摘要
针对汽车轻量化和提升安全性的双重要求，兼具低成本和高强塑性能的汽车用第三代钢受到人们的广泛关注。然而，传统中锰钢由于较高的锰含量导致连铸坯缺陷、热轧板开裂、退火窗口窄以及冷轧板屈服平台较长等一系列与现有产线不兼容的瓶颈问题，严重制约其大规模生产及应用。为此，本文以开发具有超高强塑性和Mn减量化的新型中锰钢为目标，围绕合金成分、热处理工艺和组织性能之间的关系，系统研究奥氏体逆转变动力学、Mn配分、残余奥氏体特性在材料增强增塑过程的作用及其物理本质，阐释不同初始组织结构影响材料塑性变形过程屈服和加工硬化行为的微观机理，在实验室条件下提出新型减量化中锰钢的最佳热处理工艺窗口。本文的主要内容和研究结果如下: （1）对比研究了“马氏体”与“铁素体+奥氏体+马氏体”初始组织对临界区退火过程中新奥氏体形成、预留相长大与Mn元素分布之间的关系及其对残余奥氏体特性及力学性能的影响规律。热轧条件下“马氏体”初始组织经临界区退火后形成的奥氏体主要呈现板条状，而“铁素体+奥氏体+马氏体”初始组织经临界区退火后组织由块状奥氏体和新生成的板条状奥氏体组成。此外，预存奥氏体无需形核直接长大且呈现出“双峰状”的Mn浓度分布，靠近铁素体/奥氏体界面处存在部分贫Mn区域，该区域在冷却过程中转变成马氏体并与周围保留下来的奥氏体保持K-S关系，呈现马奥岛形貌特征。细小弥散的马奥岛及其积极的TRIP效应促进了实验钢抗拉强度提升了 205 MPa。 （2）采用原位EBSD、数字图像相关技术和纳米压痕对具有不同微观组织特征的冷轧7Mn钢中各个相的应变配分和协调变形行为进行了详细的研究，重点分析了不同尺寸、形貌奥氏体和铁素体的塑性变形机理、残余奥氏体稳定性以及铁素体形貌对屈服行为的影响。研究结果表明，在全等轴晶粒中，具有较大晶粒尺寸的等轴铁素体抵抗塑性变形的能力低，在变形过程中优先发生塑性变形，随后是具有较小晶粒尺寸的等轴铁素体和残余奥氏体。在具有双峰特征和板条特征组织的试样中，通过引入高GND（Geometrically Necessary Dislocation）密度和加工硬化率可以减少或消除吕德斯带，最终获得连续屈服以及优异的强塑性配比。 （3）在新型热轧3Mn钢中引入预制渗碳体退火工艺，系统研究了碳化物的析出行为及其对后续临界区退火过程中的Mn配分、各组成相含量及特性的影响规律。研究结果表明，临界区退火过程中奥氏体在铁素体/渗碳体晶界处形核，并促使渗碳体中的锰元素向奥氏体内配分，提高了室温下残余奥氏体的体积分数和稳定性，进一步增强了应变过程中残余奥氏体的TRIP效应以及最终力学性能。与传统的临界区退火工艺相比，渗碳体的大量引入在提高残余奥氏体含量及稳定性的同时，由于细小VC微合金化合物的析出以及残余奥氏体能够在较大的应变范围内发生持久的TRIP效应，预制渗碳体工艺下的新型热轧3Mn钢获得了屈服强度763 MPa,抗拉强度1022MPa,延伸率46.4％,强塑积47.4 GPa·％的优异力学性能。 (4)分析了冷轧压下量及临界区退火时间对3Mn钢中C/Mn协同配分与碳化物回溶、铁素体再结晶及新奥氏体形成之间的关联性机理及取向特征、奥氏体稳定性对最终力学性能的影响规律。研究结果表明，在冷轧压下量较高的试样中，由于渗碳体溶解、铁素体再结晶和奥氏体形核长大之间的作用，新形成的奥氏体和再结晶铁素体晶粒得到明显细化。奥氏体在渗碳体/铁素体的晶界处形核并长大，与周围铁素体保持K-S关系，同时与相邻的渗碳体保持Pitsch取向关系。奥氏体中较强的τ-织构及能够在较大应变范围内发生积极的TRIP效应是获得优异的强度和均匀延伸率的主要原因。 (5)设计了“多步循环退火”热处理工艺，采用Dictra动力学软件以及原位EBSD技术对3Mn钢各相中的Mn元素配分行为、铁素体/奥氏体的协调变形行为等进行了系统性研究，重点分析了不同形态残余奥氏体的形成机制，内部Mn元素分布以及随着应变增加引起的形变诱导马氏体相变的基本规律。研究结果表明，残余奥氏体能够在较大应变范围内发生TRIP效应，提高钢的强塑性能。在最终退火过程中，预存奥氏体不需要重新形核直接长大，只在预存奥氏体/马氏体界面处存在较小范围的贫Mn区域，而新生成的残余奥氏体内部存在较大的Mn浓度梯度，使其内部的平均Mn元素含量低于预存奥氏体，因此新生成的奥氏体在应变较小时优先发生塑性变形。随着应变的增加，具有较高稳定性的预存奥氏体开始变形。这种具有较大稳定性梯度的残余奥氏体以及马奥岛组织有利于提高3Mn钢的强塑性能。
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