先進高強鋼多相、亞穩(wěn)、多尺度、形貌(M4)組織特征與力學性能相關性規(guī)律研究.pdf

1、隨著對汽車鋼板強塑性能要求的提高，先進高強鋼從以雙相鋼、相變誘發(fā)塑性鋼為代表的第一代先進高強鋼，以孿晶誘發(fā)塑性鋼為代表的第二代先進高強鋼，發(fā)展到目前以淬火-配分鋼和中錳鋼為代表的第三代先進高強鋼。該演變過程說明先進高強鋼的設計越來越注重多相間的相互作用與協(xié)調變形能力，因此組織與力學性能之間的關系越來越復雜，而有關方面的研究日益重要。一般來講，含亞穩(wěn)奧氏體多相先進高強鋼中的單相性能、相與相之間的相互作用以及殘余奧氏體的作用都會影響到材料的

2、變形機制和力學性能，這些因素之間又會相互影響，因此難以進行整體研究。M3，即多相(Multi-phase)、多尺度(Multi-scale)、亞穩(wěn)(Meta-stable)是研究各個因素及其相互作用的一種組織與力學性能分析、調控的概念。然而隨著研究的深入，形貌(Morphology)對力學性能的作用也日益突出，為了更系統(tǒng)地研究含亞穩(wěn)奧氏體的多相先進高強鋼組織與力學性能間的關系，需要將M3概念拓展為M4。因此本文以M4概念為指導，發(fā)展了新

3、的定量表征或分析模擬方法，并通過合理的實驗設計，定量統(tǒng)計及理論分析，研究了以下問題：
　　1．含亞穩(wěn)奧氏體多相鋼中殘余奧氏體的表征、定量統(tǒng)計方法及分布因素對殘余奧氏體穩(wěn)定性的影響。2．含亞穩(wěn)奧氏體多相鋼中馬氏體形貌對應力應變分布、殘余奧氏體穩(wěn)定性及最終力學性能的影響。3.數(shù)字化重構方法在組織重構與多尺度分析方面的探索與應用。4．含亞穩(wěn)奧氏體多相先進高強鋼組織與力學性能關系、變形機制的分析及力學性能擬合方法與實驗驗證。
　　研

4、究方法及主要結論如下：
　　1.用彩色金相法，掃描電子顯微鏡（SEM），電子背散射衍射（EBSD），透射電子顯微鏡（TEM），飽和磁性法，穆斯堡爾譜法，表征并統(tǒng)計了 Q&P980多相先進高強鋼中殘余奧氏體的形貌與含量。提出了一種可以定量統(tǒng)計不同分布狀態(tài)的殘余奧氏體含量的數(shù)字化分類截線統(tǒng)計方法。統(tǒng)計結果表明，拉伸過程中不同分布狀態(tài)的殘余奧氏體的變化呈現(xiàn)多階段性，奧氏體穩(wěn)定性從低到高依次為位于鐵素體內、位于鐵素體與馬氏體相界面處以及位

5、于馬氏體內，研究了不同分布狀態(tài)的奧氏體的穩(wěn)定性機理，以此提出了多階段相變模型。
　　2.通過對比含塊狀馬氏體的S-QP820試樣(S-Slow-緩冷）與含細小彌散馬氏體的I-QP800(I-Intercritical-兩相區(qū))多相淬火-配分試樣的組織與力學性能差異，發(fā)現(xiàn)含塊狀馬氏體的試樣容易產生應變集中，導致局部區(qū)域的殘余奧氏體被過早的消耗掉，無法充分利用TRIP效應。相反，含彌散細小馬氏體的I-QP800試樣中的殘余奧氏體在較高

6、應變時發(fā)生相變的區(qū)域分布較均勻，因此可以更有效地抵抗局部軟化現(xiàn)象，使頸縮推遲，提高試樣均勻延伸率。因此多相鋼中最佳馬氏體形貌為細小彌散狀且最佳的馬氏體體積分數(shù)約為50%。以上說明，優(yōu)化馬氏體形貌是改善含亞穩(wěn)奧氏體多相先進高強鋼強塑性的有效途徑，因此需要將M3概念發(fā)展為M4。
　　用數(shù)字化重構的方法重構了含塊狀馬氏體與含細小彌散馬氏體的多相淬火-配分試樣的組織。通過分析多尺度重構圖像的組織特征，研究了淬火前奧氏體平均自由程（奧氏體逆

7、相變晶粒尺寸）隨其體積分數(shù)的變化規(guī)律，解釋了I-QP馬氏體粗化與最佳體積分數(shù)存在的原因，發(fā)現(xiàn)了形核數(shù)量對最佳體積分數(shù)值的影響規(guī)律，預測了最佳形核數(shù)（5002 pixel，針對本文代表性體元）與飽和最佳體積分數(shù)（約為60~70%）的數(shù)值大小。該發(fā)現(xiàn)對雙相鋼，I-QP以及中錳鋼的組織設計與性能改進都具有指導意義。這表明數(shù)字化組織重構是拓展研究思路、提高研究效率的有效方法。
　　3.通過對比雙相鋼與淬火-配分鋼的組織與力學性能差異，研究

8、了殘余奧氏體對淬火-配分鋼加工硬化行為的影響，并定量地分析了鐵素體內的殘余奧氏體相變對鐵素體基體的強化作用。結果表明鐵素體內的殘余奧氏體相變導致的位錯密度增加及內應力分布不均勻現(xiàn)象可能是淬火-配分鋼在變形第一階段的加工硬化指數(shù)為負，且其絕對值較高的原因。通過分析配分前后馬氏體內碳含量變化及配分后馬氏體顯微硬度值，說明配分后馬氏體力學性能與變形特征與回火馬氏體近似。通過改進的顯微硬度圖像定位法不僅研究了鐵素體（240 Hv）與馬氏體（40

9、0 Hv）單相的顯微硬度，還證明配分后的馬氏體與鐵素體間的載荷符合線性分布規(guī)律。此外，借助多層次分析模型，顯微硬度定位法還可研究組織分布與多尺度問題。根據(jù)以上實驗結果與變形機制的分析，通過改進Mecking-Kocks位錯理論，Bouquerel奧氏體球形假設，Gladman型混合法則的擬合參數(shù)，得到與實測性能符合較好的擬合曲線。通過分析預拉伸加烘烤硬化的淬火-配分試樣的力學性能與殘余奧氏體轉變量，證實了對不同分布狀態(tài)的殘余奧氏體穩(wěn)定性