先进高强钢多相、亚稳、多尺度、形貌(M4)组织特征与力学性能相关性规律研究

摘要

随着对汽车钢板强塑性能要求的提高，先进高强钢从以双相钢、相变诱发塑性钢为代表的第一代先进高强钢，以孪晶诱发塑性钢为代表的第二代先进高强钢，发展到目前以淬火-配分钢和中锰钢为代表的第三代先进高强钢。该演变过程说明先进高强钢的设计越来越注重多相间的相互作用与协调变形能力，因此组织与力学性能之间的关系越来越复杂，而有关方面的研究日益重要。一般来讲，含亚稳奥氏体多相先进高强钢中的单相性能、相与相之间的相互作用以及残余奥氏体的作用都会影响到材料的变形机制和力学性能，这些因素之间又会相互影响，因此难以进行整体研究。M3，即多相(Multi-phase)、多尺度(Multi-scale)、亚稳(Meta-stable)是研究各个因素及其相互作用的一种组织与力学性能分析、调控的概念。然而随着研究的深入，形貌(Morphology)对力学性能的作用也日益突出，为了更系统地研究含亚稳奥氏体的多相先进高强钢组织与力学性能间的关系，需要将M3概念拓展为M4。因此本文以M4概念为指导，发展了新的定量表征或分析模拟方法，并通过合理的实验设计，定量统计及理论分析，研究了以下问题：
　　1．含亚稳奥氏体多相钢中残余奥氏体的表征、定量统计方法及分布因素对残余奥氏体稳定性的影响。2．含亚稳奥氏体多相钢中马氏体形貌对应力应变分布、残余奥氏体稳定性及最终力学性能的影响。3.数字化重构方法在组织重构与多尺度分析方面的探索与应用。4．含亚稳奥氏体多相先进高强钢组织与力学性能关系、变形机制的分析及力学性能拟合方法与实验验证。
　　研究方法及主要结论如下：
　　1.用彩色金相法，扫描电子显微镜（SEM），电子背散射衍射（EBSD），透射电子显微镜（TEM），饱和磁性法，穆斯堡尔谱法，表征并统计了 Q&P980多相先进高强钢中残余奥氏体的形貌与含量。提出了一种可以定量统计不同分布状态的残余奥氏体含量的数字化分类截线统计方法。统计结果表明，拉伸过程中不同分布状态的残余奥氏体的变化呈现多阶段性，奥氏体稳定性从低到高依次为位于铁素体内、位于铁素体与马氏体相界面处以及位于马氏体内，研究了不同分布状态的奥氏体的稳定性机理，以此提出了多阶段相变模型。
　　2.通过对比含块状马氏体的S-QP820试样(S-Slow-缓冷）与含细小弥散马氏体的I-QP800(I-Intercritical-两相区)多相淬火-配分试样的组织与力学性能差异，发现含块状马氏体的试样容易产生应变集中，导致局部区域的残余奥氏体被过早的消耗掉，无法充分利用TRIP效应。相反，含弥散细小马氏体的I-QP800试样中的残余奥氏体在较高应变时发生相变的区域分布较均匀，因此可以更有效地抵抗局部软化现象，使颈缩推迟，提高试样均匀延伸率。因此多相钢中最佳马氏体形貌为细小弥散状且最佳的马氏体体积分数约为50%。以上说明，优化马氏体形貌是改善含亚稳奥氏体多相先进高强钢强塑性的有效途径，因此需要将M3概念发展为M4。
　　用数字化重构的方法重构了含块状马氏体与含细小弥散马氏体的多相淬火-配分试样的组织。通过分析多尺度重构图像的组织特征，研究了淬火前奥氏体平均自由程（奥氏体逆相变晶粒尺寸）随其体积分数的变化规律，解释了I-QP马氏体粗化与最佳体积分数存在的原因，发现了形核数量对最佳体积分数值的影响规律，预测了最佳形核数（5002 pixel，针对本文代表性体元）与饱和最佳体积分数（约为60~70%）的数值大小。该发现对双相钢，I-QP以及中锰钢的组织设计与性能改进都具有指导意义。这表明数字化组织重构是拓展研究思路、提高研究效率的有效方法。
　　3.通过对比双相钢与淬火-配分钢的组织与力学性能差异，研究了残余奥氏体对淬火-配分钢加工硬化行为的影响，并定量地分析了铁素体内的残余奥氏体相变对铁素体基体的强化作用。结果表明铁素体内的残余奥氏体相变导致的位错密度增加及内应力分布不均匀现象可能是淬火-配分钢在变形第一阶段的加工硬化指数为负，且其绝对值较高的原因。通过分析配分前后马氏体内碳含量变化及配分后马氏体显微硬度值，说明配分后马氏体力学性能与变形特征与回火马氏体近似。通过改进的显微硬度图像定位法不仅研究了铁素体（240 Hv）与马氏体（400 Hv）单相的显微硬度，还证明配分后的马氏体与铁素体间的载荷符合线性分布规律。此外，借助多层次分析模型，显微硬度定位法还可研究组织分布与多尺度问题。根据以上实验结果与变形机制的分析，通过改进Mecking-Kocks位错理论，Bouquerel奥氏体球形假设，Gladman型混合法则的拟合参数，得到与实测性能符合较好的拟合曲线。通过分析预拉伸加烘烤硬化的淬火-配分试样的力学性能与残余奥氏体转变量，证实了对不同分布状态的残余奥氏体稳定性的定量分析结果，多相钢组织变形机制的分析结果以及所用力学模型对相变生成的马氏体的第二相强化的分析结果的正确性。
　　综上，通过探讨多相、多尺度、亚稳与形貌等组织因素对性能的影响规律，我们可以建立起组织结构与力学性能间的定量关系，为先进高强钢性能优化、新一代产品设计提供理论支持。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 先进高强钢的M4概念

1.3 先进高强钢的发展与组织特征

1.4 M4组织调控因素及其对性能的影响

1.5 研究的意义

1.6 研究的目的与内容

参考文献

第二章 材料及试验方法

2.1 材料成分及初始组织形貌

2.2 热处理工艺设计

2.3 显微组织表征及结构分析

2.4 残余奥氏体体积分数测量

2.5 力学性能测试

参考文献

第三章 含亚稳奥氏体多相高强钢中残奥含量及分布的定量分析与稳定性研究

3.1引言

3.2残余奥氏体形态及分布表征

3.3残余奥氏体物性测量方法及各个方法优缺点

3.4残奥分布定量分析及多阶段模型

3.5 结论

参考文献

第四章马氏体形貌对含亚稳奥氏体多相高强钢的影响及数字化重构的探索

4.1引言

4.2 热处理设计及组织表征

4.3力学性能分析

4.4 数字化重构的探索

4.5 本章小结

参考文献

第五章 含亚稳奥氏体多相高强钢变形机制分析及力学性能拟合与验证

5.1 引言

5.2多相钢的变形机制分析

5.3 淬火-配分钢中铁素体相拉伸性能分析

5.4 马氏体的显微硬度与载荷分布的分析

5.5 变形机制分析及力学性能拟合

5.6 小结

参考文献

第六章 结论

创新点

致谢

攻读博士学位期间发表和待发表的学术论文