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、在汽車工業(yè)迅速發(fā)展的同時，汽車用鋼也面臨安全、環(huán)境、資源、能源及成本等方面的挑戰(zhàn)。為解決這一問題，輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。通過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鋼材，已成為汽車用鋼研究的熱點。因此，高強(qiáng)度高塑性低密度鋼的開發(fā)對未來汽車生產(chǎn)將產(chǎn)生重要的影響，有望在未來汽車結(jié)構(gòu)件上得到廣泛應(yīng)用。但是，汽車用高強(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象，系統(tǒng)研究了高強(qiáng)度高塑性低密度鋼在退火和時效過程中的力學(xué)性能及其組織演化規(guī)律、拉伸變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化及其變形機(jī)制和高壓扭轉(zhuǎn)變形過程中的組織、性能和變形機(jī)制。本文試圖通過對這些實驗結(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、價值的方法。論文獲得的結(jié)果如下：
　　(1)通過對兩種Al含量（Fe-26Mn-8/10Al-1C，分別簡稱為8Al和10Al鋼）的高錳低密度鋼進(jìn)行不同時間和溫度的退火處理，研究了8Al和10Al鋼在退火處理過程中組織和力學(xué)性能的變化規(guī)律。通過對變形試樣微觀組織進(jìn)行觀察，研究了8Al和10Al鋼在拉伸變形過程中的微觀組織演化規(guī)律，同時研究了8Al和10Al鋼的力學(xué)行為和變形機(jī)制。通過分析對比8Al和10Al鋼在拉伸變形過程中微觀組

4、織形貌和力學(xué)行為，明確了Al含量對高錳低密度鋼力學(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，實驗鋼中位錯滑移所需的臨界應(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)通過對8Al和10Al鋼進(jìn)行不同時間的時效處理，研究了8Al和10Al鋼在時效處理過程中組織及力學(xué)

5、性能隨時效時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，通過短時時效處理，可以大幅度提高8Al和10Al鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，同時塑性并沒有顯著降低，從而獲得更為優(yōu)異的高強(qiáng)韌性組合。通過X射線衍射(XRD)、TEM和高分辨透射電子顯微鏡技術(shù)，研究了8Al和10Al鋼在時效過程中κ-碳化物的形貌和分布規(guī)律，以及κ-碳化物對高錳低密度鋼力學(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，同時其體積分?jǐn)?shù)也增加。通過合理控制κ-碳化物析出可以獲得良好的綜合力學(xué)性能。
　　(3)設(shè)計了中錳低密度鋼（Fe-12Mn-8Al-0.8C，簡稱為8Al12Mn鋼），研究了8Al12Mn鋼在退火和時效處理過程中微觀組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律。通過對不同熱處理條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8Al12Mn鋼變形機(jī)制和斷裂行為的影響。通過TEM觀察，研究了8Al12Mn鋼在單軸

7、拉伸變形過程中的微觀組織演化規(guī)律，同時研究了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。實驗鋼在900℃退火處理時，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％。在時效處理過程中形成的硬脆的層片狀碳化物在變形過程中極大地降低了材料的塑性和應(yīng)變硬化能力，導(dǎo)致長時間時效后的強(qiáng)度和塑性同步降低。
　　(4)通過對高錳F

8、e-Mn-Al-C系低密度鋼（Fe-26Mn-3 Al-1C，簡稱為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變形過程中晶粒細(xì)化機(jī)制和變形機(jī)制。結(jié)果表明，經(jīng)過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