FE-MN-AL-C系TWIP鋼的塑性變形機制及組織性能研究.pdf

1、由于Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼具有較高的強度、延伸率、良好的低溫韌性、無磁性以及較低的合金密度等優(yōu)異性能，使得Fe-Mn-Al-C鋼在先進的交通運輸系統(tǒng)特別是汽車工業(yè)以及高安全標(biāo)準(zhǔn)火車工業(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)用于需要較高強度非鐵磁性材料的高速旋

2、轉(zhuǎn)的發(fā)電機帶端環(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)氣體的存儲與運輸。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，以及塑性變形機制的形成機理還需進一步的深入研究;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)律及拉伸變形過程中的塑性變形機制及其影響因素、加工硬化機制、TWIP鋼的抗高溫氧化行為，取得了如下研究成果:
　　(1)通過高溫單道次壓縮實驗測定了兩種典型成分的Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼的流變應(yīng)力曲線。研究了TWIP鋼在高溫壓縮過程中的變形行為

4、、變形組織特點以及組織演化行為，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。通過等效應(yīng)變法則分析了TWIP鋼的動態(tài)再結(jié)晶過程。結(jié)果表明，應(yīng)變速率對30Mn20Al鋼的動態(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程中的加工硬化行為和顯微組織特點，通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線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)機理。TWIP鋼的單軸拉伸變形過程可分為三個階段:第一階段，平面位錯結(jié)構(gòu)是主要變形組織，位錯滑移為主要變形機制，因此加工硬化指數(shù)較小，加工硬化速率迅速降低，達到屈服時此階段結(jié)束。第二階段，位錯和形變孿晶是變形組織的主要特征，形變孿晶與位錯的交互作用為主要變形機制，此階

6、段中30Mn20Al3鋼低溫(700，800℃)固溶處理時因為屈服平臺的出現(xiàn)使得加工硬化速率出現(xiàn)極小值，在屈服平臺結(jié)束點加工硬化速率開始進入平臺階段，高溫(900～1000℃)固溶處理的試樣則隨著屈服進入平臺階段;20Mn23AlV鋼變形過程中沒有出現(xiàn)屈服平臺，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是主要的變

7、形組織，位錯和形變孿晶、形變孿晶之間的交互作用為主要的變形機制，在此階段，加工硬化速率因為形變孿晶形成速率減慢麗出現(xiàn)平臺，在試樣即將斷裂時又緩慢降低，加工硬化指數(shù)達到了維持在較高水平并達到峰值。正是由于TWIP鋼拉伸變形過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鋼變形時產(chǎn)生無頸縮的大延伸，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

8、微觀組織的觀察，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Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼變形機制的影響。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鋼的變形機制由以孿生為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰茷橹?通過熱力學(xué)公式估算了不同溫度（t)下層錯能（Γ)的大小，分析了層錯能與變形機制的依賴關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)-

9、60℃≤t≤100℃，14mJ/m2≤Γ≤32 mJ/m2時，變形機制以孿生為主;當(dāng)100℃＜t＜300℃，32 mJ/m2＜Γ＜72 mJ/m2時，滑移與孿生相互競爭是主要的變形機制;當(dāng)t≥300℃時，Γ≥72mJ/m2時，變形機制為滑移;當(dāng)變形溫度升高至600℃時，TWIP鋼發(fā)生軟化，并在晶界產(chǎn)生AlN析出，容易引起微觀裂紋，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