氮、鈮合金化孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼的研究.pdf

1、獲得高強(qiáng)塑積性能一直是結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)的目標(biāo)。近年來(lái)新開發(fā)的含15-25mass％Mn、2-4mass％Si和2-4mass％Al的高M(jìn)n鋼顯示出極高的延伸率(60-95％)和高的強(qiáng)度(600-1100MPa)，其優(yōu)良的力學(xué)性能來(lái)自于形變過(guò)程中的孿生誘發(fā)塑性效應(yīng)(TwinningInducedPlasticity，TWIP效應(yīng))或馬氏體相變誘發(fā)塑性(TransformationInducedPlasticity，TRIP效應(yīng))。盡管Mn、S

2、i、Al對(duì)TWIP鋼的顯微組織及其性能的影響已有較多的研究，但對(duì)含N和Nb的TWIP鋼組織與性能的研究尚未報(bào)道，而且對(duì)TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)的機(jī)制尚未充分揭示。本文設(shè)計(jì)了幾種不同N、Al含量的TWIP鋼和含Nb新型TWIP鋼，通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)合光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等表征技術(shù)，探討N、Al、Nb等合金元素對(duì)TWIP鋼層錯(cuò)幾率(與層錯(cuò)能成反比)、力學(xué)性能的影響，并對(duì)TWIP

3、鋼中的TWIP效應(yīng)機(jī)制、馬氏體相變方式及εhcp馬氏體的形成機(jī)制進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，獲得以下主要研究結(jié)果。 對(duì)不同N、Al含量TWIP鋼層錯(cuò)幾率進(jìn)行了測(cè)定，并在不同溫度下進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。研究結(jié)果表明合金元素N、Al均可提高TWIP鋼的層錯(cuò)能，抑制馬氏體相變，促進(jìn)TWIP效應(yīng)。不同化學(xué)成分TWIP鋼XRD圖譜的分析結(jié)果顯示，含N新型TWIP鋼在形變過(guò)程中能夠強(qiáng)烈抑制α馬氏體相變，這是由于合金在由FCC結(jié)構(gòu)的奧氏體或HCP結(jié)構(gòu)

4、的ε馬氏體向BCC結(jié)構(gòu)α馬氏體相變時(shí)，其最大間隙由0.1044nm降低至0.0733nm，存在于間隙位置的N顯著增大α馬氏體切變阻力，抑制了α馬氏體相變。 不同的溫度下含Nb新型TWIP鋼力學(xué)性能測(cè)試、層錯(cuò)幾率測(cè)定結(jié)果表明，TWIP鋼中加入鈮以后可顯著降低層錯(cuò)幾率，提高鋼的層錯(cuò)能，有利于形變孿晶和TWIP效應(yīng)的產(chǎn)生，因而具有優(yōu)良的塑性。對(duì)含Nb新型TWIP鋼的微觀結(jié)構(gòu)表征顯示，鈮的加入顯著降低奧氏體晶粒的尺寸，通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化增加了

5、鋼的強(qiáng)度。合金元素Nb的細(xì)晶強(qiáng)化作用以及提高層錯(cuò)能改善塑性的優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致含Nb新型TWIP鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，其強(qiáng)塑積最高達(dá)到70000MPa％比無(wú)Nb的傳統(tǒng)TWIP鋼的強(qiáng)塑積高出20000MPa％；在0至-30℃低溫使用范圍內(nèi)平均強(qiáng)塑積高達(dá)56150.5MPa％，明顯高于化學(xué)成分相近的無(wú)NbTWIP鋼(44729MPa％)。 在層錯(cuò)的TEM觀測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在局部高密度層錯(cuò)區(qū)的某些電子衍射斑點(diǎn)存在定向的位移現(xiàn)象，并建立了FCC

