫擴(kuò)散至裂紋尖端靜水壓力集中的區(qū)域，緩解局部氫的偏聚，降低氫致裂紋形核幾率和裂紋擴(kuò)展速率。
　　4.中錳TRIP鋼的氫脆敏感性高于復(fù)相Q&P鋼，極其微量的氫會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和延伸率急劇惡化。原位電化學(xué)充氫+慢速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)L

7、üders帶在擴(kuò)展過(guò)程中遇到氫原子時(shí)，便會(huì)誘發(fā)氫致裂紋的形核與擴(kuò)展。而且充氫電流密度（氫含量）對(duì)氫致裂紋的形核位置影響不大，這說(shuō)明局部應(yīng)力強(qiáng)度是影響該階段氫致裂紋形核的關(guān)鍵因素。
　　5.在合適的應(yīng)變速率（6.6×10-4 s-1）和氫濃度（2.7 ppmw）下，氫不但會(huì)惡化中錳TRIP鋼的延伸率和抗拉強(qiáng)度，而且還會(huì)顯著降低其加工硬化速率；基于XRD和磁性法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合BMT模型的理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氫對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)幾乎沒

8、有影響，未充氫樣品和充氫樣品在變形過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變的程度是一致的。這就說(shuō)明僅僅考慮TRIP效應(yīng)并不能解釋中錳TRIP鋼加工硬化的起源。
　　6.結(jié)合EBSD和TEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為中錳TRIP鋼的加工硬化能力起源于鐵素體和奧氏體之間的協(xié)同變形過(guò)程。在合適的晶粒尺寸或者氫濃度下，只有當(dāng)奧氏體在變形過(guò)程中發(fā)生了TRIP效應(yīng)，并且能夠促進(jìn)鄰近的鐵素體晶粒內(nèi)部形成位錯(cuò)纏結(jié)，才會(huì)呈現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。TRIP效應(yīng)對(duì)加工硬化的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在兩個(gè)

9、方面：一方面，相變后形成的硬相馬氏體強(qiáng)化了奧氏體；另一方面，相變過(guò)程的體積膨脹效應(yīng)促進(jìn)了鄰近鐵素體的變形，推進(jìn)了其位錯(cuò)纏結(jié)過(guò)程而強(qiáng)化鐵素體晶粒。因而在進(jìn)一步開發(fā)具有超高強(qiáng)塑積的中錳TRIP鋼時(shí)，研究思路不應(yīng)當(dāng)僅僅局限在奧氏體穩(wěn)定性，而忽視鐵素體晶粒的加工硬化能力對(duì)整體力學(xué)性能的貢獻(xiàn)。
　　7.考慮到中錳TRIP鋼的變形機(jī)制比較復(fù)雜，涉及Lüders帶變形和馬氏體相變過(guò)程兩個(gè)階段。同時(shí)受晶粒尺寸和TRIP效應(yīng)的影響，每個(gè)階段可能對(duì)應(yīng)