高锰奥氏体TRIP/TWIP钢组织与力学性能研究

摘要

为了满足汽车工业对安全性、燃油经济性、环保以及表面质量的要求，钢铁工业正在不断的改进创新。现在越来越多的高强度钢(HighStrengthSteel-HSS)和超高强度钢(UltraHighStrengthSteel-UHSS)被用来代替传统的低碳钢。最近由于汽车工业倾向于提高车辆的安全等级降低重量以获得更加合理而又经济的产品，因此人们对于高强度钢和超高强度钢表现出了浓厚的兴趣。 在21世纪，大多数汽车钢课题集中在开发新型UHSS来满足超轻钢汽车车身(ULSAB)计划。这些钢种包括双相钢、相变诱发塑性(TRIP)钢、孪晶诱导塑性(TWIP)钢和硼钢。 TRIP(TransformationInducedPlasticity)钢又称相变诱发塑性钢。TRIP钢板具有高的强度、延展性和冲压成形能力，用作汽车钢板可减轻车重，降低油耗，同时有较强的能量吸收能力，能够抵御撞击时的塑性变形，显著地提高了汽车的安全等级，具有明显的优越性。随着生产工艺的不断提高和完善，TRIP钢板的大规模工业化生产已成为可能，应用前景也将更加广阔。 TRIP钢的本质是通过相变诱发塑性(TRIP)效应使钢中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体生核和形成，并产生局部变形，继而变形不再集中在局部，使相变均匀扩散到整个材料，从而提高钢的强度和塑性。 TWIP(TwinsInducedPlasticity)钢是通常是指锰含量为15％～30％的高锰钢，这种钢的微观结构与锰含量密切相关，并能够在塑性变形的过程中表现出较高的延展性和优越的强度特性。TWIP效应又称孪生诱发塑性效应，是指超高锰钢中因为机械孪生的形成而具有的不寻常的塑性。TWIP钢由于具有高的加工硬化率、高的延展性、高的强度等一系列特殊的机械性能，因此在未来的汽车工业生产中具有广阔的发展和应用前景。 本文以锰含量为23.8％和33％的两种不同成分的高锰奥氏体钢作为研究对象，研究了锰含量以及变形条件对实验钢力学性能和组织变化的影响。为大规模工业生产、应用提供了理论与实验依据。 本文的实验内容包括：(1)对锰含量为23.8％的No.1实验钢进行了初始应变速率为10-3/s～10-1/s的室温拉伸变形实验，测试了初始应变速率的改变对于实验钢力学性能的影响。研究发现在1×10-3/s～1×10-1/s的初始应变速率范围内，抗拉强度可以达到时650MPa左右，延伸率达到60％以上。并在此基础上对实验钢在100℃和200℃进行高温拉伸变形实验。与室温拉伸相比，实验钢100℃高温拉伸时延伸率略有增加，抗拉强度有较大幅度的降低。而200℃拉伸变形过程中实验钢的延伸率变化不大，但是抗拉强度有较大幅度的降低。 (2)对锰含量为33％的No.2实验钢进行了初始应变速率为1×10-3/s和1×10-1/s的室温拉伸变形实验，分析了初始应变速率对实验钢力学性能和组织的影响。与No.1实验钢相比较，分析了锰元素对高锰奥氏体钢室温拉伸变形过程中的力学性能的影响。结果说明随着实验钢中锰含量的增加，在相同初始应变速率条件下，实验钢的强度明显降低，抗拉强度只有540Mpa左右；同时塑性得到较大的提高，1×10-3/s的初始应变速率下可以达到97％的延伸率。 (3)通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及X射线衍射分析仪等设备对两种不同成分实验钢拉伸变形前后的组织进行了观察分析。比较同一锰含量的实验钢在不同变形条件下拉伸变形后组织的区别；并对不同锰含量的实验钢在相同变形条件下拉伸变形后组织进行比较。通过一系列的分析比较发现，锰含量为23.8％的No.1实验钢在拉伸变形过程中同时产生了TRIP效应以及TWIP效应，而锰含量为33％的No.2实验钢则只出现了TWIP效应。与力学性能比较进而说明了TRIP效应有利于实验钢强度的提高，TWIP效应则有利于实验钢塑性的改善。 (4)对高锰钢的强化机制进行了分析。研究发现，锰元素的固溶强化并不是高锰奥氏体钢最主要的强化机制，应力诱发的相变强化及TWIP效应才是关键的强化机制。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.2 TRIP效应的形成机理

1.3 TRIP钢的发展与应用

1.4高锰奥氏体钢概述

1.5 TWIP钢的变形机理

1.6 TWIP钢的研究现状及发展前景

1.6.1研究现状

1.6.2发展前景

1.7研究的内容

第二章实验材料制备及实验方法

2.1实验材料的制备

2.1.1实验材料的化学成分设计

2.1.2实验材料的熔炼

2.1.3实验钢拉伸试样的加工及热处理工艺

2.2实验方法

2.2.1拉伸实验

2.2.2组织观察

第三章23.8Mn高锰奥氏体钢组织与力学性能研究

3.1引言

3.2实验结果和分析

3.2.1力学性能测试

3.2.2光学显微组织观察与X射线衍射分析

3.2.3 SEM组织观察

3.2.4 TEM组织观察

3.3小结

第四章33Mn高锰奥氏体钢组织与力学性能研究

4.1引言

4.2实验结果和分析

4.2.1力学性能测试

4.2.2光学显微组织观察与X射线衍射分析

4.2.3 TEM组织观察

4.3讨论

4.3.1 Mn含量的影响

4.3.2 TRIP/TWIP钢的特点

4.4小结

第五章结论

参考文献

致谢