6、晶體中衍射斑點(diǎn)位移與層錯(cuò)幾率的關(guān)系和層錯(cuò)幾率的測(cè)定方法?；陔娮友苌浞y(cè)定局部區(qū)域?qū)渝e(cuò)幾率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了應(yīng)變誘發(fā)ε馬氏體相變的機(jī)制，即形變?yōu)槿诲e(cuò)分解提供了能量，因而形變過(guò)程中產(chǎn)生了大量的不全位錯(cuò)和層錯(cuò)，而不全位錯(cuò)附近的應(yīng)力場(chǎng)將更加有利于其他全位錯(cuò)的產(chǎn)生及其分解，從而促進(jìn)局域?qū)渝e(cuò)密度的進(jìn)一步增加，隨后層錯(cuò)由無(wú)規(guī)到有規(guī)的排列，導(dǎo)致γfcc→εhcp馬氏體相變的發(fā)生。當(dāng)層錯(cuò)幾率α=1時(shí)，形成無(wú)缺陷的ε馬氏體，當(dāng)α→1時(shí)，形成有層錯(cuò)缺陷的

7、ε馬氏體。ε、α馬氏體的形核和長(zhǎng)大均需要消耗大量的層錯(cuò)，致使ε、α馬氏體附近的層錯(cuò)數(shù)量急劇下降，即層錯(cuò)幾率顯著下降，從而使TWIP鋼相變后由XRD測(cè)定的層錯(cuò)幾率與層錯(cuò)能不呈現(xiàn)反比關(guān)系。 不同溫度下的力學(xué)性能測(cè)定和XRD衍射圖譜表明，層錯(cuò)能與溫度呈正比關(guān)系，即溫度越低，層錯(cuò)能越低。層錯(cuò)能與溫度的密切聯(lián)系導(dǎo)致材料在不同的溫度下表現(xiàn)為不一樣的力學(xué)性能。在較高溫度，材料的層錯(cuò)能也較高，形變過(guò)程中有利于孿晶轉(zhuǎn)變，發(fā)生TWIP效應(yīng)；而在較低

8、的溫度，形變過(guò)程中傾向于發(fā)生TRIP效應(yīng)而提高塑性。層錯(cuò)能不同的鋼，其發(fā)生TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)的形變溫度不同，隨鋼的層錯(cuò)能增加，由TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)所導(dǎo)致的高延伸率峰逐漸向較低的溫度偏移。 應(yīng)用晶體學(xué)分析方法對(duì)FCC結(jié)構(gòu)TWIP鋼中的層錯(cuò)、孿晶形態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并采用OM、SEM和TEM等微觀結(jié)構(gòu)表征方法對(duì)層錯(cuò)和孿晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)不同形變條件孿晶組態(tài)的觀察和馬氏體相變基本原理，提出了TWIP鍘誘發(fā)塑性的機(jī)制。形成

9、形變孿晶的最高溫度(Tf)和熱誘發(fā)馬氏體開始溫度(Ms)決定了其主導(dǎo)形變機(jī)制是滑移誘發(fā)塑性或?qū)\生誘發(fā)塑性，還是相變誘發(fā)塑性。在Tf溫度以上，只有通過(guò)滑移實(shí)現(xiàn)TWIP鋼的塑性；在Tf溫度和Ms溫度之間，誘發(fā)形變孿晶為該溫度區(qū)間的主導(dǎo)機(jī)制，導(dǎo)致顯著的TWIP效應(yīng)；當(dāng)溫度低于Ms，則呈現(xiàn)出顯著的TRIP效應(yīng)。 在不同形變速率下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，TWIP鋼的力學(xué)性能受形變速率的影響。屈服強(qiáng)度隨形變速率的增加，呈緩慢上升的態(tài)勢(shì)；而斷

10、裂強(qiáng)度則呈緩慢下降的趨勢(shì)。斷裂延伸率和均勻延伸率則隨形變速率的增加先迅速降低然后緩慢地上升?？傮w上，形變速率對(duì)屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)弱于對(duì)延伸率的影響。 TWIP鋼在不同溫度下的力學(xué)行為揭示，在較高溫度時(shí)，鋼中的馬氏體相變方式僅有兩種：γfcc→εhcp，γfcc→εhcp→αbcc；而在較低溫度，當(dāng)鋼中的主要形變機(jī)制為TRIP效應(yīng)時(shí)，除上面兩種馬氏體相變方式外，還存在另外一種情況，即γfcc→αbcc，奧氏體可直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣?/p>