汽车用高强度中锰钢组织性能调控及强化机理研究

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中文摘要：具有优异强塑积的低合金含量中锰钢已成为最具发展潜力的新一代汽车用钢。然而，中锰钢的低抗拉强度并不能满足一些复杂结构汽车零件的要求，导致其发展受限。针对此问题，基于添加钒可提高中锰钢强度的理论，本文研发制备了一种Fe-10.2Mn-2.2Al-0.41C-0.6V(wt.%)中锰钢；研究了热轧、冷轧和温轧轧制工艺下中锰钢的微观组织演变规律；分析了不同退火、回火工艺热处理后中锰钢中奥氏体稳定性、钒碳化物(V-carbide)析出行为、元素配分行为、再结晶行为、力学性能、加工硬化行为及强化机理，为高强度中锰钢的制备及工业化生产提供理论及技术指导。主要结果如下：研究了热轧、冷轧和温轧轧制工艺对中锰钢组织演变的影响规律。热轧中锰钢的组织由带状铁素体/马氏体和少量的细小晶粒组成，奥氏体体积分数为82%。热轧中锰钢经冷轧后获得了大量的细小晶粒，奥氏体体积分数为32%。热轧中锰钢经温轧后，带状组织和细小的纤维组织增多，奥氏体体积分数低于热轧中锰钢。然而，热轧中锰钢组织中未观察到明显的V-carbide颗粒，而大的冷轧和温轧变形诱导了纳米V-carbide颗粒在晶界、相界及晶粒内的析出。通过以上分析为后续实验的开展奠定一定的理论基础。首先，研究了临界退火温度、退火时间及临界退火–回火对热轧中锰钢组织及力学性能的影响。随着退火温度和退火时间的增加，奥氏体晶粒尺寸增大且其中的C含量减小，二者均可降低奥氏体稳定性，但奥氏体中的C含量才是决定其稳定性的关键因素。奥氏体稳定性差异导致其在变形阶段发生了不同方式的马氏体相变。尽管临界退火后热轧中锰钢的最大奥氏体体积分数达到91%，但过高的奥氏体稳定性导致变形阶段发生的TRIP(Transformation-inducedplasticity)效应受限，仅获得了1140MPa抗拉强度。随后，通过临界退火–回火来调控热轧中锰钢中奥氏体稳定性及V-carbide析出，获得了板条奥氏体和马氏体、大量的V-carbide析出及孪晶型马氏体结构。而孪晶型马氏体结构在变形阶段诱导了变形孪晶的产生，复杂的孪晶效应、位错强化、析出强化及TRIP效应的协同作用使得中锰钢的抗拉强度为1342MPa。其次，研究了临界退火温度和退火时间对冷轧中锰钢组织及力学性能的影响。临界退火10min后，板条晶粒逐渐转变为等轴晶粒，大量V-carbide颗粒在晶界、相界和晶粒内析出。低稳定性奥氏体在变形早期已经相变为马氏体，而高稳定性奥氏体在变形后期通过产生变形孪晶来协调塑性变形，使得中锰钢的抗拉强度和伸长率分别为1450MPa和18%。然而，多种强化机制间的竞争及耦合作用也导致塑性失稳行为的发生。粗奥氏体晶粒数分数是决定Lüders应变的主要因素，而动态应变诱导马氏体、变形孪晶及孪晶与位错的耦合作用可以抑制PLC(Portevin-LeChatelier)带的形成和扩展。通过原位EBSD在650℃退火1h试样中观察到奥氏体在拉伸变形过程中存在“逆尺寸效应”。部分块状奥氏体在变形后期也不易转变为马氏体并保留下来。随后，通过在650℃退火不同时间来优化冷轧中锰钢的力学性能组合。退火10h后，铁素体基本完成了再结晶。持续的TRIP和TWIP效应、位错强化、析出强化及铁素体变形使得中锰钢在拉伸变形后获得1316MPa抗拉强度、42%伸长率和54.9GPa·%强塑积。其中，位错强化和析出强化是决定冷轧中锰钢屈服强度的主要因素。此外，V-carbide颗粒附近过高的应力场不利于层错和变形孪晶的形成。然而，当孪生机制在远离析出相的区域启动后，V-carbide析出颗粒并不会对去孪生机制产生直接影响。最后，研究了临界退火温度和临界退火–回火对温轧中锰钢组织及力学性能的影响。不同温度温轧中锰钢在退火过程中发生了不同的组织演变，500℃和700℃温轧中锰钢分别发生了铁素体再结晶和奥氏体再结晶。退火初期形成的V-carbide颗粒可以抑制再结晶的启动，而细小的再结晶晶粒却可以抑制V-carbide颗粒的析出。在变形阶段，大的塑性变形导致位错沿着多边形化方向运动。TRIP和TWIP效应以及强烈的位错硬化使得700℃温轧中锰钢经620℃退火后的抗拉强度和伸长率分别为1710MPa和24.4%。随后，通过退火–回火工艺来调控不同温度温轧中锰钢的组织和力学性能。V-carbide析出相与各基体相间的晶体学关系在退火和回火过程中始终保持一致。退火–回火后获得了以板条马氏体为基体的组织、大量的纳米V-carbide颗粒以及被铁素体晶粒包围的具有“核壳”结构的高Mn奥氏体。奥氏体稳定性差异导致变形阶段形成的层状应变诱导马氏体有利于强度的提高，使得500℃温轧中锰钢的抗拉强度达到1777MPa。此外，中锰钢的塑性失稳行为与基体组织有关，大量的板条马氏体可以抑制塑性失稳现象的发生。

作者：

白韶斌

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关键词：

中锰钢轧制变形奥氏体稳定性 V-carbide析出力学性能

授予学位：

博士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

梁伟、王一德

学位年度：

2021

学位授予单位：

太原理工大学

语种：

中文

中图分类号：