高錳奧氏體孿晶誘發(fā)塑性鋼的增強增塑及低周疲勞行為研究.pdf

1、孿晶誘發(fā)塑性（Twinning-induced Plasticity,TWIP）鋼具有優(yōu)越的強度、延展性和成型性，以及優(yōu)良的能量吸收能力，是新一代汽車用鋼的有力競爭者，因此受到廣泛關(guān)注。但是，關(guān)于TWIP鋼的研究仍處于初級階段，存在很多問題還亟待解決。通過進一步提高 TWIP鋼的強塑性，可以更有效地降低汽車車身重量、提高燃油效率、降低溫室氣體排放，同時提高汽車的安全性能；通過對其疲勞行為的研究，可以為汽車零部件的抗疲勞設(shè)計和使用安全性提

2、供可靠的理論依據(jù)。本論文以Fe-Mn-C系高錳奧氏體 TWIP鋼為研究對象，通過拉伸性能測試及變形過程中顯微組織演化的分析，研究了增加C含量、Cr/Mo合金化以及晶粒細化三種手段對TWIP鋼拉伸變形行為、加工硬化規(guī)律的影響及其強塑性得到提高的微觀機理。對無鋁和3wt.％Al（即0Al和3Al）兩種TWIP鋼在應力控制下的低周疲勞行為進行了研究，并利用數(shù)字圖像相關(guān)法對其低周疲勞過程中的局域變形分布及裂紋擴展特性進行了研究。主要結(jié)果如下：<

3、br>　　對兩種碳含量TWIP鋼（即Fe18Mn-1.0C和Fe-22Mn-0.6C）的拉伸變形行為進行了對比研究。結(jié)果表明，增加碳含量提高 TWIP鋼的屈服強度和抗拉強度、且保持中碳TWIP鋼的高塑性。據(jù)分析，與低、中碳TWIP鋼相比，高碳TWIP鋼中較高的碳含量提高 TWIP鋼的層錯能，導致應變初期形變孿晶的形成受到抑制。另一方面，在高碳含量情況下，高碳TWIP鋼表現(xiàn)出更強烈的動態(tài)應變時效。增強的動態(tài)應變時效一方面促進 TWIP鋼的

4、加工硬化，同時也有利于隨著應變的增加持續(xù)形成更加細小的形變孿晶，進而進一步提升高應變時的加工硬化率，推遲拉伸頸縮的出現(xiàn)。因此，高碳TWIP鋼具有更高的強度，同時保持高的拉伸塑性。
　　對Cr/Mo合金化與未合金化兩種鋼（即Fe-18Mn-1.0C-2Cr-1Mo和Fe-18Mn-1.0C）的拉伸變形行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)Cr/Mo合金化使TWIP鋼的屈服強度、抗拉強度和延伸率同時升高。拉伸變形過程中，兩種鋼均產(chǎn)生了動態(tài)應變時效；但是

5、，與未合金化鋼相比，Cr/Mo合金化鋼中的動態(tài)應變時效減弱，并抑制低應變時形變孿晶的產(chǎn)生。在高應變時，未合金化鋼中的形變孿晶較早趨于飽和，而Cr/Mo合金化鋼卻依然保持著持續(xù)形成形變孿晶的能力。此外，Cr/Mo合金化還起到細化形變孿晶的作用。Cr/Mo合金化鋼在高應變下持續(xù)產(chǎn)生更加細小的形變孿晶，使其加工硬化率保持在較高水平，因而同時具有更高的強度和更高的塑性。
　　就中、低碳或無碳TWIP而言，細化晶粒通常提高強度，同時降低塑性

6、。本論文對不同晶粒尺寸的高碳TWIP鋼（Fe-18Mn-1.0C）的研究結(jié)果表明，隨著晶粒尺寸的細化，高碳TWIP鋼的屈服強度、抗拉強度和塑性同時提高。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，在低應變時，晶粒細化抑制了形變孿晶的產(chǎn)生，但是在高應變時，小晶粒試樣中形成了更多、更細小的形變孿晶。由此可見，晶粒細化可以防止應變初期產(chǎn)生過多的形變孿晶，并且能夠減小孿晶厚度。另一方面，F(xiàn)e-18Mn-1.0C鋼中的高碳含量增強了動態(tài)應變時效，提高了加工硬化率，同時

7、能夠促進高應變時持續(xù)不斷地生成形變孿晶，進一步提高了加工硬化能力。正是這種晶粒細化和高碳的共同作用，細晶高碳TWIP鋼的強度和塑性同步提高。
　　對比研究了0Al、3Al兩種TWIP鋼（即Fe-22Mn-0.6C和Fe-22Mn-0.6C-3Al）應力控制下的低周疲勞行為。結(jié)果表明，在恒定應力幅450MPa下，兩種鋼的循環(huán)應變響應曲線均表現(xiàn)出循環(huán)硬化（即應變幅減?。?、循環(huán)飽和以及循環(huán)軟化三個階段；但3Al鋼的這三個階段均相對較短，

8、顯示出較低的疲勞壽命。雖然3Al鋼具有較高的拉伸屈服強度，但是具有較低的循環(huán)硬化能力，因此在同一應力幅下，3Al鋼的循環(huán)應變幅明顯大于0Al鋼的循環(huán)應變幅，進而增加了其疲勞損傷的累積，導致其壽命降低。對0Al鋼疲勞裂紋擴展行為的研究發(fā)現(xiàn)，在裂紋萌生初期，裂紋擴展速率較慢，出現(xiàn)擴展、停滯及偏折的斷續(xù)性裂紋擴展。隨著疲勞周次的增加，裂紋擴展速率逐漸加快，裂紋路徑偏折程度降低。利用數(shù)字圖像相關(guān)法對疲勞過程中的應變場進行了分析，發(fā)現(xiàn)試樣表面存在