FE-MN-AL-C系TWIP鋼的塑性變形機(jī)制及組織性能研究.pdf

1、由于Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼具有較高的強(qiáng)度、延伸率、良好的低溫韌性、無(wú)磁性以及較低的合金密度等優(yōu)異性能，使得Fe-Mn-Al-C鋼在先進(jìn)的交通運(yùn)輸系統(tǒng)特別是汽車(chē)工業(yè)以及高安全標(biāo)準(zhǔn)火車(chē)工業(yè)中具有較大的應(yīng)用潛力，這使得Fe-Mn-Al-C鋼在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域以及鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域引起了人們極大的興趣。另外，F(xiàn)e-Mn-Al-C鋼也可有其他方面的應(yīng)用，例如在非腐蝕環(huán)境下部分替代較為昂貴的鉻-鎳奧氏體不銹鋼;應(yīng)用于需要較高強(qiáng)度非鐵磁性材料的高速旋

2、轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)帶端環(huán)轉(zhuǎn)子，以減少其重量;在制冷技術(shù)領(lǐng)域可以用于液態(tài)氣體的存儲(chǔ)與運(yùn)輸。因此，隨著生產(chǎn)工藝的不斷提高和完善，F(xiàn)e-Mn-Al-C系TWIP鋼的應(yīng)用前景將更加廣闊。但是，于Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼的研究剛剛起步，尚有許多問(wèn)題需要解決，如:組織性能隨變形條件的變化，以及塑性變形機(jī)制的形成機(jī)理還需進(jìn)一步的深入研究;抗氧化行為也需要全面的探討，使其作為替代Fe-Cr-Ni奧氏體鋼的Fe-Mn-Al-C系無(wú)磁鋼、低溫鋼，以及某些功

3、能合金得到迅速的發(fā)展提供理論參考。
　　本文研究了Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼的熱加工行為及組織演化規(guī)律、熱軋過(guò)程中組織性能的演變、冷軋薄板組織及力學(xué)性能隨固溶工藝的變化規(guī)律及拉伸變形過(guò)程中的塑性變形機(jī)制及其影響因素、加工硬化機(jī)制、TWIP鋼的抗高溫氧化行為，取得了如下研究成果:
　　(1)通過(guò)高溫單道次壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)定了兩種典型成分的Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼的流變應(yīng)力曲線(xiàn)。研究了TWIP鋼在高溫壓縮過(guò)程中的變形行為

4、、變形組織特點(diǎn)以及組織演化行為，分析了TWIP鋼高溫變形抗力的影響因素并建立了變形抗力模型。通過(guò)等效應(yīng)變法則分析了TWIP鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。結(jié)果表明，應(yīng)變速率對(duì)30Mn20Al鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能有明顯影響，激活能的變化使TWIP鋼的再結(jié)晶難易程度發(fā)生變化;試樣在單軸壓縮變形過(guò)程中，其內(nèi)部變形是不均勻的，等效應(yīng)變分布為:試樣心部最大，與壓頭接觸部分的中間位置最小。分析了等效應(yīng)變確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的可行性。
　　(2)研究了Fe-Mn

5、-Al-C系TWIP鋼在單軸拉伸變形過(guò)程中的加工硬化行為和顯微組織特點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)以及加工硬化速率和加工硬化指數(shù)隨真應(yīng)變的變化關(guān)系，研究了TWIP鋼的變形行為和相關(guān)機(jī)理。TWIP鋼的單軸拉伸變形過(guò)程可分為三個(gè)階段:第一階段，平面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是主要變形組織，位錯(cuò)滑移為主要變形機(jī)制，因此加工硬化指數(shù)較小，加工硬化速率迅速降低，達(dá)到屈服時(shí)此階段結(jié)束。第二階段，位錯(cuò)和形變孿晶是變形組織的主要特征，形變孿晶與位錯(cuò)的交互作用為主要變形機(jī)制，此階

6、段中30Mn20Al3鋼低溫(700，800℃)固溶處理時(shí)因?yàn)榍脚_(tái)的出現(xiàn)使得加工硬化速率出現(xiàn)極小值，在屈服平臺(tái)結(jié)束點(diǎn)加工硬化速率開(kāi)始進(jìn)入平臺(tái)階段，高溫(900～1000℃)固溶處理的試樣則隨著屈服進(jìn)入平臺(tái)階段;20Mn23AlV鋼變形過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，所以隨著試樣產(chǎn)生屈服，形變孿晶的產(chǎn)生，加工硬化速率下降的速率減慢;兩種TWIP鋼此階段中的加工硬化指數(shù)均隨應(yīng)變的增加而增加。第三階段，不同孿晶面上產(chǎn)生兩組形變孿晶和位錯(cuò)是主要的變

7、形組織，位錯(cuò)和形變孿晶、形變孿晶之間的交互作用為主要的變形機(jī)制，在此階段，加工硬化速率因?yàn)樾巫儗\晶形成速率減慢麗出現(xiàn)平臺(tái)，在試樣即將斷裂時(shí)又緩慢降低，加工硬化指數(shù)達(dá)到了維持在較高水平并達(dá)到峰值。正是由于TWIP鋼拉伸變形過(guò)程中得到了較高的加工硬化速率和加工硬化指數(shù)，使得TWIP鋼變形時(shí)產(chǎn)生無(wú)頸縮的大延伸，從而獲得了“TWIP”效應(yīng)。
　　(3)利用單軸拉伸結(jié)合光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)

8、微觀(guān)組織的觀(guān)察，研究了不同應(yīng)變速率(2.97×10-4～1.49×10-1s-1)和變形溫度(-60～600℃)對(duì)Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼變形機(jī)制的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨應(yīng)變速率的增加，TWIP鋼的晶粒變形程度減弱，形變孿晶數(shù)量減少，加工硬化速率由三階段變?yōu)閮呻A段;隨變形溫度升高，TWIP鋼的變形機(jī)制由以孿生為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰茷橹?通過(guò)熱力學(xué)公式估算了不同溫度（t)下層錯(cuò)能（Γ)的大小，分析了層錯(cuò)能與變形機(jī)制的依賴(lài)關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)-

9、60℃≤t≤100℃，14mJ/m2≤?！?2 mJ/m2時(shí)，變形機(jī)制以孿生為主;當(dāng)100℃＜t＜300℃，32 mJ/m2＜Γ＜72 mJ/m2時(shí)，滑移與孿生相互競(jìng)爭(zhēng)是主要的變形機(jī)制;當(dāng)t≥300℃時(shí)，?！?2mJ/m2時(shí)，變形機(jī)制為滑移;當(dāng)變形溫度升高至600℃時(shí)，TWIP鋼發(fā)生軟化，并在晶界產(chǎn)生AlN析出，容易引起微觀(guān)裂紋，造成斷裂。
　　(4)利用同步差熱分析儀研究了Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼的高溫抗氧化行為，分析了