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，整體表現出非常優(yōu)異的綜合力學性能，在汽車工業(yè)領域具有廣泛應用前景。自Frommeyer等學者1997～1998年首次提出TWIP效應并研發(fā)出TWIP鋼以來，高強、高韌性TWIP鋼一直備受關注。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結構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力應變分配(stress-strain partitioning)所導致的局部應變（應力）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鐵素體分數的增加，軟、硬相的應變分配比降低，奧氏體的穩(wěn)定性提高，變形的主導方式由TRIP為主逐漸過渡到TWIP;
　　雙相低碳TWIP鋼的拉伸曲線呈現典型的兩階段硬化特點，第一階段:變形初期的應變硬化速率快速增加，應變誘發(fā)馬氏體轉變（SIMT:γfcc→εhcp→αbcc）是導致此變形行為的主要原因;第二階段:變形中后期的應

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鋼呈現優(yōu)異綜合力學性能的主要原因;
　　不同溫度（室溫以上）下的拉伸實驗結果表明，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)現在28vol.％ Delta鐵素體的雙相低碳TWIP鋼的拉伸曲線中出現了一種特殊的“類-Lüders屈服”現象（Lüders-likeyield phenomenon，LLYP），該LLYP現象伴隨著顯著的應力下降(超過100MPa)和較大的應變

9、平臺（工程應變:近10％）。LLYP形成過程發(fā)生了大量的應變誘發(fā)馬氏體轉變。分析認為，變形初期Delta鐵素體的應變（應力）快速集中及隨后爆發(fā)式SIM轉變是該LLYP形成的重要原因，提出“Delta鐵素體協助應變誘發(fā)馬氏體相變”機制解釋了該LLYP現象;
　　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象。研究發(fā)現，該Lüders屈服平臺形成過程中應變誘發(fā)層錯有本質聯系。分析認為，屈服

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

11、應變分配情況，Delta鐵素體和奧氏體兩相之間的應變分配對雙相低碳TWIP鋼的變形行為和奧氏體穩(wěn)定性有重要影響， Delta鐵素體體積分數不同所導致的應力應變分配的不同，是雙相TWIP鋼產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）呈現出優(yōu)異的綜合力學性能，綜合性能達到了現有典型中高碳TWIP的水平，明顯優(yōu)于現有超低碳或無碳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600℃退火后，其屈服強度可達到1000MPa，經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鋼的再結晶后的晶粒和組織;微量鈮-鈦復合添加（＜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℃為未再結晶區(qū)，材料組織未發(fā)生再結晶，強度、塑性變化較小;2）600、650℃為部分（未完全）再結晶區(qū)域，組織部分再結晶，強度較高，但是塑性相對較低，材料的應變硬化能力較差;3）700℃及以上溫度為完全再結晶區(qū)，具有較為優(yōu)異的綜合力學性能;鈮-鈦添加量到0.1wt.％級別后，能明顯提高低碳TWI