【摘要】： 獲得高強塑積性能一直是結(jié)構(gòu)材料設(shè)計的目標(biāo)。近年來新開發(fā)的含15-25mass%Mn、2-4mass%Si和2-4mass%Al的高Mn鋼顯示出極高的延伸率(60-95%)和高的強度(600-1100MPa),其優(yōu)良的力學(xué)性能來自于形變過程中的孿生誘發(fā)塑性效應(yīng)(Twinning Induced Plasticity,TWIP效應(yīng))或馬氏體相變誘發(fā)塑性(Transformation Induced Plasticity,TRIP效應(yīng))。盡管Mn、Si、Al對TWIP鋼的顯微組織及其性能的影響已有較多的研究,但對含N和Nb的TWIP鋼組織與性能的研究尚未報道,而且對TWIP效應(yīng)和TRIP效應(yīng)的機制尚未充分揭示。本文設(shè)計了幾種不同N、Al含量的TWIP鋼和含Nb新型TWIP鋼,通過力學(xué)性能測試,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TWIP鋼層錯幾率(與層錯能成反比)、力學(xué)性能的影響,并對TWIP鋼中的TWIP效應(yīng)機制、馬氏體相變方式及εhcp馬氏體的形成機制進行了較為系統(tǒng)的研究,獲得以下主要研究結(jié)果。 對不同N、Al含量TWIP鋼層錯幾率進行了測定,并在不同溫度下進行了力學(xué)性能測試。研究結(jié)果表明合金元素N、Al均可提高TWIP鋼的層錯能,抑制馬氏體相變,促進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鋼在形變過程中能夠強烈抑制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)的ε馬氏體向BCC結(jié)構(gòu)α馬氏體相變時,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)性能測試、層錯幾率測定結(jié)果表明,TWIP鋼中加入鈮以后可顯著降低層錯幾率,提高鋼的層錯能,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,通過細(xì)晶強化增加了鋼的強度。合金元素Nb的細(xì)晶強化作用以及提高層錯能改善塑性的優(yōu)點導(dǎo)致含Nb新型TWIP鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,其強塑積最高達(dá)到70000MPa%比無Nb的傳統(tǒng)TWIP鋼的強塑積高出20000 MPa%;在0至-30℃低溫使用范圍內(nèi)平均強塑積高達(dá)56150.5MPa%,明顯高于化學(xué)成分相近的無Nb TWIP鋼(44729MPa%)。 在層錯的TEM觀測過程中,發(fā)現(xiàn)在局部高密度層錯區(qū)的某些電子衍射斑點存在定向的位移現(xiàn)象,并建立了FCC晶體中衍射斑點位移與層錯幾率的關(guān)系和層錯幾率的測定方法�；陔娮友苌浞y定局部區(qū)域?qū)渝e幾率的實驗結(jié)果,提出了應(yīng)變誘發(fā)ε馬氏體相變的機制,即形變?yōu)槿诲e分解提供了能量,因而形變過程中產(chǎn)生了大量的不全位錯和層錯,而不全位錯附近的應(yīng)力場將更加有利于其他全位錯的產(chǎn)生及其分解,從而促進局域?qū)渝e密度的進一步增加,隨后層錯由無規(guī)到有規(guī)的排列,導(dǎo)致γfcc→εhcp馬氏體相變的發(fā)生。當(dāng)層錯幾率α=1時,形成無缺陷的ε馬氏體,當(dāng)α→1時,形成有層錯缺陷的ε馬氏體。ε、α馬氏體的形核和長大均需要消耗大量的層錯,致使ε、α馬氏體附近的層錯數(shù)量急劇下降,即層錯幾率顯著下降,從而使TWIP鋼相變后由XRD測定的層錯幾率與層錯能不呈現(xiàn)反比關(guān)系。 不同溫度下的力學(xué)性能測定和XRD衍射圖譜表明,層錯能與溫度呈正比關(guān)系,即溫度越低,層錯能越低。層錯能與溫度的密切聯(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,材料的層錯能也較高,形變過程中有利于孿晶轉(zhuǎn)變,發(fā)生TWIP效應(yīng);而在較低的溫度,形變過程中傾向于發(fā)生TRIP效應(yīng)而提高塑性。層錯能不同的鋼,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FCC結(jié)構(gòu)TWIP鋼中的層錯、孿晶形態(tài)進行了預(yù)測,并采用OM、SEM和TEM等微觀結(jié)構(gòu)表征方法對層錯和孿晶進行實驗驗證。通過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鋼誘發(fā)塑性的機制。形成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,只有通過滑移實現(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。屈服強度隨形變速率的增加,呈緩慢上升的態(tài)勢;而斷裂強度則呈緩慢下降的趨勢。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,形變速率對屈服強度、斷裂強度的影響遠(yuǎn)弱于對延伸率的影響。 TWIP鋼在不同溫度下的力學(xué)行為揭示,在較高溫度時,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)鋼中的主要形變機制為TRIP效應(yīng)時,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)棣榴R氏體。TWIP鋼由于具有高的延伸率,在形變過程中造成母相FCC結(jié)構(gòu)的γ奧氏體內(nèi)部形成大量位錯并相互纏結(jié),位錯的纏結(jié)不利于ε馬氏體的形成,而直接導(dǎo)致位錯型αbcc馬氏體。
【圖文】：

孿晶可在形變溫度為-70℃～400℃時的面心立方奧氏體中形成，形率可低達(dá) 10-4/s。當(dāng) Fe-Mn-Si-Al 系鋼錳含量達(dá)到 25wt%，鋁含量超過 3 wt%，量在 2～3wt%之間時，具有中等的抗拉強度（Rm）（約 600Mpa）和極高的延伸A）（大于 80％），其抗拉強度和延伸率的乘積在 50000 MPa％以上，是高強韌RIP 鋼的兩倍。該類合金的高強韌性來自形變過程中孿晶的形成而不是 TRIP 鋼相變，故命名為孿生誘發(fā)塑性（twinning induced plasticity，TWIP）鋼。TWIP機械孿晶的形成及其對力學(xué)性能的影響改變了我們對孿晶的傳統(tǒng)看法，拓寬了對孿生在形變過程中作用的科學(xué)認(rèn)識。TWIP 鋼微觀組織及其合金元素作用

. 應(yīng)力誘發(fā)和應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變機制示意圖以及σsM 溫度atic representation of stress-assisted and strain-induced regimeed martensitic transformation and definition of theσsM tempσsM 的經(jīng)驗公式：3.45Xc)-1[A+5712.6-78224Xc-21542XMn+19976 XcXMn+y (0.715+0.3206hmσ / σ)] 元素的摩爾分?jǐn)?shù)，yσ 為屈服應(yīng)力，hmσ / σ為水靜壓力與)}]/0vpNvρ，sγ 為馬氏體核的比表面能，f 為發(fā)生相變的核位置數(shù)，，vp為奧氏體顆粒的平均體積，α 為常數(shù)，
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TG142.15

【引證文獻】

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10 馬文君;Fe-30Mn-3Si-4Al鋼的組織與力學(xué)性能[D];東北大學(xué);2010年

本文編號：2710927