高強(qiáng)度高塑性低密度鋼的組織性能和變形機(jī)制研究.pdf

1、在汽車(chē)工業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，汽車(chē)用鋼也面臨安全、環(huán)境、資源、能源及成本等方面的挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，輕量化已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。通過(guò)向中高錳鋼中添加一定比例的鋁元素，在合金成分優(yōu)化與熱處理工藝控制的基礎(chǔ)上，得到其它鋼種不具備的低密度和高強(qiáng)韌性組合的新型汽車(chē)鋼材，已成為汽車(chē)用鋼研究的熱點(diǎn)。因此，高強(qiáng)度高塑性低密度鋼的開(kāi)發(fā)對(duì)未來(lái)汽車(chē)生產(chǎn)將產(chǎn)生重要的影響，有望在未來(lái)汽車(chē)結(jié)構(gòu)件上得到廣泛應(yīng)用。但是，汽車(chē)用高強(qiáng)度高塑性低密度鋼的研究才剛起步

2、，尚有很多問(wèn)題需要解決。本文以高強(qiáng)度高塑性低密度中高錳鋼為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了高強(qiáng)度高塑性低密度鋼在退火和時(shí)效過(guò)程中的力學(xué)性能及其組織演化規(guī)律、拉伸變形過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演化及其變形機(jī)制和高壓扭轉(zhuǎn)變形過(guò)程中的組織、性能和變形機(jī)制。本文試圖通過(guò)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，期望不僅能豐富高強(qiáng)度高塑性低密度鋼的塑性變形理論，而且能夠揭示高強(qiáng)度高塑性低密度鋼力學(xué)行為和組織演變的規(guī)律，并且為高強(qiáng)度高塑性低密度鋼組織和性能的控制、優(yōu)化提供具有一定參考

3、價(jià)值的方法。論文獲得的結(jié)果如下：
　　(1)通過(guò)對(duì)兩種Al含量（Fe-26Mn-8/10Al-1C，分別簡(jiǎn)稱(chēng)為8Al和10Al鋼）的高錳低密度鋼進(jìn)行不同時(shí)間和溫度的退火處理，研究了8Al和10Al鋼在退火處理過(guò)程中組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)變形試樣微觀組織進(jìn)行觀察，研究了8Al和10Al鋼在拉伸變形過(guò)程中的微觀組織演化規(guī)律，同時(shí)研究了8Al和10Al鋼的力學(xué)行為和變形機(jī)制。通過(guò)分析對(duì)比8Al和10Al鋼在拉伸變形過(guò)程中微觀組

4、織形貌和力學(xué)行為，明確了Al含量對(duì)高錳低密度鋼力學(xué)性能和微觀組織演化的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著Al含量的增加，實(shí)驗(yàn)鋼中位錯(cuò)滑移所需的臨界應(yīng)力增大，導(dǎo)致10Al鋼需要更大的應(yīng)力才能形成位錯(cuò)墻和微帶結(jié)構(gòu)，推遲了致密微帶結(jié)構(gòu)的形成，也延緩了塑性失穩(wěn)。變形后期10Al鋼的應(yīng)變硬化率明顯高于8Al，抗拉強(qiáng)度和延伸率也都高于8Al鋼。
　　(2)通過(guò)對(duì)8Al和10Al鋼進(jìn)行不同時(shí)間的時(shí)效處理，研究了8Al和10Al鋼在時(shí)效處理過(guò)程中組織及力學(xué)

5、性能隨時(shí)效時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，通過(guò)短時(shí)時(shí)效處理，可以大幅度提高8Al和10Al鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)塑性并沒(méi)有顯著降低，從而獲得更為優(yōu)異的高強(qiáng)韌性組合。通過(guò)X射線(xiàn)衍射(XRD)、TEM和高分辨透射電子顯微鏡技術(shù)，研究了8Al和10Al鋼在時(shí)效過(guò)程中κ-碳化物的形貌和分布規(guī)律，以及κ-碳化物對(duì)高錳低密度鋼力學(xué)性能和變形機(jī)制的影響。結(jié)果表明，8Al和10Al鋼中存在調(diào)幅分解和有序化共存的現(xiàn)象。隨著Al含量的增多，κ-碳化物尺寸增

6、大，同時(shí)其體積分?jǐn)?shù)也增加。通過(guò)合理控制κ-碳化物析出可以獲得良好的綜合力學(xué)性能。
　　(3)設(shè)計(jì)了中錳低密度鋼（Fe-12Mn-8Al-0.8C，簡(jiǎn)稱(chēng)為8Al12Mn鋼），研究了8Al12Mn鋼在退火和時(shí)效處理過(guò)程中微觀組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的試樣微觀組織進(jìn)行觀察并結(jié)合應(yīng)變硬化率與真應(yīng)變的變化關(guān)系，明確了各相比例和分布對(duì)8Al12Mn鋼變形機(jī)制和斷裂行為的影響。通過(guò)TEM觀察，研究了8Al12Mn鋼在單軸

7、拉伸變形過(guò)程中的微觀組織演化規(guī)律，同時(shí)研究了8Al12Mn鋼的力學(xué)行為和變形機(jī)制。結(jié)果表明，在退火處理過(guò)程中，合理控制各相配比和分布可以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)鋼在900℃退火處理時(shí)，獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度為920MPa，延伸率為46.4％，強(qiáng)塑積達(dá)到41952MPa％。在時(shí)效處理過(guò)程中形成的硬脆的層片狀碳化物在變形過(guò)程中極大地降低了材料的塑性和應(yīng)變硬化能力，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效后的強(qiáng)度和塑性同步降低。
　　(4)通過(guò)對(duì)高錳F

8、e-Mn-Al-C系低密度鋼（Fe-26Mn-3 Al-1C，簡(jiǎn)稱(chēng)為3Al鋼）進(jìn)行不同轉(zhuǎn)數(shù)的高壓扭轉(zhuǎn)變形（High Pressure Torsion，HPT），研究了3Al鋼在HPT變形過(guò)程中的組織演化及力學(xué)性能隨扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)變量的變化規(guī)律，分析了3Al鋼HPT變形過(guò)程中晶粒細(xì)化機(jī)制和變形機(jī)制。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)HPT處理后，3Al鋼的硬度值顯著提高，經(jīng)HPT變形5轉(zhuǎn)之后的維氏硬度值約為800HV，為變形前的4倍。此外，3Al鋼在HPT變形過(guò)