摘要
先进高强钢的应用仍是解决汽车轻量化、汽车碰撞安全性以及材料经济性之间矛盾的有效途径。目前第三代先进高强钢的发展目标是在保证经济性的前提下获得更高的强塑性。但是随着先进高强钢强度的不断升高，由高强度引起的模具磨损、零件开裂和回弹等冲压成形问题日益凸显。热成形钢以其兼具高强度与良好成形性的优点而逐渐被人们所熟知。并且热成形钢作为当今唯一应用于制造1500 MPa级白车身可焊接零件的高强钢，其在白车身上的应用比例可高达50％以上。然而，全马氏体组织的热成形钢的塑性较低，这不仅会增加汽车零件碰撞失效的风险，而且也限制了白车身的轻量化设计。因此，研发更高塑性的热成形钢对实现汽车轻量化和保证汽车安全性具有重要意义。 本文提出了适应于热成形工艺的室温淬火-回火配分工艺，并设计得到了含有残余奥氏体的中锰马氏体钢，阐明了室温淬火-回火配分工艺的合金设计理念、组织演变行为和增塑机制，重点分析了中锰马氏体钢的屈服机制，并探究了热成形工艺中奥氏体化温度和高温变形对马氏体组织演变的影响，以及孪晶马氏体韧性差的原因，对热成形钢的成分和工艺设计具有指导意义。论文的主要研究内容及结果如下: (1)基于现有热成形工艺，提出室温淬火-回火配分工艺，设计得到了淬火至室温后含有一定量残余奥氏体的中锰马氏体钢，并验证了回火配分工艺稳定残余奥氏体的可行性。在回火配分过程中，残余奥氏体的体积分数及其碳含量均有所增加。经室温淬火-回火配分工艺处理后，中锰马氏体钢具有高强度和高延性的特点，其抗拉强度高达1800MPa,均匀延伸率接近12％。均匀延伸率的提高与变形过程中残余奥氏体的相变有关:一方面，残余奥氏体相变得到的高强度马氏体提高了中锰马氏体钢的整体加工硬化率;另一方面，在变形初期残余奥氏体通过相变产生的应变可以推迟马氏体基体的加工硬化，进而延迟马氏体基体的断裂失效。 (2)通过调整残余奥氏体的碳含量与实验钢的拉伸变形温度，调控残余奥氏体的稳定性，并且根据中锰马氏体钢屈服强度的变化规律，揭示了残余奥氏体的稳定性是决定中锰马氏体钢屈服行为的主要因素。通过理论计算分析了碳含量对残余奥氏体临界相变应力(σγ-α'')、临界滑移应力(σslipγ)以及Mσs的影响，证明了增加残余奥氏体的碳含量将明显提高σγ-α''，从而使中锰马氏体钢的屈服强度升高。Q-200和Q-300中碳含量升高引起残余奥氏体稳定性的升高，进而导致Mσs的降低，验证了不同拉伸变形温度下Q-200和Q-300的屈服强度的变化规律。分别基于σslip γ和σγ-α''以及马氏体基体的屈服强度，利用混合法则计算了室温下Q-200和Q-300的屈服强度，并将其与实验值相对比，进一步证明残余奥氏体发生相变产生变形是导致中锰马氏体钢宏观屈服的主要原因。 (3)研究了中锰马氏体钢中残余奥氏体的相变机制，明确了残余奥氏体的相变机制主要取决于残余奥氏体的σslipγ与σγ-α''的相对大小。根据应变量对残余奥氏体的σslipγ和σγ-α''影响程度的不同，分析了不同初始条件下，应力诱导马氏体相变和应变诱导马氏体相变的竞争关系。在相同应变量的条件下，σslipγ的增加幅度是σγ-α''增加幅度的18倍，致使无论残余奥氏体在变形初期是以滑移或者相变方式变形，随着应变量的增加，残余奥氏体最终都将通过应力诱导马氏体相变的方式变形。 (4)研究了不同原奥氏体晶粒尺寸对马氏体相变动力学的影响，明确了马氏体相变速率与马氏体形核密度的增加速率成正比，马氏体形核密度与原奥氏体晶粒尺寸大小成反比且受马氏体板条纵横比(c/a)控制。当原奥氏体晶粒尺寸大于10μm时，c/a基本不变，马氏体形核密度主要取决于原奥氏体晶粒尺寸，原奥氏体晶粒尺寸减小，马氏体相变速率增加。当原奥氏体晶粒尺寸进一步减小至5μm时，c/a将明显增大并成为影响马氏体形核密度的主要因素，此时马氏体形核密度随过冷度增大而增加的速率明显降低，从而降低马氏体相变速率。 (5)将不同原奥氏体晶粒尺寸下马氏体片宏观形状应变引起的弹性应变能引入到马氏体相变临界驱动力的计算中，结合在马氏体相变开始温度附近的马氏体相变化学驱动力与温度呈线性关系的特点，建立了预测不同原奥氏体晶粒尺寸下马氏体相变开始温度的热力学模型。 (6)研究了高温变形对马氏体相变动力学和力学性能的影响，结果表明高温变形将降低马氏体相变开始温度，并改变马氏体相变动力学。较低温度的高温变形后，原奥氏体中施密特因子高而优先变形的滑移面为后续马氏体相变提供了形核位置，并导致马氏体板条束的施密特因子高且分布集中，进而能够有效地促进马氏体板条束沿着马氏体板条的惯习面滑移变形，以推迟马氏体组织的加工硬化。 (7)研究了孪晶马氏体及孪晶马氏体界面的结构，结果表明在孪晶马氏体界面处存在一种密排六方结构的ω相。基于孪晶马氏体的晶体学关系，明确了在TEM表征孪晶马氏体时，无论选择<110>或者<113>晶带轴，入射电子束方向与孪晶面平行的概率只有三分之一。选用正确的入射电子束方向，使入射电子束方向平行于孪晶面，以尽量降低二次衍射的干扰。HRTEM分析结果表明孪晶界面处的晶体结构与密排六方结构的ω相吻合。
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