高锰奥氏体孪晶诱发塑性钢的增强增塑及低周疲劳行为研究

发布时间：2018-05-04 01:24

本文选题：高锰奥氏体TWIP钢 + 高碳TWIP钢　；参考：《燕山大学》2016年博士论文

【摘要】：孪晶诱发塑性(Twinning-induced Plasticity,TWIP)钢具有优越的强度、延展性和成型性,以及优良的能量吸收能力,是新一代汽车用钢的有力竞争者,因此受到广泛关注。但是,关于TWIP钢的研究仍处于初级阶段,存在很多问题还亟待解决。通过进一步提高TWIP钢的强塑性,可以更有效地降低汽车车身重量、提高燃油效率、降低温室气体排放,同时提高汽车的安全性能;通过对其疲劳行为的研究,可以为汽车零部件的抗疲劳设计和使用安全性提供可靠的理论依据。本论文以Fe-Mn-C系高锰奥氏体TWIP钢为研究对象,通过拉伸性能测试及变形过程中显微组织演化的分析,研究了增加C含量、Cr/Mo合金化以及晶粒细化三种手段对TWIP钢拉伸变形行为、加工硬化规律的影响及其强塑性得到提高的微观机理。对无铝和3 wt.%Al(即0Al和3Al)两种TWIP钢在应力控制下的低周疲劳行为进行了研究,并利用数字图像相关法对其低周疲劳过程中的局域变形分布及裂纹扩展特性进行了研究。主要结果如下:对两种碳含量TWIP钢(即Fe18Mn-1.0C和Fe-22Mn-0.6C)的拉伸变形行为进行了对比研究。结果表明,增加碳含量提高TWIP钢的屈服强度和抗拉强度、且保持中碳TWIP钢的高塑性。据分析,与低、中碳TWIP钢相比,高碳TWIP钢中较高的碳含量提高TWIP钢的层错能,导致应变初期形变孪晶的形成受到抑制。另一方面,在高碳含量情况下,高碳TWIP钢表现出更强烈的动态应变时效。增强的动态应变时效一方面促进TWIP钢的加工硬化,同时也有利于随着应变的增加持续形成更加细小的形变孪晶,进而进一步提升高应变时的加工硬化率,推迟拉伸颈缩的出现。因此,高碳TWIP钢具有更高的强度,同时保持高的拉伸塑性。对Cr/Mo合金化与未合金化两种钢(即Fe-18Mn-1.0C-2Cr-1Mo和Fe-18Mn-1.0C)的拉伸变形行为进行了研究,发现Cr/Mo合金化使TWIP钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率同时升高。拉伸变形过程中,两种钢均产生了动态应变时效;但是,与未合金化钢相比,Cr/Mo合金化钢中的动态应变时效减弱,并抑制低应变时形变孪晶的产生。在高应变时,未合金化钢中的形变孪晶较早趋于饱和,而Cr/Mo合金化钢却依然保持着持续形成形变孪晶的能力。此外,Cr/Mo合金化还起到细化形变孪晶的作用。Cr/Mo合金化钢在高应变下持续产生更加细小的形变孪晶,使其加工硬化率保持在较高水平,因而同时具有更高的强度和更高的塑性。就中、低碳或无碳TWIP而言,细化晶粒通常提高强度,同时降低塑性。本论文对不同晶粒尺寸的高碳TWIP钢(Fe-18Mn-1.0C)的研究结果表明,随着晶粒尺寸的细化,高碳TWIP钢的屈服强度、抗拉强度和塑性同时提高。通过显微组织观察发现,在低应变时,晶粒细化抑制了形变孪晶的产生,但是在高应变时,小晶粒试样中形成了更多、更细小的形变孪晶。由此可见,晶粒细化可以防止应变初期产生过多的形变孪晶,并且能够减小孪晶厚度。另一方面,Fe-18Mn-1.0C钢中的高碳含量增强了动态应变时效,提高了加工硬化率,同时能够促进高应变时持续不断地生成形变孪晶,进一步提高了加工硬化能力。正是这种晶粒细化和高碳的共同作用,细晶高碳TWIP钢的强度和塑性同步提高。对比研究了0Al、3Al两种TWIP钢(即Fe-22Mn-0.6C和Fe-22Mn-0.6C-3Al)应力控制下的低周疲劳行为。结果表明,在恒定应力幅450 MPa下,两种钢的循环应变响应曲线均表现出循环硬化(即应变幅减小)、循环饱和以及循环软化三个阶段;但3Al钢的这三个阶段均相对较短,显示出较低的疲劳寿命。虽然3Al钢具有较高的拉伸屈服强度,但是具有较低的循环硬化能力,因此在同一应力幅下,3Al钢的循环应变幅明显大于0Al钢的循环应变幅,进而增加了其疲劳损伤的累积,导致其寿命降低。对0Al钢疲劳裂纹扩展行为的研究发现,在裂纹萌生初期,裂纹扩展速率较慢,出现扩展、停滞及偏折的断续性裂纹扩展。随着疲劳周次的增加,裂纹扩展速率逐渐加快,裂纹路径偏折程度降低。利用数字图像相关法对疲劳过程中的应变场进行了分析,发现试样表面存在严重不均匀应变分布,裂纹往往沿着高、低应变梯度较大的过度区域通过,导致裂纹偏折,而裂纹前方的低应变区起着抑制裂纹扩展的作用。
[Abstract]:In this paper , the tensile deformation behavior of TWIP steel is studied by means of digital image correlation method . The results show that the high carbon content increases the yield strength and tensile strength of TWIP steel . The results show that the high carbon content increases the yield strength and tensile strength of TWIP steel . Cr / Mo alloying also plays a role in thinning deformation twin . The results show that the cyclic strain response curves of high carbon TWIP steel have higher strength and higher plasticity .

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.1

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