高錳奧氏體孿晶誘發(fā)塑性鋼的增強(qiáng)增塑及低周疲勞行為研究.pdf

1、孿晶誘發(fā)塑性（Twinning-induced Plasticity,TWIP）鋼具有優(yōu)越的強(qiáng)度、延展性和成型性，以及優(yōu)良的能量吸收能力，是新一代汽車用鋼的有力競爭者，因此受到廣泛關(guān)注。但是，關(guān)于TWIP鋼的研究仍處于初級(jí)階段，存在很多問題還亟待解決。通過進(jìn)一步提高 TWIP鋼的強(qiáng)塑性，可以更有效地降低汽車車身重量、提高燃油效率、降低溫室氣體排放，同時(shí)提高汽車的安全性能；通過對其疲勞行為的研究，可以為汽車零部件的抗疲勞設(shè)計(jì)和使用安全性提

2、供可靠的理論依據(jù)。本論文以Fe-Mn-C系高錳奧氏體 TWIP鋼為研究對象，通過拉伸性能測試及變形過程中顯微組織演化的分析，研究了增加C含量、Cr/Mo合金化以及晶粒細(xì)化三種手段對TWIP鋼拉伸變形行為、加工硬化規(guī)律的影響及其強(qiáng)塑性得到提高的微觀機(jī)理。對無鋁和3wt.％Al（即0Al和3Al）兩種TWIP鋼在應(yīng)力控制下的低周疲勞行為進(jìn)行了研究，并利用數(shù)字圖像相關(guān)法對其低周疲勞過程中的局域變形分布及裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了研究。主要結(jié)果如下：<

3、br>　　對兩種碳含量TWIP鋼（即Fe18Mn-1.0C和Fe-22Mn-0.6C）的拉伸變形行為進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，增加碳含量提高 TWIP鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、且保持中碳TWIP鋼的高塑性。據(jù)分析，與低、中碳TWIP鋼相比，高碳TWIP鋼中較高的碳含量提高 TWIP鋼的層錯(cuò)能，導(dǎo)致應(yīng)變初期形變孿晶的形成受到抑制。另一方面，在高碳含量情況下，高碳TWIP鋼表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效。增強(qiáng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效一方面促進(jìn) TWIP鋼的

4、加工硬化，同時(shí)也有利于隨著應(yīng)變的增加持續(xù)形成更加細(xì)小的形變孿晶，進(jìn)而進(jìn)一步提升高應(yīng)變時(shí)的加工硬化率，推遲拉伸頸縮的出現(xiàn)。因此，高碳TWIP鋼具有更高的強(qiáng)度，同時(shí)保持高的拉伸塑性。
　　對Cr/Mo合金化與未合金化兩種鋼（即Fe-18Mn-1.0C-2Cr-1Mo和Fe-18Mn-1.0C）的拉伸變形行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Cr/Mo合金化使TWIP鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率同時(shí)升高。拉伸變形過程中，兩種鋼均產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效；但是

5、，與未合金化鋼相比，Cr/Mo合金化鋼中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效減弱，并抑制低應(yīng)變時(shí)形變孿晶的產(chǎn)生。在高應(yīng)變時(shí)，未合金化鋼中的形變孿晶較早趨于飽和，而Cr/Mo合金化鋼卻依然保持著持續(xù)形成形變孿晶的能力。此外，Cr/Mo合金化還起到細(xì)化形變孿晶的作用。Cr/Mo合金化鋼在高應(yīng)變下持續(xù)產(chǎn)生更加細(xì)小的形變孿晶，使其加工硬化率保持在較高水平，因而同時(shí)具有更高的強(qiáng)度和更高的塑性。
　　就中、低碳或無碳TWIP而言，細(xì)化晶粒通常提高強(qiáng)度，同時(shí)降低塑性

6、。本論文對不同晶粒尺寸的高碳TWIP鋼（Fe-18Mn-1.0C）的研究結(jié)果表明，隨著晶粒尺寸的細(xì)化，高碳TWIP鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)變時(shí)，晶粒細(xì)化抑制了形變孿晶的產(chǎn)生，但是在高應(yīng)變時(shí)，小晶粒試樣中形成了更多、更細(xì)小的形變孿晶。由此可見，晶粒細(xì)化可以防止應(yīng)變初期產(chǎn)生過多的形變孿晶，并且能夠減小孿晶厚度。另一方面，F(xiàn)e-18Mn-1.0C鋼中的高碳含量增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效，提高了加工硬化率，同時(shí)

7、能夠促進(jìn)高應(yīng)變時(shí)持續(xù)不斷地生成形變孿晶，進(jìn)一步提高了加工硬化能力。正是這種晶粒細(xì)化和高碳的共同作用，細(xì)晶高碳TWIP鋼的強(qiáng)度和塑性同步提高。
　　對比研究了0Al、3Al兩種TWIP鋼（即Fe-22Mn-0.6C和Fe-22Mn-0.6C-3Al）應(yīng)力控制下的低周疲勞行為。結(jié)果表明，在恒定應(yīng)力幅450MPa下，兩種鋼的循環(huán)應(yīng)變響應(yīng)曲線均表現(xiàn)出循環(huán)硬化（即應(yīng)變幅減?。?、循環(huán)飽和以及循環(huán)軟化三個(gè)階段；但3Al鋼的這三個(gè)階段均相對較短，

8、顯示出較低的疲勞壽命。雖然3Al鋼具有較高的拉伸屈服強(qiáng)度，但是具有較低的循環(huán)硬化能力，因此在同一應(yīng)力幅下，3Al鋼的循環(huán)應(yīng)變幅明顯大于0Al鋼的循環(huán)應(yīng)變幅，進(jìn)而增加了其疲勞損傷的累積，導(dǎo)致其壽命降低。對0Al鋼疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究發(fā)現(xiàn)，在裂紋萌生初期，裂紋擴(kuò)展速率較慢，出現(xiàn)擴(kuò)展、停滯及偏折的斷續(xù)性裂紋擴(kuò)展。隨著疲勞周次的增加，裂紋擴(kuò)展速率逐漸加快，裂紋路徑偏折程度降低。利用數(shù)字圖像相關(guān)法對疲勞過程中的應(yīng)變場進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)試樣表面存在