高強度TRIP鋼組織性能表征及基于微觀組織的有限元模擬.pdf

1、由于節(jié)能降耗和保護環(huán)境的需求不斷增長，汽車輕量化逐漸成為各國汽車主要的發(fā)展方向，并由此引發(fā)了高強度鋼的研制與開發(fā)。相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)可以在提高鋼板強度的同時保持較高的塑性，因此TRIP鋼的應(yīng)用在汽車界引起廣泛的關(guān)注。當(dāng)前，各國已經(jīng)可以工業(yè)生產(chǎn)出基于Fe-C-Mn-Si成分體系的600～800MPa級別的TRIP鋼板，而且國外已經(jīng)研制出了1000MPa級強度并具有較好塑性的TRIP鋼。為了趕上國際上新型TRIP鋼研究的步伐，必須

2、提高我國自主開發(fā)高強度TRIP鋼的能力。
　　本文與國家自然科學(xué)基金項目“先進高強度鋼形變誘導(dǎo)相變增塑的微觀機制”研究課題相結(jié)合，根據(jù)微合金化原則設(shè)計強度達到1000MPa的新型TRIP鋼。通過復(fù)合添加Nb、Mo、Ti和V等微合金元素來實現(xiàn)組織的細(xì)化和彌散析出強化，以此來提高實驗鋼的強度。研究的主要目標(biāo)為獲得高強度高塑性的新型TRIP鋼。因此，本文首先研究了熱處理后實驗鋼的微觀組織形貌、各相的配比、合金元素的分布狀態(tài)以及殘余奧氏體

3、的穩(wěn)定性對實驗鋼力學(xué)性能的影響。適當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定殘余奧氏體能夠提高實驗鋼的力學(xué)性能。為了進一步分析高強度TRIP鋼的強塑性機制，采用實驗鋼的實際組織(SEM圖片)建立有限元模型，并模擬了變形過程中的馬氏體相變。最終，通過實驗和模擬為高強度TRIP鋼工業(yè)生產(chǎn)及開發(fā)提供借鑒和理論支持。本文取得了如下研究成果:
　　(1)為了獲得高強度TRIP鋼，在細(xì)晶強化和析出強化的指導(dǎo)思想下設(shè)計了4種新型成分的TRIP鋼。考慮到試樣鋼的可焊性，C

4、元素控制在0.2wt％。本研究采用Al部分取代Si，Si的含量下降到0.69 wt％，提高了材料的熱鍍性能。為了彌補Al代Si后實驗鋼強度的損失，添加了0.5 wt％ Cu。最后，復(fù)合添Nb、Mo或V、Ti，通過細(xì)晶強化和析出強化兩方面的作用獲得良好的強度和塑性。實驗結(jié)果表明兩階段熱處理后4種實驗鋼的抗拉強度接近或超過1000MPa，延伸率均保持在20％以上。
　　(2)系統(tǒng)研究了兩相區(qū)退火對實驗鋼組織性能的影響。實驗證明退火過程

5、中C元素向奧氏體中的擴散極大地影響了實驗鋼殘余奧氏體的穩(wěn)定性。隨著退火時間的延長，在兩相區(qū)獲得的奧氏體量增加，但其平均碳含量下降，穩(wěn)定性降低，所以最終組織中的殘余奧氏體量與其碳含量也呈下降趨勢。因此，實驗鋼中殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)及其碳含量隨著退火時間的增加而減少。在830℃退火1 min后在440℃等溫5min的試樣抗拉強度大于1000MPa，延伸率為22.5％，強塑積達到24705MPa％。此試樣的組織包含多邊形鐵素體組成的粗晶區(qū)和細(xì)小

6、的粒狀貝氏體以及殘余奧氏體組成的細(xì)晶區(qū)兩部分，此時的C元素主要富集在殘余奧氏體中。退火時間30min的試樣組織含有少量奧氏體以及部分M/A島組織，抗拉強度下降到869MPa。
　　(3)對實驗鋼進行不同的貝氏體等溫處理，研究了不同等溫溫度下的組織和性能，并采用Ludwigson-Berger方程分析了不同貝氏體等溫溫度試樣殘余奧氏體的力學(xué)穩(wěn)定性。在320℃等溫時，實驗鋼中會形成一部分馬氏體。而等溫溫度過高達到480℃時，大量貝氏體

7、形成，殘余奧氏體減少。隨著貝氏體區(qū)等溫溫度的升高，試樣的抗拉強度先減小后增大，但延伸率卻先增大后減小。根據(jù)所計算的kP值發(fā)現(xiàn)440℃等溫的試樣具有最高的力學(xué)穩(wěn)定性，在整個變形過程中能均勻地發(fā)生馬氏體相變，利于塑性的提高。所有拉伸試樣的斷裂形式均為韌性斷裂。
　　(4)對實驗鋼進行三種不同工藝的熱處理，得到了基體組織不同的TRIP-aided鋼，分別為鐵素體、貝氏體和馬氏體基體。通過熱膨脹、SEM以及拉伸等實驗，研究了三種不同基體試

8、樣的組織和力學(xué)性能的關(guān)系。鐵素體基體試樣組織中含有多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、殘余奧氏體以及部分M/A島。貝氏體基體試樣主要以粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體為主，含有一定量的殘余奧氏體。馬氏體基體試樣組織包含板條狀馬氏體以及分布在板條馬氏體之間的薄膜狀殘余奧氏體。鐵素體基體和貝氏體基體試樣的抗拉強度分別為1008MPa和1045MPa，延伸率為22.4％和28.9％。貝氏體基體試樣的瞬時n值在變形過程中整體上表現(xiàn)出相對較高的水平，強塑積達到了最

9、高的30200.5 MPa％，而且在拉伸過程中會有“微孿晶現(xiàn)象”產(chǎn)生。馬氏體基體試樣獲得了最高的抗拉強度(1194MPa)，延伸率約為16％。馬氏體基體試樣的瞬時n值在最開始很高，之后隨著真應(yīng)變的增加快速下降。
　　(5)為了研究實驗鋼變形過程中的馬氏體相變行為，建立了基于微觀組織的有限元模型。這個有限元模型是以實驗鋼的真實組織為基礎(chǔ)而建立的。然后利用大型通用有限元軟件ABAQUS的開放性接口功能，采用Fortran語言編寫了基于